模拟电负载散热水循环系统控制方法

本发明涉及飞机定型试飞科目模拟电负载领域以及重心调节技术领域，具体涉及一种模拟电负载系统控制重心调配系统中水的循环流动实现散热的方法。

背景技术：

在飞机研制和试飞过程中，对飞机重心位置的调节以及飞机发电机性能的检测是非常重要的性能指标，直接影响飞机的飞行安全。重心调配系统是基于水介质的自动调节装置，通过在客舱内布置数量和容积足够的水箱，将它们通过管路连接，通过控制水的循环流动来改变飞机重心的位置，已经被国际上民用飞行客机公司广泛应用。由于飞机在实际的试飞过程中机载用电设备消耗的电功率较少，难以满足单个发电机高负载和满载的要求，因此需要设计出一套模拟电负载系统，用于将飞机电源系统发电机的输出功率达到特定状态，以满足部分试飞科目要求。模拟电负载主要通过接入阻性负载完成对发电机剩余功率值的消耗，长期的工作会使得阻性负载产生大量的热量，造成负载表面温度过高，为了避免升温对负载本体以及飞机客舱环境的影响，设计出了一种将电负载系统安全、合理地接入客舱重心调配水循环系统，通过控制水的循环流动实现对电负载系统的散热。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有电负载系统在工作时产生大量的热量，造成负载表面温度过高问题，而提出模拟电负载散热水循环控制方法。

模拟电负载散热水循环系统控制方法具体过程为：

步骤一、设置模拟电负载散热水循环系统，开启模拟电负载散热水循环系统；

步骤二、模拟电负载散热水循环系统对前后水箱组液位差进行实时监测；

步骤三、判断前后水箱组最高液位差是否大于设定值，若是，执行步骤四，若否，执行步骤二；

步骤四、水循环控制系统使用基于液位差的增量式pid控制算法调节电动球阀开度，使前后水箱组液位动态平衡。

本发明的有益效果为：

1、重心调配系统进行水循环调节时，前后水箱组中的所有水箱均全部参与调节。所有水箱同时参与工作，可以让更多的水参与为模拟电负载散热，提供更大的热容量、更大的散热能力，延长模拟电负载可以大功率持续运行时长，提高单试飞架次的试飞科目完成度。

2、通过对前后水箱组最高液位的液位差进行监测，可以尽可能保证水循环系统两侧水流一致，保证前后水箱组中的水量均衡，循环水对负载表面进行降温，解决了现有电负载系统在工作时产生大量的热量，造成负载表面温度过高问题；基于液位差的增量式pid控制算法具有更强的鲁棒性，可以进一步保证系统的工作稳定性。

3、所有控制算法的实现都是基于现场可编辑逻辑器件(fpga)设计，充分利用了fpga可完全重配置与提供硬件定时的快速性与稳定性，保证了算法的实时性，保证了传感器计算、执行机构实施的精确同步。

附图说明

图1为本发明电负载系统接入水循环系统整体方案设计框图；

图2为水循环系统布局设计图，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16分别为每个水箱的进出水孔，①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧、⑨、⑩、为水箱，b1、b2、b3、b4为水泵，17、18、23、24为手动球阀，19、20、21、22为电动球阀；

图3为水循环接入负载箱的水流向示意图；

图4为水箱液位调节流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、2、3、4说明本实施方式，本实施方式模拟电负载散热水循环系统控制方法具体过程为：

为解决此问题采取的技术方案是：水循环控制系统通过液位传感器采集液位信息并进行汇总分析，通过控制逻辑实现对重心调配系统水箱中水的实时循环调节，保证将电负载系统以安全合理的方式接入客舱水循环系统中，整体设计方案如图1所示。

步骤一、设置模拟电负载散热水循环系统，开启模拟电负载散热水循环系统(模拟电负载散热系统开始工作时，模拟电负载散热水循环系统中的水泵组、电动球阀、手动球阀处于开启状态，使得水能够循环起来，带走阻性负载产生的热量。)；

步骤二、模拟电负载散热水循环系统对前后水箱组液位差进行实时监测；

步骤三、判断前后水箱组最高液位差是否大于设定值，若是，执行步骤四，若否，执行步骤二；

步骤四、水循环控制系统使用基于液位差的增量式pid控制算法调节电动球阀开度，使前后水箱组液位动态平衡。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述步骤一中模拟电负载散热水循环系统包括水循环系统、模拟电负载系统和水循环控制系统；

模拟电负载系统的水冷散热主要由水循环系统实现，图2为水循环系统水箱及管路布局设计图，模拟电负载系统的负载箱接入水循环系统的中间管路，如图2箭头所示位置；

由图2可知，所述水循环系统包括客舱前部水箱组和客舱后部水箱组；

所述模拟电负载系统包括负载箱组1和负载箱组2；

所述负载箱组1位于客舱前部水箱组和客舱后部水箱组之间；

所述负载箱组2位于客舱前部水箱组和客舱后部水箱组之间；

所述负载箱组1至少包括1个负载箱；

所述负载箱组2至少包括1个负载箱；

所述水循环系统中还包括水泵组1和水泵组2；

所述水泵组1设在负载箱组1与客舱后部水箱组之间；

所述水泵组2设在负载箱组2与客舱后部水箱组之间；

所述水泵分组1至少包括1个水泵；

所述水泵分组2至少包括1个水泵；

水循环控制系统采集客舱前后部水箱组的液位数据，对前后水箱组液位差进行实时监测。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述水循环系统还包括电动球阀19、电动球阀20、电动球阀21、电动球阀22；

