飞机环控系统混合腔温度控制方法和装置与流程

本发明一般涉及飞机领域，尤其涉及飞机环控系统混合腔温度控制方法和装置。

背景技术：

飞机环境控制系统(ecs-environmentcontrolsystem，简称飞机环控系统)是保障飞机乘员和旅客安全舒适、为机上电子设备提供正常工作环境条件的设备。飞机环境控制系统主要由引气系统、空调制冷循环机构、空气分配系统以及座舱压力调节系统组成，通过这些系统的运行实现座舱供气和空气分配、座舱压力控制、温度以及湿度的控制，进而保证飞机的“舒适性”。

飞机环控系统具有温度调节功能，其包含混合腔以用于混合来自制冷包、再循环的空气，并进行下游的流量分配和配平温度调节。由于混合腔形状和体积特点，加之环控系统大流量特性，因此冷热空气很难在混合腔内混合均匀。当两个制冷包的输出温度产生较大差异时，由于混合腔内以制冷包流量为主，可能导致混合腔不同出口处的温度会有较大差异。

因此，本领域需要改进的飞机环控系统混合腔温度控制方法和装置。

技术实现要素：

本发明提供了一种飞机环控系统混合腔温度控制方法和装置，其利用混合腔内多个温度传感器的数据来计算混合腔的权衡观测温度值，并使用该权衡观测温度值控制多个制冷包的输出温度，从而能够解决多个制冷包输出温度差异过大、混合腔内冷热空气混合不一致等问题。

在根据本发明的一个实施例中，提供了一种飞机环控系统混合腔温度控制装置，其包括：多个制冷包，其分别提供冷气流；混合腔，其接收由所述多个制冷包提供的冷气流以及通过再循环风扇从飞机舱室抽取的空气，并在输出侧提供混合气流；多个温度传感器，其位于所述混合腔的输出侧的不同位置以检测所述混合气流的多个温度；以及控制器，其基于所述多个温度传感器检测到的多个温度来确定所述混合腔的权衡观测温度，并基于所述权衡观测温度与所述混合腔的目标温度之差来控制所述多个制冷包中的每个制冷包提供的冷气流的温度。

在一方面，所述混合腔的权衡观测温度为所述多个温度传感器检测到的多个温度的加权值。

在一方面，所述控制器基于所述权衡观测温度与所述混合腔的目标温度之差采用带负反馈的比例-积分-微分(pid)调节来控制每个制冷包提供的冷气流的温度。

在一方面，所述多个温度传感器在所述混合腔的输出侧的不同位置分别位于所述多个制冷包提供的冷气流下游。

在一方面，所述飞机环控系统混合腔温度控制装置还包括：耦合到所述混合腔的多个输出管路，其将所述混合腔提供的混合气流输送到飞机舱室；以及配平管路，其将飞机发动机的热气流提供给所述多个输出管路中相应的输出管路，其中所述配平管路包括活门以用于调节和关断来自发动机的热气流量。

在一方面，所述混合腔的目标温度为与所述多个输出管路相关联的期望温度中的最小值。

在一方面，在所述配平管路关闭时，对于每个制冷包，所述控制器基于位于该制冷包提供的冷气流下游的温度传感器检测到的温度和该温度传感器附近的输出管路的期望温度来控制该制冷包提供的冷气流的温度。

在根据本发明的一个实施例中，提供了一种飞机环控系统混合腔温度控制方法，其包括：在混合腔中接收由多个制冷包提供的冷气流以及通过再循环风扇从飞机舱室抽取的空气，并在所述混合腔的输出侧提供混合气流；使用位于所述混合腔的输出侧的不同位置的多个温度传感器来检测所述混合气流的多个温度；基于所述多个温度传感器检测到的多个温度来确定所述混合腔的权衡观测温度；以及基于所述权衡观测温度与所述混合腔的目标温度之差来控制所述多个制冷包中的每个制冷包提供的冷气流的温度。

