发明内容

本发明解决的技术问题是：现有技术不能满足我国飞机实验室在极端低温的情况下对飞机整机发动机试验的需求。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种飞机试验新风控制系统，包括：

补气子系统，补气子系统包括：用于将室外空气引入飞机气候实验室的补偿风道，与补偿风道连通的用于对室外空气进行降温的液氮换热器，与液氮换热器连通的用于将低温空气送入室内的送风管道，送风管道位于飞机气候实验室外且与飞机气候实验室连通，兼具本地手动控制与远程自动控功能的位于飞机气候实验室内的控制模块，监测送风温度的温度监测模块，监测送风湿度的湿度监测模块，监测送风压差的风速监测模块，其中：

补偿风道内从左到右依次设有：用于过滤室外空气中杂质的过滤网，与过滤网连通的变频补偿风机，与变频补偿风机连通的皮托管，

液氮换热器上方通过设有氮气排放开关阀的管道连通有用于高空排放氮气的氮气排放塔，液氮换热器下方通过依次设有调节阀、流量计、液氮进液开关阀的管道连通有用于提供制冷液氮的液氮槽车，

控制模块包括：用于对控制系统进行总体调控的PLC控制器，与PLC控制器连接的：用于人机交互的液晶显示屏，用于通过PID前馈方法实现新风温度控制的PID控制器，用于通过联网控制系统的无线联网子模块，

PLC控制器上搭载的逻辑单元为：用于通过温度监测模块、湿度监测模块、风速监测模块获取系统内新风数据，在未符合设定值时通过液晶显示屏进行报警的监控子模块，用于设置补偿空气温度目标值的温度设定子模块，用于计算补偿空气流量的流量计算子模块，采用Bang-Bang/PID全新风温度控制策略选择控制方法的新风温度控制方法判定子模块，用于通过Bang-Bang控制方法实现新风温度控制的Bang-Bang新风温度控制子模块，

PID控制器上搭载的逻辑单元为：用于将流量计算子模块计算的排气流量作为PID控制前馈以精准控制全新风补气流量的新风补气流量控制子模块，用于通过PID控制器实现新风温度控制的PID前馈新风温度控制子模块，

温度监测模块包括：设置在空气补偿管路风机入口处、液氮换热器出口处、实验室入口处补偿空气温度的温度传感器，

湿度监测模块包括：设置在空气补偿管路风机入口处、实验室入口处的湿度传感器，

风速监测模块包括：设置在空气变频补偿风机出口处及送风管道内的压差传感器。

进一步地，液氮换热器的顶部设有冲霜水排入管道，液氮换热器的底部设有冲霜水排放管道，冲霜水排入管道上设有数个喷头，其上端设有电磁阀，冲霜水排放管道上设有冲霜水排放阀，冲霜水排入管道连接有提供常温水的水泵，水泵入水口连接有冲霜水存储箱，冲霜水存储箱外部包裹有保温层，通过常温水为液氮换热器进行降温，可以防止液氮换热器内部上冻。

进一步地，送风管道内设有风阀，风阀有利于控制送风量的控制。

更进一步地，氮气排放塔底部一端连通有稀释风机，稀释后的氮气能够符合高空气体排放标准，有利于环境的保护。

本发明还提供了上述飞机试验新风控制系统的控制方法，包括以下步骤：

S1、试验开始前，控制系统上电，打开液氮进液开关阀和氮气排放开关阀；

S2、对接液氮槽车与液氮换热器，并将液氮槽车供液压力调节至4Bar；

S3、启动氮气稀释风机；

S4、试验人员的移动设备通过无线联网子模块连接系统，再通过温度设定子模块 设置补偿空气温度目标值，PLC控制器控制变频补偿风机以低转速启动，通过液氮换热 器出口处的温度传感器获取液氮换热器出口新风温度，最后新风温度控制方法判定子 模块通过Bang-Bang/PID全新风温度控制方法选择Bang-Bang新风温度控制子模块或PID前 馈新风温度控制子模块完成新风温度的快速调控，直至补气温度稳定至目标温度；

S5、补偿空气温度基本稳定后，逐步提高变频补偿风机转速，通过新风补气流量控 制子模块的补气流量目标值计算方法计算补气流量目标值，与实验室当前排气 流量比较作为PID控制反馈，通过调节变频补偿风机频率实现补气流量的控制，以 5kg/s的步长设置补气流量目标值，直到补偿空气流量和温度达到目标值；

