座舱压力控制系统的数字控制器控制参数确定方法

摘要

本发明属于飞机环境控制技术，涉及对座舱压力控制系统的数字控制器控制参数确定方法的改进。其特征在于，确定数字控制器控制参数的步骤如下：连接试验装置；确定典型机场下排气活门快速变化区域；选择H1和H2中的最小值；确定数字控制器的参数和参数作用范围；本发明提出了一种座舱压力控制系统的数字控制器控制参数确定方法，消除了飞机迅速爬升时出现的“鼓包”现象，提高了飞行人员与乘员的舒适性。

说明书

技术领域

本发明属于飞机环境控制技术，涉及对座舱压力控制系统的数字控制器控 制参数确定方法的改进。

背景技术

目前座舱压力调节系统主要采用气动式压调系统，参见《飞机座舱空气参 数控制》，王浚、徐扬禾，国防工业出版社，1980.12。。其缺点是：飞机在 起飞时，座舱压力会随飞机爬升跟随一段时间，出现“鼓包”现象，“鼓包” 现象是指：当飞机在爬升时，飞机座舱压力随飞机爬升而迅速减压，减压到 一定值后飞机座舱压力增加到原平衡状态的过称。当飞机迅速爬升时，“鼓 包”会造成较大的座舱压力波动，对人员耳膜造成影响，导致飞行人员与乘 员不舒适。新型飞机开始采用综合数字式座舱压力控制系统，恰当地确定综 合数字式座舱压力控制系统的数字控制器控制参数，能够消除“鼓包”现象。 未检索到国内外有关确定综合数字式座舱压力控制系统的数字控制器控制参 数的公开文献。

发明内容

本发明的目的是：提出一种座舱压力控制系统的数字控制器控制参数确 定方法，以便消除飞机迅速爬升时出现的“鼓包”现象，提高飞行人员与乘 员的舒适性。

本发明的技术方案是：座舱压力控制系统的数字控制器控制参数确定方 法，数字式座舱压力控制系统包括座舱压力传感器1、数字控制器2和电动排 气活门3；座舱压力传感器1的座舱压力信号输出端通过导线与数字控制器2 的座舱压力信号输入端连接，电动排气活门3的控制信号输入端通过导线与 数字控制器2的电动排气活门控制信号输出端连接；其特征在于，确定数字 控制器控制参数的步骤如下：

1、连接试验装置：试验装置包括用于模拟飞机飞行大气环境的气罐4、 用于模拟飞机座舱环境的气罐5、气源6和模拟大气压力传感器7，气罐5的 进气口与一个具有流量调节功能的气源6连通，气罐5的出气口通过电动排 气活门3与气罐4连通，模拟大气压力传感器7安装在气罐4内腔中，模拟 大气压力传感器7的模拟大气压力信号输出端通过导线与数字控制器2的模 拟大气压力信号输入端连接，座舱压力传感器1安装在气罐5内腔中；

2、确定典型机场下排气活门快速变化区域：

2.1、确定平原机场下排气活门快速变化区域：

2.1.1、确定电动排气活门3的初始开度：将气源6的流量调节为飞机座 舱引气流量，将气罐4内腔的压力模拟为初始高度h₀的压力P₀，h₀为海拔0m 至1000m，手动调节电动排气活门3的开度，使气罐5内腔的压力为p′为保持飞机气密要求的压力，记录此时的电动排气活门开度α₀；

2.1.2、确定增加一个高度间隔后电动排气活门3的开度：将气罐4内腔 的压力模拟为初始高度h₀加一个高度间隔Δh后的压力P₁，Δh=10*t，t=1～ 5m，手动调节电动排气活门3的开度，使气罐5内腔的压力为记录此时 的电动排气活门开度α₁；

2.1.3、重复步骤2.1.2的方法，分别使气罐4内腔的压力为初始高度h₀加i*Δh后的压力P_i,i=2,3,……n,记录电动排气活门开度α_i，使气罐5内腔 的压力为直到当前电动排气活门开度α_i与t次前电动排气活门开度α_i-t的差值小于0.1度为止；则平原机场排气活门快速变化区域为

