一种高铁列车智能化空气净化系统及其控制方法与流程

2021-02-06 08:02:01|

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本发明涉及高铁列车智能控制技术领域，尤其是一种高铁列车智能化空气净化系统及其控制方法。

背景技术：

随着我国高速铁路网的快速建设，越来越多的高铁列车投入使用。由于高铁列车时速快，对于车厢的密封性要求高，所以高铁列车车厢内空气的换气、净化和调温等操作就需要有专门的空气净化系统来完成。现有的高铁列车空气净化系统结构复杂，但无法对空气滤芯的使用状态进行有效监控，更换滤芯完全由经验值确定的更换周期进行控制，且更换过程容易造成操作环境的二次污染。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种高铁列车智能化空气净化系统及其控制方法，能够解决现有技术的不足，简化了系统复杂度，对空气滤芯实现有效的监控，且更换过程便于操作，不会对操作环境造成二次污染。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种高铁列车智能化空气净化系统，包括新风主管和回风主管，新风主管和回风主管上分别安装有流量调节阀，所述新风主管末端分别与新风调温管和新风旁路管连接，新风调温管上安装有空调调温模块，新风旁路管与回风主管共同连接至一次回风管，新风调温管和第一回风管共同连接至混合腔，混合腔内壁设置有插槽，插槽上插接有滤芯，混合腔出风侧连接有出风管，一次回风管和出风管上分别安装有温度传感器；滤芯包括框架，框架与插槽插接配合，框架内固定有滤芯本体，框架的进风侧和出风侧分别轴接有若干个翻转挡板，翻转挡板的表面设置有螺纹安装孔，螺纹安装孔上安装有风压传感器；控制器的输入端分别与温度传感器和风压传感器通讯连接，控制器的输出端分别与流量调节阀和空调调温模块通讯连接。

作为优选，相邻的风压传感器交错设置。

作为优选，所述翻转挡板边缘固定有橡胶密封条。

作为优选，所述滤芯本体表面设置有与风压传感器一一对应的凹槽，凹槽与风压传感器同轴设置，风压传感器与凹槽之间设置有挡板，挡板轴接于翻转挡板上。

作为优选，所述风压传感器的信号输出端设置有滤波模块，滤波模块输入端与风压传感器的信号输出端相连，滤波模块输入端通过串联的第一电容和第二电容连接至第一运放的反向输入端，第一电容和第二电容之间通过第三电容接地，第一运放的正向输入端通过第一电阻接地，第一运放的反向输入端通过第二电阻连接至第一运放的输出端，第一电容和第二电容之间通过第四电容连接至第一运放的输出端，第一运放的反向输入端通过第三电阻连接至第二运放的正向输入端，第二运放的反向输入端通过第四电阻接地，第二运放的输出端通过串联的第五电阻和第六电阻连接至第三运放的反向输入端，第三运放的正向输入端通过第七电阻接地，第三运放的反向输入端通过第五电容连接至第三运放的输出端，第三运放的输出端通过第八电阻连接至第二运放的正向输入端，第五电阻和第六电阻之间连接至三极管的基极，三极管的基极通过串联的第十五电阻和电感接地，三极管的集电极连接至高电平，三极管的发射极通过第九电阻连接至第四运放的正向输入端，第一运放的输出端通过第十电阻连接至第四运放的正向输入端，第四运放的正向输入端通过第十一电阻接地，第四运放的反向输入端通过第十二电阻接地，第四运放的反向输入端通过第十三电阻连接至第四运放的输出端，第四运放的输出端通过第十四电阻连接至滤波模块输出端，滤波模块输出端作为风压传感器的信号输出端。

一种上述高铁列车智能化空气净化系统的控制方法，包括以下步骤：

a、预先设定新风进风量范围、出风管的出风温度范围和一次回风管的回风温度范围，预先设定更换滤芯的风压压差阈值；

b、当一次回风管的实际回风温度超出预设的温度范围时，优先通过在新风进风量设定范围内改变新风进风量的方式调节实际回风温度，当通过单独改变新风进风量的方式无法使一次回风管的实际回风温度恢复至预设的温度范围时，开启空调调温模块进行温度调节；在温度调节过程中，保持出风管的实际出风温度不超出设定的温度范围；

c、通过风压传感器实时监测滤芯两侧的风压压差，当在任意连续1min内出现风压压差超过设定阈值的总时长大于30s，则提示更换滤芯。

作为优选，步骤c中，监测滤芯两侧的风压压差包括以下步骤，

c1、设定风压值偏差阈值，并采集位于同侧的不同风压传感器的风压值曲线；

c2、同步遍历步骤c1中采集的风压值曲线，当任意两个风压值曲线在同一时刻的风压值偏差大于步骤c1所设定的偏差阈值时，设定分段标记，直至遍历完毕，按照分段标记对风压值曲线进行分段；