电动球阀19和电动球阀20位于负载箱组1和客舱后部水箱组之间；

电动球阀21和电动球阀22位于负载箱组2和客舱后部水箱组之间。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述水循环系统还包括手动球阀17、手动球阀18、手动球阀23、手动球阀24；

所述手动球阀17位于负载箱组1和客舱后部水箱组之间；

所述手动球阀18位于负载箱组2和客舱后部水箱组之间；

所述手动球阀23连接客舱前部水箱组；

所述手动球阀24连接客舱后部水箱组。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是，所述客舱前部水箱组包括8个水箱，分别为①、②、③、④、⑤、⑥、⑦、⑧；

所述客舱后部水箱组包括8个水箱，分别为⑨、⑩、

客舱前部水箱组分为2排，第1排从左到右为水箱①、②、③、④；第2排从左到右为水箱⑤、⑥、⑦、⑧；

水箱①、②、③、④互相连通，水箱⑤、⑥、⑦、⑧互相连通；

客舱后部水箱组分为2排，第1排从左到右为水箱⑨、⑩、第2排从左到右为水箱

水箱⑨、⑩、互相连通，水箱互相连通；

水箱分共分8组，分别为①与⑤，②与⑥，③与⑦，④与⑧，⑨与⑩与与与每一组既能出水，也能入水；每一组互相联通；并有气孔连接，连通器原理；

水循环系统中水流方向为：

客舱前部水箱组中水箱①②③④出水，客舱后部水箱组中水箱⑨⑩入水，客舱后部水箱组中水箱出水，客舱前部水箱组中水箱⑤⑥⑦⑧入水；

在水循环系统工作时，水泵组1将客舱前部水箱组中水箱①②③④的出水经负载箱组1打向客舱后部水箱组中水箱⑨⑩水泵组2将客舱后部水箱组中水箱的出水经负载箱组2打向客舱前部水箱组中水箱⑤⑥⑦⑧。

接入负载箱的水流向如图3所示，入水管道用以将水循环系统的循环水引入负载箱，出水管道将吸热后的水流引入下一个负载箱内部或者水循环系统中。

负载箱内部水冷绕线电阻竖直放置，采用循环水下进上出的方式实现散热，可以保证水冷电阻内部充满冷却水。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是，所述步骤四中水循环控制系统使用基于液位差的增量式pid控制算法调节电动球阀开度，使前后水箱组液位动态平衡；具体过程为：

在水循环工作时，水泵b1或者b2将前水箱组中的水打向后水箱组，水泵b3或者b4将后水箱组中的水打向前水箱组。为了保证两侧水流一致，控制模块基于pid算法控制前水箱组最高液位与后水箱组最高液位之差。

控制的核心目的是保证前后水箱组的水量均衡，即最理想的状态是运行时前后水箱组中的水量均保持不变，但是由于系统的布局面积所限，系统不可能完全按照对称设计。此外飞机飞行过程中存在姿态角，这些因素导致重心调节时，各水箱的进出水流速度不均匀。可能存在有的水箱液位快速下降，而有的水箱则快速上升。即使前向和后向调节的流速完全一致，也会导致有的水箱的液位上升速度快，有的水箱下降速度快等现象。

为了进一步保证系统工作的稳定性，控制系统保持前向调节的流速不变，而在监测前后水箱组最高液位的液位差时，基于增量式pid算法控制后向调节的流速，即调节电动球阀19或20的开度，调节流程如图4所示。

所述水循环系统还包括电动球阀19、电动球阀20、电动球阀21、电动球阀22；

电动球阀19和电动球阀20位于负载箱组1和客舱后部水箱组之间；

电动球阀21和电动球阀22位于负载箱组2和客舱后部水箱组之间；

在水循环系统工作时，水泵组1将客舱前部水箱组中水箱①②③④的出水经负载箱组1打向客舱后部水箱组中水箱⑨⑩水泵组2将客舱后部水箱组中水箱的出水经负载箱组2打向客舱前部水箱组中水箱⑤⑥⑦⑧；

当客舱前部水箱组中水箱的液位高于客舱后部水箱组中水箱的液位时，水循环控制系统增加电动球阀19和电动球阀20的开度来增大水流向后调节的速度；

开度的控制量由增量式pid算法得到，基于液位差的控制算法具有更强的鲁棒性，此时前水箱组的液位会逐渐降低，后水箱组的液位会逐渐升高；

当客舱前部水箱组中水箱的液位低于客舱后部水箱组中水箱的液位时，水循环控制系统降低电动球阀19和电动球阀20的开度来降低水流向后调节的速度；此时，前水箱组的液位会逐渐升高、后水箱组的液位逐渐降低；

保证在调节过程中前后水箱组液位的动态平衡。

基于fpga的电负载散热系统水循环控制算法的实现

上述控制策略是电负载散热系统水循环控制算法的核心，但是算法的实时性是效能的关键，为了保证传感器计算、执行机构的实施能够精确同步，所有的控制算法基于现场可编程逻辑器件(fpga)设计，将控制逻辑实现于数字芯片中，更加保证自动控制逻辑的实时性与精确性。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。