2.2、按照步骤2.1所述的方法确定高原机场电动排气活门快速变化区域： 高原机场是指海拔高度3500m至4500m的机场，初始压力P₀₁为高原机场初始 高度h₀₁下对应的压力，确定过程中，当前电动排气活门开度β_j与上次电动 排气活门开度β_j-t的差值小于0.1度时，手动调节电动排气活门3的开度，使 气罐5内腔的压力为p′为保持飞机气密要求的压力，所增加 的高度步长Δh的数量为q个，记录q+1个电动排气活门开度β₀至β_q,则高原 机场排气活门快速变化区域为

3、选择Δp₁和Δp₂中的最小值Δp_min为任意海拔高度起飞时排气活门快速 变化区域；

4、当飞机为起飞机场高度起飞时，确定数字控制器的第一比例系数Kp1、 第一积分系数Ki1和第一微分系数Kd1：在阶跃响应下，采用PID工程整定方 法，当飞机为起飞机场高度起飞时，确定数字控制器的第一比例系数Kp1、第 一积分系数Ki1和第一微分系数Kd1；

5、当飞机爬升，静压为起飞机场压力与Δp_min之和减去p′时，确定数字控 制器的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2和第二微分系数Kd2：在阶跃响 应下，采用PID工程整定方法，当飞机爬升，静压为起飞机场压力与Δp_min之 和减去p′时，确定数字控制器的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2和第二 微分系数Kd2；

1.6、确定在排气活门快速变化区域中数字控制器的第三比例系数Kp3、 第三积分系数Ki3和第三微分系数Kd3：

$\bar{k}=(\mathrm{\Delta p}-p^{\prime })/{\mathrm{\Delta p}}_{\min };···\left[1\right]$

式中，Δp为飞机内外压差，p′保持飞机气密要求的压力

$\mathrm{Kp}3=\bar{k}*(\mathrm{Kp}2-\mathrm{Kp}1)+\mathrm{Kp}1;···\left[2\right]$

$\mathrm{Ki}3=\bar{k}*(\mathrm{Ki}2-\mathrm{Ki}1)+\mathrm{Ki}1;···\left[3\right]$

$\mathrm{Kd}3=\bar{k}*(\mathrm{Kd}2-\mathrm{Kd}1)+\mathrm{Kd}1;···\left[4\right]$

1.7、飞机在整个起飞过程中，当Δp小于等于Δp_min时，数字控制器控制 参数采用第三比例系数Kp3、第三积分系数Ki3和第三微分系数Kd3；当Δp 大于Δp_min时，采用第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2和第二微分系数Kd2；

至此，完成数字控制器控制参数的确定。

本发明的优点是：提出了一种座舱压力控制系统的数字控制器控制参数 确定方法，消除了飞机迅速爬升时出现的“鼓包”现象，提高了飞行人员与 乘员的舒适性。

附图说明

图1是本发明所采用的试验装置的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。参见图1，座舱压力控制系统的数字控 制器控制参数确定方法，数字式座舱压力控制系统包括座舱压力传感器1、数 字控制器2和电动排气活门3；座舱压力传感器1的座舱压力信号输出端通过 导线与数字控制器2的座舱压力信号输入端连接，电动排气活门3的控制信 号输入端通过导线与数字控制器2的电动排气活门控制信号输出端连接；其 特征在于，确定数字控制器控制参数的步骤如下：

1、连接试验装置：试验装置包括用于模拟飞机飞行大气环境的气罐4、 用于模拟飞机座舱环境的气罐5、气源6和模拟大气压力传感器7，气罐5的 进气口与一个具有流量调节功能的气源6连通，气罐5的出气口通过电动排 气活门3与气罐4连通，模拟大气压力传感器7安装在气罐4内腔中，模拟 大气压力传感器7的模拟大气压力信号输出端通过导线与数字控制器2的模 拟大气压力信号输入端连接，座舱压力传感器1安装在气罐5内腔中；