c3、求得每一段内所有风压值曲线的总平均值，和每个风压值曲线段单独的平均值，若单独平均值超出[总平均值×（1±30%）]的范围，则删除其对应的风压值曲线；

c4、分别求得经过步骤c3处理后的滤芯两侧的风压值曲线的平均值，将两个平均值作差得到滤芯两侧的风压压差。

作为优选，步骤c2中，对每个风压值曲线中的波动进行分类，分为周期性波动和非周期性波动，根据不同风压值曲线中相同频率周期性波动的相位差，对风压值曲线在时间轴上的位置进行调整，实现不同风压值曲线的同步。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明通过优化控制策略，有效精简了温度传感器和流量调节阀的数量，以新风优先的方式对车厢内的空气温度进行调节，不仅节约能源而且可以最大程度上保证车厢内空气的新鲜。本发明对滤芯结构进行了专门的设计，在滤芯两侧安装带有橡胶密封条翻转挡板，在拆卸旧滤芯时先将翻转挡板关闭，可以有效防止拆卸滤芯时附着在滤芯表面的粉尘扩散到空气中，在安装新滤芯后将翻转挡板打开，可以进行正常的空气过滤。由于翻转挡板与滤芯本体的距离是固定的，所以将风压传感器固定在翻转挡板上，可以精确限定风压传感器与滤芯本体的距离，从而保证后期采集的不同风压曲线之间的相对准确性。将风压传感器交错设置，可以提高整个过滤面采集点分布的均匀性。由于每次更换滤芯后重新安装的风压传感器会出现数据的偏差，这就需要通过软件对数据进行校正，而这一过程是非常消耗运算时间的。本发明通过设置与凹槽一一对应的风压传感器，利用凹槽在风压传感器的检测范围内形成局部稳定的气流状态，同时通过调整挡板的角度，实现对风压传感器检测数据的校正，从而保证不同风压传感器之间检测数据的一致性。安装在风压传感器信号输出端的滤波模块并不是简单的高通滤波器，此滤波器在实现基本的高通滤波的基础上对大幅值的脉冲波动进行保留和加强，从而避免由于滤波导致的低频率波动缺失影响对风压值曲线中波动的分类，第三电容用来对进行加强的波动值中的杂波进行初步过滤，从而提高脉冲波动加强后的稳定性。本发明使用多点采集计算平均数的方式计算风压压差，在计算平均数时，通过对风压值曲线的同步调整和分段筛选，可以在降低运算量的同时保证平均数与实际风压的高相似度。

附图说明

图1是本发明一个具体实施方式的结构图。

图2是本发明一个具体实施方式中混合腔的结构图。

图3是本发明一个具体实施方式中翻转挡板的结构图。

图4是本发明一个具体实施方式中滤波模块的电路图。

具体实施方式

本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。

参照图1-4，本发明一个具体实施方式包括新风主管1和回风主管2，新风主管1和回风主管2上分别安装有流量调节阀3，所述新风主管1末端分别与新风调温管4和新风旁路管5连接，新风调温管4上安装有空调调温模块6，新风旁路管5与回风主管2共同连接至一次回风管7，新风调温管4和第一回风管7共同连接至混合腔8，混合腔8内壁设置有插槽18，插槽18上插接有滤芯9，混合腔8出风侧连接有出风管10，一次回风管7和出风管10上分别安装有温度传感器11；滤芯9包括框架12，框架12与插槽18插接配合，框架12内固定有滤芯本体13，框架12的进风侧和出风侧分别轴接有若干个翻转挡板14，翻转挡板14的表面设置有螺纹安装孔15，螺纹安装孔15上安装有风压传感器16；控制器17的输入端分别与温度传感器11和风压传感器16通讯连接，控制器17的输出端分别与流量调节阀3和空调调温模块6通讯连接。相邻的风压传感器16交错设置。翻转挡板14边缘固定有橡胶密封条19。滤芯本体13表面设置有与风压传感器16一一对应的凹槽20，凹槽20与风压传感器16同轴设置，风压传感器16与凹槽20之间设置有挡板21，挡板21轴接于翻转挡板14上。