在一方面，所述混合腔的权衡观测温度为所述多个温度传感器检测到的多个温度的加权值。

在一方面，所述飞机环控系统混合腔温度控制方法还包括：基于所述权衡观测温度与所述混合腔的目标温度之差采用带负反馈的比例-积分-微分(pid)调节来控制每个制冷包提供的冷气流的温度。

在一方面，所述多个温度传感器在所述混合腔的输出侧的不同位置分别位于所述多个制冷包提供的冷气流下游。

在一方面，所述飞机环控系统混合腔温度控制方法还包括：通过耦合到所述混合腔的多个输出管路将所述混合腔提供的混合气流输送到飞机舱室；以及通过配平管路将飞机发动机的热气流提供给所述多个输出管路中相应的输出管路，其中所述配平管路包括活门以用于调节和关断来自发动机的热气流量。

在一方面，所述混合腔的目标温度为与所述多个输出管路相关联的期望温度中的最小值。

在一方面，在所述配平管路关闭时，对于每个制冷包，基于位于该制冷包提供的冷气流下游的温度传感器检测到的温度和该温度传感器附近的输出管路的期望温度来控制该制冷包提供的冷气流的温度。

在根据本发明的一个实施例中，提供了一种用于飞机环控系统混合腔温度控制的装置，其包括：处理器；以及用于存储处理器可执行指令的存储器，其中所述处理器用于执行所述处理器可执行指令以实现如上所述的方法。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的飞机环控系统的混合腔温度控制装置的示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的混合腔温度控制方法的流程图。

图3是根据本发明的一种实现的混合腔温度控制方法的示意图。

图4是根据本发明的一个实施例的混合腔温度曲线拟合的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是根据本发明的一个实施例的飞机环控系统的混合腔温度控制装置100的示意图。作为示例而非限定，图1示出了混合腔温度控制装置100包括混合腔110、第一制冷包120和相关联的第一控制器122、第二制冷包130和相关联的第二控制器132、一个或多个再循环风扇等、一个或多个输出管路140等。本领域技术人员应当理解，混合腔温度控制装置100可包括更少或更多的制冷包和相关联的控制器及其他组件。

第一制冷包120和第二制冷包130分别输出冷空气到混合腔110。此外，再循环风扇1和再循环风扇2分别抽取相应舱室的空气进入混合腔110。这些输入空气(例如，各种冷空气和舱室空气)在混合腔中混合后经由各个输出管路140被输送到飞机的各舱室或舱段。混合腔110的输入口可靠近混合腔110的一侧(如图1中所示的上侧)，而混合腔110的输出口可靠近混合腔110的另一侧(例如，与输入侧相对的另一侧)，由此使得各种输入气流可以在混合腔110中充分混合。

在一些实现中，飞机环控系统还可以通过配平管路将发动机的高温引气提供给下游的制冷温控系统。例如，发动机的高温引气可通过配平管路进入各个输出管路140，并与混合腔110输出的气流一起被输送到飞机的各舱室或舱段。配平管路上可具有活门tav(如图1中所示的tav1、tav2、tav3……tavn等)，用于调节和关断来自发动机的热气流量。由此，每个输出管路140中的气流温度可由来自发动机的高温引气进一步调节，从而达到相关联舱室的需求温度。

舱室的需求温度可以是根据需要而设置的温度(例如，系统配置的温度、由机组人员设置的温度、由乘客设置的温度等)。每个输出管路140的期望温度可以根据各舱段的设定温度和实际温度来确定，以使得每个输出管路140将期望温度的气流输送到相关联舱室中之后，能够将相关联舱室中的气温调节至舱室的需求温度。在一些示例中，每个输出管路140的期望温度可以等同于相关联的舱室的需求温度。在另一些示例中，基于相关联舱段的设定温度高于或低于实际温度，每个输出管路140的期望温度可以高于或低于相关联舱室的需求温度。