2、确定典型机场下排气活门快速变化区域：

2.1、确定平原机场下排气活门快速变化区域：

2.1.1、确定电动排气活门3的初始开度：将气源6的流量调节为飞机座 舱引气流量，将气罐4内腔的压力模拟为初始高度h₀的压力P₀，h₀为海拔0m 至1000m，手动调节电动排气活门3的开度，使气罐5内腔的压力为p′为保持飞机气密要求的压力，对于大多数飞机p′∈(300,3500]，记录 此时的电动排气活门开度α₀；

2.1.2、确定增加一个高度间隔后电动排气活门3的开度：将气罐4内腔 的压力模拟为初始高度h₀加一个高度间隔Δh后的压力P₁，Δh=10*t，t=1～ 5m，手动调节电动排气活门3的开度，使气罐5内腔的压力为记录此时 的电动排气活门开度α₁；

2.1.3、重复步骤2.1.2的方法，分别使气罐4内腔的压力为初始高度h₀加i*Δh后的压力P_i,i=2,3,……n,记录电动排气活门开度α_i，使气罐5内腔 的压力为直到当前电动排气活门开度α_i与t次前电动排气活门开度α_i-t的差值小于0.1度为止；则平原机场排气活门快速变化区域为

2.2、按照步骤2.1所述的方法确定高原机场电动排气活门快速变化区域： 高原机场是指海拔高度3500m至4500m的机场，初始压力P₀₁为高原机场初始 高度h₀₁下对应的压力，确定过程中，当前电动排气活门开度β_j与上次电动 排气活门开度β_j-t的差值小于0.1度时，手动调节电动排气活门3的开度，使 气罐5内腔的压力为p′为保持飞机气密要求的压力，所增加 的高度步长Δh的数量为q个，记录q+1个电动排气活门开度β₀至β_q,则高原 机场排气活门快速变化区域为

3、选择Δp₁和Δp₂中的最小值Δp_min为任意海拔高度起飞时排气活门快速 变化区域；

4、当飞机为起飞机场高度起飞时，确定数字控制器的第一比例系数Kp1、 第一积分系数Ki1和第一微分系数Kd1：在阶跃响应下，采用PID工程整定方 法，当飞机为起飞机场高度起飞时，确定数字控制器的第一比例系数Kp1、第 一积分系数Ki1和第一微分系数Kd1；

5、当飞机爬升，静压为起飞机场压力与Δp_min之和减去p′时，确定数字控 制器的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2和第二微分系数Kd2：在阶跃响 应下，采用PID工程整定方法，当飞机爬升，静压为起飞机场压力与Δp_min之 和减去p′时，确定数字控制器的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2和第二 微分系数Kd2；

6、确定在排气活门快速变化区域中数字控制器的第三比例系数Kp3、第 三积分系数Ki3和第三微分系数Kd3：

$\bar{k}=(\mathrm{\Delta p}-p^{\prime })/{\mathrm{\Delta p}}_{\min };···\left[1\right]$

式中，Δp为飞机内外压差，p′保持飞机气密要求的压力

$\mathrm{Kp}3=\bar{k}*(\mathrm{Kp}2-\mathrm{Kp}1)+\mathrm{Kp}1;···\left[2\right]$

$\mathrm{Ki}3=\bar{k}*(\mathrm{Ki}2-\mathrm{Ki}1)+\mathrm{Ki}1;···\left[3\right]$

$\mathrm{Kd}3=\bar{k}*(\mathrm{Kd}2-\mathrm{Kd}1)+\mathrm{Kd}1;···\left[4\right]$

7、飞机在整个起飞过程中，当Δp小于等于Δp_min时，数字控制器控制参 数采用第三比例系数Kp3、第三积分系数Ki3和第三微分系数Kd3；当Δp大 于Δp_min时，采用第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2和第二微分系数Kd2；

至此，完成数字控制器控制参数的确定。

实施例

参见图1，确定某型飞机座舱压力控制系统的数字控制器控制参数，确定 数字控制器控制参数的步骤如下：

1、连接试验装置：试验装置包括用于模拟飞机飞行大气环境的气罐4、 用于模拟飞机座舱环境的气罐5、气源6和模拟大气压力传感器7，气罐5的 进气口与一个具有流量调节功能的气源6连通，气罐5的出气口通过电动排 气活门3与气罐4连通，模拟大气压力传感器7安装在气罐4内腔中，模拟 大气压力传感器7的模拟大气压力信号输出端通过导线与数字控制器2的模 拟大气压力信号输入端连接，座舱压力传感器1安装在气罐5内腔中；