在更换滤芯时，首先将风压传感器16拆下，然后关闭所有翻转挡板14，便可将旧滤芯9从混合腔8内拉出。将新滤芯9插入混合腔8后，打开全部翻转挡板14将风压传感器16安装在对应的螺纹安装孔15上。通过旋转挡板21，实现对风压传感器16的校正。

风压传感器16的信号输出端设置有滤波模块，滤波模块输入端in与风压传感器16的信号输出端相连，滤波模块输入端in通过串联的第一电容c1和第二电容c2连接至第一运放a1的反向输入端，第一电容c1和第二电容c2之间通过第三电容c3接地，第一运放a1的正向输入端通过第一电阻r1接地，第一运放a1的反向输入端通过第二电阻r2连接至第一运放a1的输出端，第一电容c1和第二电容c2之间通过第四电容c4连接至第一运放a1的输出端，第一运放a1的反向输入端通过第三电阻r3连接至第二运放a2的正向输入端，第二运放a2的反向输入端通过第四电阻r4接地，第二运放a2的输出端通过串联的第五电阻r5和第六电阻r6连接至第三运放a3的反向输入端，第三运放a3的正向输入端通过第七电阻r7接地，第三运放a3的反向输入端通过第五电容c5连接至第三运放a3的输出端，第三运放a3的输出端通过第八电阻r8连接至第二运放a2的正向输入端，第五电阻r5和第六电阻r6之间连接至三极管q的基极，三极管q的基极通过串联的第十五电阻r15和电感l接地，三极管q的集电极连接至高电平vcc，三极管q的发射极通过第九电阻r9连接至第四运放a4的正向输入端，第一运放a1的输出端通过第十电阻r10连接至第四运放a4的正向输入端，第四运放a4的正向输入端通过第十一电阻r11接地，第四运放a4的反向输入端通过第十二电阻r12接地，第四运放a4的反向输入端通过第十三电阻r13连接至第四运放a4的输出端，第四运放a4的输出端通过第十四电阻r14连接至滤波模块输出端out，滤波模块输出端out作为风压传感器16的信号输出端。

其中，第一电阻r1为2.2kω、第二电阻r2为0.5kω、第三电阻r3为1.3kω、第四电阻r4为2kω、第五电阻r5为0.25kω、第六电阻r6为3.5kω、第七电阻r7为0.95kω、第八电阻r8为0.55、第九电阻r9为0.3kω、第十电阻r10为1.2kω、第十一电阻r11为5kω、第十二电阻r12为0.5kω、第十三电阻r13为1.5kω、第十四电阻r14为0.75kω、第十五电阻r15为3kω，第一电容c1为350μf、第二电容c2为200μf、第三电容c3为300μf、第四电容c4为500μf、第五电容c5为450μf，电感l为0.1mh，高电平vcc为12v。

一种上述的高铁列车智能化空气净化系统的控制方法，包括以下步骤：

a、预先设定新风进风量范围、出风管10的出风温度范围和一次回风管7的回风温度范围，预先设定更换滤芯的风压压差阈值；

b、当一次回风管7的实际回风温度超出预设的温度范围时，优先通过在新风进风量设定范围内改变新风进风量的方式调节实际回风温度，当通过单独改变新风进风量的方式无法使一次回风管7的实际回风温度恢复至预设的温度范围时，开启空调调温模块6进行温度调节；在温度调节过程中，保持出风管10的实际出风温度不超出设定的温度范围；

c、通过风压传感器16实时监测滤芯9两侧的风压压差，当在任意连续1min内出现风压压差超过设定阈值的总时长大于30s，则提示更换滤芯。

步骤c中，监测滤芯9两侧的风压压差包括以下步骤，

c1、设定风压值偏差阈值，并采集位于同侧的不同风压传感器16的风压值曲线；

c4、分别求得经过步骤c3处理后的滤芯9两侧的风压值曲线的平均值，将两个平均值作差得到滤芯9两侧的风压压差。

步骤c2中，对每个风压值曲线中的波动进行分类，分为周期性波动和非周期性波动，根据不同风压值曲线中相同频率周期性波动的相位差，对风压值曲线在时间轴上的位置进行调整，实现不同风压值曲线的同步。

由于滤芯表面受到滤芯内部堵塞的部分容易产生局部的紊流，而如果这一紊流发生在凹槽20附近，会更加明显，表现在风压值曲线上即为大幅值的脉冲形波动。正是由于本发明使用的滤波模块可以对大幅值的脉冲波动进行保留和加强，从而在进行风压压差监控的同时，对风压值曲线上的大幅值脉冲波动进行监控，当在连续的1min内出现大于等于8次的被滤波模块加强的大幅值脉冲波动时，提示更换滤芯。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

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