一般情况下，可设置多个温度传感器，以检测混合腔110内不同位置处的温度。例如，可在混合腔110输出侧的不同位置设置温度传感器，以分别检测混合腔110内不同位置处的混合气流的温度，例如mixt1和mixt2。这些温度传感器可位于混合腔110内、混合腔110的壁上、混合腔110的出口处、输出管路140的入口处或入口附近等。在一些实现中，这些温度传感器的不同位置可分别位于相应制冷包提供的冷气流下游。例如，第一温度传感器可在第一制冷包120提供的冷气流下游，而第二温度传感器可在第二制冷包120提供的冷气流下游。由此，可有利地检测每个制冷包提供的冷气流在混合腔110中的混合效果。在一些实现中，可在混合腔110内靠近每个输出管路140设置温度传感器，以检测将进入输出管路140的混合气流的温度。

如上所述，由于混合腔形状和体积特点，加之环控系统大流量特性，因此冷热空气很难在混合腔内混合均匀。当两个制冷包的输出温度(例如，pdt1和pdt2温度值)产生较大差异时，由于混合腔内以制冷包流量为主，可能导致混合腔不同出口处的混合温度例如mixt1和mixt2会有较大差异，从而很难实现准确的温度控制。

在一些实现中，第一控制器122可根据第一制冷包120的下游混合温度mixt1来控制第一制冷包120的输出温度pdt1(例如，使用pid调节，该pid调节的输入偏差是混合腔目标温度与mixt1的差值)。类似地，第二控制器132可根据第二制冷包130的下游混合温度mixt2来控制第二制冷包130的输出温度pdt2(例如，使用pid调节，该pid调节的输入偏差是混合腔目标温度与mixt2的差值)。如果混合温度mixt1和mixt2有较大差异，则可能进一步导致第一制冷包120的输出温度pdt1和第二制冷包130的输出温度pdt2相差较大，加剧了制冷包输出温度不一致的问题，有可能减损制冷包寿命。

根据本发明的一个实施例，可使用位于混合腔110的输出侧的不同位置处的多个温度传感器来检测混合气流的多个温度(例如，mixt1和mixt2等)，并基于这些温度传感器检测到的多个温度来确定混合腔110的权衡观测温度(例如，检测到的多个温度的加权值)。随后，每个控制器(例如，控制器122、控制器132等)可基于该权衡观测温度与混合腔110的目标温度之差来控制相应制冷包(例如，第一制冷包120、第二制冷包130等)提供的冷气流的温度。此外，每个控制器还可以控制相应制冷包提供的冷气流的流量。由于每个控制器基于统一的权衡观测温度和混合腔110的目标温度来控制相应制冷包提供的冷气流的温度，各个制冷包提供的冷气流的温度是相近的，从而能够抑制各个制冷包输出温度差异过大的问题。此外，每个制冷包的输出温度(例如，pdt1、pdt2等)还可以用于相应控制器的比例-积分-微分(pid)控制环节。pid控制的一个示例可以是比例-微分(pd)调节。

作为示例而非限定，混合腔110的目标温度可以基于多个输出管路的期望温度来确定。当配平管路上的活门tav功能打开时，混合腔110的目标温度可以是多个输出管路的期望温度中的最小值。在这种情况下，由于各个制冷包提供的冷气流的温度是相近的，混合腔110将向各个输出管路提供趋近于相同温度(例如，各舱段的最低需求温度)的输出气流。随后，每个输出管路可通过相应的配平管路接收发动机的高温引气，并通过配平管路上的活门tav来调节和关断来自发动机的热气流量，使得每个输出管路中的气流可以达到相应飞机舱室或舱段的期望温度。

由此，本文描述的飞机环控系统混合腔温度控制技术能够缓解或解决混合腔内冷热空气混合不均匀的问题，并且能够抑制双侧制冷包输出温度差异过大的问题。

虽然图1示出了分开的第一控制器122和第二控制器132，但在其他实现中，第一控制器122和第二控制器132(和/或更多的控制器)可以合并在一起实现为单个控制器。在另一示例中，各个控制器的一些功能可以合并在一起实现，而另一些功能可以单独实现。

