孙 磊 李国瑞

（江苏塞孚航空科技有限公司，镇江 212009）

1 功能需求

飞机地面空调机组是指为停靠在地面的飞机提供经过过滤、加压、除湿以及降湿（或加热）的新鲜空气的空调设备，一般安装于登机桥下部或其附近。飞机落地停靠后，将机组的出风口通过送风软管接入飞机接口处，从而将经过冷却或加热后的全新风送入飞机内部。通常每一座廊桥或停机位仅安装一台或两台飞机地面空调机组，但在不同时段廊桥所停靠飞机类型不同时，如D类机位停靠C类机型，会导致空调机组类型与飞机类型不匹配的情况。即使是同类机型，其所需飞机地面空调机组提供保障的要求也不完全相同。以常用的飞机型号为例，A320型号机组所需地面空调机组支持的最大压强为3 500 Pa、风量为90 kg·min-1，而737-800型号机组所需地面空调支持的最大压强为135 000 Pa、风量为68 kg·min-1。可见，不同机型对飞机地面空调机组的要求不同，且A320型号飞机对飞机地面空调的出口压强有较细致的要求。现行国内飞机地面空调机组标准C类机组所能提供的机外静压可达到6 700 Pa[1]，远超A320机型的3 500 Pa的极限值。综上所述，飞机地面空调机组在对接不同飞机时输出的风量、风压应该是可自适应或可由用户设置的，且是可动态调节的。

2 现状分析

现有多数飞机地面空调均采用高压离心风机作为送风驱动设备，主要采用直接起动（较大功率采用星三角方式）或变频器两种控制方式来控制。两种控制方式优缺点及风量、风压控制具体分析如下。

2.1 直接起动类型机组

当离心风机采用直接起动或星三角控制时，一般不存在风压、风量调节功能。如图1所示，曲线1为管道阻力曲线，在机组出口接入飞机后已经确定。曲线2为风机特性曲线，在固定转速下是固定的。两者之间交点A即该机组的工况点。在无外界干扰的情况下，机组会在该工况点稳定运行，其中工况点位置固定。它对应的出风口风量、风压为固定值，不可根据要求调节。此类启动方式存在电力冲击，对供电设备存在一定的损害。另外，由于飞机地面空调机组与飞机连接的特殊性（通过软管临时连接），此类起动方式在起动阶段存在较大的风压冲击，可能会导致软管跳动。严重时，管道连接接头脱落，碰触飞机，会造成无法挽回的损失，给安全性要求很高的飞机带来隐患。因此，此类起动方式正随着产品性能的改善及用户需求的提高逐步被其他方式替代。

2.2 变频器控制类型机组

现有机组中标注风量、风压可调的机组通常采用增加变频器的方式实现。变频器可以改变输出频率，从而调整风机转速。如图2所示，通过调整风机转速来改变风机特性曲线。在图1曲线的基础上调整变频器频率，将风机曲线从2移动到2’的位置，机组的工况点由原来的A点移动到A’点，从而达到调整风压、风量的目的。此方法虽然完成了风量、风压调整，但其局限于机组的工况点只能在管道的特性曲线上移动，达不到风量和风压可单独调整的要求，无法完全满足多类型飞机的适用性要求。

图1 直接启动（或星三角控制）特性曲线

图2 变频器控制特性曲线

2.3 优化方案

如果需要同一台机组可满足不同类型飞机的风量、风压要求，必须能够实现风压、风量可独立调整，而以上两种方法均不能实现。对比分析可知，如需两者均可调整，需要在改变风机曲线的同时改变管道特性曲线。在机组设计过程中增加出口阀门，必要时通过调整阀门开度改变机组的管道特性曲线。如图3所示，曲线1’为改变管道特性后的曲线，机组工况点能够在A、A’、B’、B区域内进行调整，从而实现风量与风压的单独调整，提高飞机地面空调机组的适用性。同时，该控制方法避免了起动过程中对电网及送风管道的冲击，使机组更加安全。

3 控制系统设计

通过改变风机运行转速实现风机特性曲线的改变，通过改变机组出口阀门实现管路特性曲线的改变。因此，机组风量、风压调节功能所需控制设备配置如图4所示。变频器驱动离心风机，通过改变输出频率改变风机运行转速。阀门执行器与阀门同轴连接，通过执行器的转动改变阀门开度。风量、风压采集器通过安装在机组出口管道的传感器采集数据，并经计算将风量、风压数据存储、传输。控制器通过Profinet总线读取风压、风量数据，经过计算后将需要输出的控制数据通过Profinet总线传输给变频器，通过Modbus总线传送给阀门执行器。总线控制的方式减少了接线的烦琐，提高了调整精度，减少了外部干扰[2]。对控制精度要求较高的系统，优先推荐总线方式连接。

图3 优化后的特性曲线

图4 机组风量、风压调节功能设备配置

4 风压、风量控制原理

飞机地面空调机组使用过程中是靠现场操作人员通过软管接入飞机，因此不同机型、不同人员都会形成不同软管敷设线路，导致管道特性均不相同。在管道特性不变的情况下，改变风机转速既改变了风量也改变了风压。在风机特性曲线不变的情况下，改变阀门开度同样也改变了风量和风压。可见，该系统存在2个被控量和2个控制量，且被控量之间存在相互耦合的关系。如需获得所需的风量、风压，利用简单的比例积分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制无法实现。此类多工况系统在PID控制的基础上引入神经网络控制系统，对风量、风压进行解耦，然后采用基于反向传播（Back Propagation，BP）神经网络的PID控制方法对解耦后的2个近似独立的单输入单输出系统进行控制[3]。神经网络具有非线性、高度的容错性、并行处理等特性，为多变量时变非线性系统的控制提出了新方法[4]。如图5所示，通过机组人机交互界面采集得到对接飞机所需的风量、风压参数作为控制给定值。神经元解耦控制器在每对输入输出通道上设置一个神经元，每个神经元有2个输入，用以接收PID控制器输出信号。每个神经元的输出作为控制型号送至控制系统，通过神经元权值的修正达到解耦目的。这种结构属于神经网络位于控制器后的串联解耦方案[5]。

图5 风压、风量控制系统

5 控制过程PLC的程序实现

机组采用西门子1200系列可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作为控制器。该控制器紧凑的结构、良好的扩展性及强大的指令功能为神经网络控制提供了完善的平台。部分编写程序流程如图6所示。程序可在每次循环过程中修正神经网络权值，从而修改控制参数，使输出达到最优状态。

图6 PLC编写程序流程

6 飞机型号采集

机组提供用户交互界面，在使用前输入实际飞机型号和飞机类型（C、D、E类等）。控制器根据存储数据匹配最优风量、风压值，并将其作为控制目标。在配备飞机目视引导系统的机场，机组提供了通信接口，可将数据直接读取到控制器，避免人为操作出现错误。

7 结语

本文设计了一种可以动态调整飞机地面空调机组出口风量、风压的控制方法，解决了同一机组接入不同飞机的适用性问题。将神经网络控制算法应用于PLC逻辑控制，在实际使用过程中得到了较好的输出参数，对后期推广实施有着积极影响。