S6、PLC控制器通过压差传感器采集监测补偿空气流量，判断变频补偿风机当前频率与流量，若出现变频补偿风机转速已达到最大值而空气流量下降，说明液氮换热器已经严重结霜，此时应进行除霜工作；

S7、若液氮换热器连续工作30min，试验结束后应对液氮换热器除霜，若在短时间内间歇工作时间总长超过30min，试验结束后应检查液氮换热器结霜情况，适时对液氮换热器进行除霜；

S8、系统通过风速传感器实时监测氮气压力及氮气流量值，当压力、流量低于设定值，液晶显示屏提示报警屏幕闪烁，显示液氮量不足需要更换液氮槽车；

S9、试验完成后，关闭补气子系统。

优选地，步骤S4中的Bang-Bang/PID全新风温度控制方法具体包括以下步骤：

S4-1、当时，液氮换热器调节阀完全开启；

S4-2、当时，液氮换热器调节阀完全关闭；

S4-3、当时，通过PID控制器对液氮换热器调节阀开度进行 控制，完成全新风的温度控制。

优选地，步骤S5中的补气流量目标值计算方法包括以下步骤：

将补气管道按照圆形的截面分成块区域，每块区域布置1个测点，根据以下公式 获取测点位置：

式中：为补气管道截面半径，为第个区域的测点与截面圆 心距离，为将补气管道截面区域划分的数量，

在每个测点处布置差压传感器，并计算测点处的风速，计算公式为：

，

式中：为皮托管（6）的流量系数，为测点处的风速，为由差压传感器测得 的测点处的气流动压，为测点处的气流密度，

其中，通过以下计算公式获得：

，

式中：中为当地大气绝对压力，为测点处由温度传感器测得的温度，为理想 气体状态常数，

补气流量的计算公式为：

式中：为补气流量，为测点处的风速，为测点处的气流密度，为补气管 道截面半径，为将补气管道截面区域划分的数量，补气流量的调控有利于飞机气候实验 室内部的气压调节。

优选地，步骤S6中除霜工作包括以下步骤：

S6-1、关闭补偿风机、液氮调节阀和风阀；

S6-2、打开用于提供冲霜水的电磁阀和冲霜水排放阀，通过冲霜水排入管道上的喷头向液氮换热器喷淋常温水进行除霜；

S6-3、喷淋20min常温水后，通过检修门检查除霜情况；

S6-4、除霜结束后，关闭用于提供冲霜水的电磁阀和冲霜水排放阀，返回至步骤S5，通过变频补偿风机重新启动补气子系统。

进一步优选地，步骤S9中关闭补气子系统包括以下步骤：

S9-1、关闭变频补偿风机、液氮调节阀；

S9-2、液氮槽车停止供液；

S9-3、关闭风阀；

S9-4、氮气稀释风机继续工作10min后关闭，以充分排出系统积存的氮气；

S9-5、关闭液氮进液开关阀和氮气排放开关阀；

S9-6、控制系统下电。

本发明的有益效果是：

（1）本发明在新风温度控制方面，通过将新风实时温度与补偿空气温度目标值进行比对，选择性地通过Bang-Bang控制与PID前馈的方法，完成新风温度的快速响应，再通过计算补气流量，将补气流量与飞机气候实验室本身的气体排放量进行比对，控制变频补偿风机的工作效率，以完成飞机气候实验室内气压及温度的动态平衡，具有高效、快速、能够自我调控的优点；

（2）本发明系统通过控制液氮制冷流量，可实现补偿空气（-25～-45）℃的温度控制，控制误差不大于±2℃；

（3）本发明控制精度高，安全环保：采用液氮作为制冷剂，1kg/s的液氮约提供250kw的冷量，根据冷量可计算出液氮供给流量及轴流变频风机的运行频率，保证补偿空气流量及温度在一定范围内精确可控，同时液氮蒸发产生的氮气集中起来就近高空排放，不会造成人员和环境的危害，安全环保；

（4）本发明运行平稳，安全可靠：为解决液氮换热器结霜问题，采用冲霜水，保证试验过程温度稳定，同时采用多台槽车同时供液，保证发动机开车过程中液氮量供给均匀稳定。