例如，可以使用单个计算模块基于各个温度传感器检测到的多个温度来确定混合腔110的权衡观测温度，并将该权衡观测温度提供给第一控制器122和第二控制器132(和/或更多的控制器)以分别控制各自相应的制冷包。在另一示例中，可以由其中一个控制器确定混合腔110的权衡观测温度，并将该权衡观测温度提供给其他控制器以分别控制各自相应的制冷包。

类似地，可以使用单个计算模块确定与多个输出管路相关联的飞机舱室或舱段的期望温度中的最小值作为混合腔110的目标温度，并将该目标温度提供给第一控制器122和第二控制器132(和/或更多的控制器)以分别控制各自相应的制冷包。在另一示例中，可以由其中一个控制器确定混合腔110的目标温度，并将该目标温度提供给其他控制器以分别控制各自相应的制冷包。

作为示例而非限定，以两个制冷包和对应的两个控制器为例来说明根据本发明的飞机环控系统混合腔温度控制技术的示例。本领域技术人员应当理解，制冷包和控制器的数量不限于所描述的示例，而是可以根据具体实现进行调整，或者可以合并或者拆分地实现。

对于在混合腔110的输出侧不同位置处获得的混合温度值mixt1和mixt2，可采用如下权衡温度计算方法。

比较混合温度值mixt1和mixt2，以获得其中的最大值tmax和最小值tmin，混合腔权衡观测温度可计算为：

mixtweighted＝tmax·kmax+tmin·kmin，

其中kmax和kmin是加权系数。在一个实施例中，kmax和kmin可以是预定的加权系数。在另一个实施例中，kmax和kmin可以是与平均温度(mixt1+mixt2)/2有关的线性插值系数，且kmax+kmin＝1。

在混合腔110的输出侧检测两个以上混合温度值的情况下，可类似地基于加权系数来计算这些混合温度值的权衡观测值mixtweighted。针对不同的混合腔配置，可以使用相同或不同的加权系数。

第一控制器122基于权衡观测值mixtweighted对第一制冷包120进行温度控制，第二控制器132基于相同的权衡观测值mixtweighted对第二制冷包130进行控制，可以避免由于混合腔混合不均匀导致的控制输入偏差过大。

作为示例而非限定，对每个制冷包的温度控制可采用带负反馈的比例-微分(pd)调节，如下：

pack_demand＝kp·δ+kd·dδ/dt，其中，

pack_demand是制冷包的需求输出温度，δ＝(manifold_ref-mixtweighted)，kp为比例系数，kd为微分系数。manifold_ref为混合腔目标温度，其可根据混合腔下游出口管路期望温度计算而来。为了预防各制冷包输出温度差异过大，可以根据pdt1和pdt2的偏差来调整kp：

kp＝α·|pdt1-pdt2|/(1+δsel)，其中，α为线性比例系数，δsel表示飞机上各舱段期望温度的最大差值的绝对值。应理解，pid或pd调节仅是示例而非限定。在具体实现中，可以采用其他反馈算法来调节制冷包的输出温度。

通过以上的飞机环控系统混合腔温度控制技术，可以持续地调节每个制冷包的输出温度，使得各个制冷包的输出温度趋于一致，从而能够消除混合腔混合不均匀导致的控制偏差，并有效抑制各个制冷包输出温度不一致的问题，提高了温控系统性能并且能够延长制冷包使用寿命。

图2是根据本发明的一个实施例的混合腔温度控制方法200的流程图。方法200可以由如上所述的图1中的混合腔温度控制装置100来实现，或者可由其他飞机环控系统实现。

在步骤202，可在混合腔中接收由多个制冷包提供的冷气流以及通过再循环风扇从飞机舱室抽取的空气，并在混合腔的输出侧提供混合气流。如上所述，飞机环控系统可包括多个制冷包(例如，两个或更多个制冷包)，每个制冷包将冷气流输入到混合腔中。此外，飞机环控系统还可包括一个或多个再循环风扇，用于从飞机舱室抽取空气进入混合腔。由此，制冷包提供的冷气流和从飞机舱室抽取的空气可在混合腔中进行混合，从而产生具有可调节温度的混合气流。可通过耦合到混合腔的多个输出管路将混合腔提供的混合气流输送到飞机舱室或舱段。