2、确定典型机场下排气活门快速变化区域：

2.1、确定平原机场800m下排气活门快速变化区域：

2.1.1、确定电动排气活门3的初始开度：将气源6的流量调节为飞机座 舱引气流量，将气罐4内腔的压力模拟为800m的压力p₀为92070Pa，手动调 节电动排气活门3的开度为28.4°，使气罐5内腔的压力为93170Pa；

2.1.2、确定增加一个高度间隔后电动排气活门3的开度：将气罐4内腔 的压力模拟为高度850m时的压力p₁为91520Pa，Δh=50m，手动调节电动排 气活门3的开度25.5°，使气罐5内腔的压力为97170Pa；

2.1.3、重复步骤2.1.2的方法，分别使气罐4内腔的压力为初始高度800m 加i*Δh后的压力P_i,i=2,3,……n,手动调节电动排气活门3的开度α_i，使气 罐5内腔的压力为97170Pa；当n=9时，H_n为1800m，p_n为81480Pa，H_n-1为1750m， p_n-1为82000Pa时，α_n与α_n-1差值小于0.1度；

2.1.4、计算平原机场800m下排气活门快速变化区域Δp₁=93170Pa -81480Pa=11690Pa

2.2、确定高原机场3500m下排气活门快速变化区域：

2.2.1、确定电动排气活门3的初始开度：将气源6的流量调节为飞机座 舱引气流量，将气罐4内腔的压力模拟为3500m的压力p₀为65760Pa，手动 调节电动排气活门3的开度为30.9°，使气罐5内腔的压力为66860Pa；

2.2.2、确定增加一个高度间隔后电动排气活门3的开度：将气罐4内腔 的压力模拟为高度3550m时的压力p₁为65340Pa，Δh=50m，手动调节电动排 气活门3的开度28.5°，使气罐5内腔的压力为66860Pa；

2.2.3、重复步骤2.2.2的方法，分别使气罐4内腔的压力为初始高度 3500m加i*Δh后的压力Pi,i=2,3,……q,手动调节电动排气活门3的开度α _i，使气罐5内腔的压力为；当m=27时，Hq为4850m，p_q为55110Pa，H_q-1为 4800m，p_q-1为55470Pa时，α_q与α_q-1差值小于0.1度；

2.2.4、计算高原机场3500m下排气活门快速变化区域Δ p₂=66860Pa-55110Pa=11750Pa

3、选择Δp₁和Δp₂中的最小值Δp_min=11690Pa为任意海拔高度起飞时排气 活门快速变化区域；

4、当飞机为起飞机场高度起飞时，确定数字控制器的第一比例系数Kp1、 第一积分系数Ki1和第一微分系数Kd1：在阶跃响应下，采用PID工程整定方 法，当飞机为起飞机场高度起飞时，确定数字控制器的第一比例系数Kp1=0.6、 第一积分系数Ki1=0.2和第一微分系数Kd1=0.01；

5、当飞机爬升，静压为起飞机场压力与Δp_min之和减去p′时，确定数字控 制器的第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2和第二微分系数Kd2：在阶跃响 应下，采用PID工程整定方法，当飞机爬升，静压为起飞机场压力与Δp_min之 和减去p′时，确定数字控制器的第二比例系数Kp2=3.8、第二积分系数 Ki2=0.85和第二微分系数Kd2=0.01；

6、确定在排气活门快速变化区域中数字控制器的第三比例系数 第三积分系数和第三微分系数Kd3=0.01，其 中式中Δp为飞机的内外压差。

7、飞机在整个起飞过程中，当Δp小于等于11690Pa时，数字控制器控 制参数采用第三比例系数Kp3、第三积分系数Ki3和第三微分系数Kd3；当Δ p大于11690Pa时，采用第二比例系数Kp2、第二积分系数Ki2和第二微分系 数Kd2；

至此，完成数字控制器控制参数的确定。