在步骤204，可使用位于混合腔输出侧的不同位置的多个温度传感器来检测混合气流的多个温度。例如，可在混合腔内靠近输出侧的不同位置设置温度传感器，以分别检测混合腔内不同位置处的混合气流的温度。在一些实现中，这些温度传感器的不同位置可分别位于相应制冷包提供的冷气流下游。

在步骤206，可基于这多个温度传感器检测到的多个温度来确定混合腔的权衡观测温度。作为示例而非限定，混合腔的权衡观测温度可以是多个温度传感器检测到的多个温度的加权值。

在步骤208，可基于该权衡观测温度与混合腔的目标温度之差来控制每个制冷包提供的冷气流的温度。作为示例而非限定，可基于权衡观测温度与混合腔的目标温度之差采用带负反馈的比例-积分-微分(pid)调节来控制每个制冷包提供的冷气流的温度。作为示例而非限定，混合腔的目标温度可以是与多个输出管路相关联的飞机舱室或舱段的期望温度中的最小值。

虽然未在图2中示出，该飞机环控系统混合腔温度控制方法还可包括：通过配平管路将飞机发动机的热气流提供给相应的输出管路，其中配平管路可包括活门以用于调节和关断来自发动机的热气流量。在配平管路关闭时，对于每个制冷包，可基于位于该制冷包提供的冷气流下游的温度传感器检测到的温度和该温度传感器附近的输出管路的期望温度来控制该制冷包提供的冷气流的温度。

图3是根据本发明的一种实现的混合腔温度控制方法300的示意图。如上所述，可采用配平管路将飞机发动机的热气流提供给输出管路，从而对每个输出管路的气流进行配平。作为示例而非限定，可根据是否启用配平而采取不同的混合腔温度控制方式。

在步骤302，可根据各舱室的设定温度和实际温度来确定每个舱段的送风管路(即，混合腔下游出口的输出管路)的期望温度。例如，每个输出管路的期望温度可以等同于相关联的舱室的需求温度。在另一些示例中，基于相关联舱段的设定温度高于或低于实际温度，每个输出管路140的期望温度可以高于或低于相关联舱室的需求温度。

在步骤304，确定输出管路是否开启了配平功能。若任何输出管路相关联的配平管路关闭，即不接收来自飞机发动机的热气流，则前进至步骤306。若全部输出管路相关联的配平管路开启，即可以接收来自飞机发动机的热气流，则前进至步骤308。在另一示例中，可确定除具有最低期望温度的输出管路以外的输出管路是否皆开启了配平功能，若是，则前进至步骤308，否则前进至步骤306。

在步骤306，对于每个制冷包，基于位于该制冷包提供的冷气流下游的温度传感器检测到的温度和该温度传感器附近的输出管路的期望温度来控制该制冷包提供的冷气流的温度。即，在关闭配平功能的情况下，可按照各舱段送风管路的期望温度来控制对应的制冷包输出温度。如果各送风管路的期望温度不同，则各制冷包的输出温度也可以不同。例如，在双制冷包双配平开关的情况下，若任意侧的配平功能关闭，则该侧可直接由对应的制冷包对相应舱室实现温度调节，无需混合腔参与温控环节。

在步骤308，可基于混合腔输出侧的多个温度传感器检测到的多个温度来确定混合腔的权衡观测温度。如上所述，作为示例而非限定，混合腔的权衡观测温度可以是多个温度传感器检测到的多个温度的加权值。例如，假设两个温度传感器检测到温度值mixt1和mixt2，可根据mixt1和mixt2按线性插值获得kmax和kmin，并计算混合腔权衡观测温度mixtweighted。

在步骤310，可计算制冷包输出温度调节的相关参数。例如，以pd调节为例，这些参数可包括：δ＝(manifold_ref-mixtweighted)，比例系数kp等。

在步骤312，可根据以上参数来计算各制冷包统一的目标输出温度pack_demand。

在步骤314，在制冷温控系统的配平功能开启时，每个制冷包输出温度可按照比例-微分调节进行实时动态控制。例如，对于双侧制冷包，由于采用相同的偏差量δ和控制参数，因此可以保证两个制冷包具有相同的输出温度目标，从而抑制双侧制冷包实际输出温度偏差过大的问题。

在步骤316，每个输出管路可使用来自飞机发动机的热气流进行配平，从而达到每个输出管路各自的期望温度。由此，每个输出管路可以将期望温度的气流提供给对应的舱段。

如上，在本发明的一个实施例中，可根据制冷温控系统的配平功能是否开启而采取不同的混合腔温度控制方式。在配平功能关闭的情况下，可由各个制冷包分别对相应舱室实现温度调节。而在配平功能开启的情况下，混合腔可参与温度调节，例如可将混合腔目标温度设为各送风管路的期望温度中的最小值，由此各制冷包可采用相同的被控偏差量δ和控制参数，因此可以保证相同的制冷包输出温度目标，从而抑制各制冷包实际输出温度偏差过大。

图4是根据本发明的一个实施例的混合腔温度曲线拟合的示意图。其中横轴可表示时间，纵轴可表示温度。

参考图1，在第一控制器122根据mixt1来控制第一制冷包120的输出温度pdt1并且第二控制器132根据mixt2来控制第二制冷包130的输出温度pdt2时，有可能发生混合温度mixt1(402)和mixt2(406)有较大差异，并进一步导致第一制冷包120的输出温度pdt1(404)和第二制冷包130的输出温度pdt2(408)相差较大的情况，如曲线402、404、406、408所示。

根据本发明的一个实施例，第一控制器122可基于权衡观测值mixtweighted(410)来控制第一制冷包120的输出温度pdt1，并且第二控制器132也可基于权衡观测值mixtweighted(410)来控制第二制冷包130的输出温度pdt2，由此可使得第一制冷包120的输出温度pdt1-new(412)和第二制冷包130的输出温度pdt2-new(414)之间的差异较稳定，从而减少或消除多个制冷包输出温度差异过大的问题。

以上描述的方法和装置的各个步骤和模块可以用硬件、软件、或其组合来实现。如果在硬件中实现，结合本公开描述的各种说明性步骤、模块、以及电路可用通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)、或其他可编程逻辑组件、硬件组件、或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是处理器、微处理器、控制器、微控制器、或状态机等。如果在软件中实现，则结合本公开描述的各种说明性步骤、模块可以作为一条或多条指令或代码存储在计算机可读介质上或进行传送。实现本公开的各种操作的软件模块可驻留在存储介质中，如ram、闪存、rom、eprom、eeprom、寄存器、硬盘、可移动盘、cd-rom、云存储等。存储介质可耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读写信息，并执行相应的程序模块以实现本公开的各个步骤。而且，基于软件的实施例可以通过适当的通信手段被上载、下载或远程地访问。这种适当的通信手段包括例如互联网、万维网、内联网、软件应用、电缆(包括光纤电缆)、磁通信、电磁通信(包括rf、微波和红外通信)、电子通信或者其他这样的通信手段。

还应注意，这些实施例可能是作为被描绘为流程图、流图、结构图、或框图的过程来描述的。尽管流程图可能会把诸操作描述为顺序过程，但是这些操作中有许多操作能够并行或并发地执行。另外，这些操作的次序可被重新安排。

所公开的方法、装置和系统不应以任何方式被限制。相反，本公开涵盖各种所公开的实施例(单独和彼此的各种组合和子组合)的所有新颖和非显而易见的特征和方面。所公开的方法、装置和系统不限于任何具体方面或特征或它们的组合，所公开的任何实施例也不要求存在任一个或多个具体优点或者解决特定或所有技术问题。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

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