张艺倩
（西部机场集团机场建设指挥部，陕西省西安市，712000）
摘要：本文通过说明APU替代设备（即飞机地面空调）给飞机客舱提供冷热气源的工作原理，分析飞机地面空调在运行中暴露的问题，提出一种基于闭环自动控制的控制逻辑，提升飞机地面空调控制系统的工作效率和稳定性，为飞机地面空调的设计开发提供参考。
关键词：飞机地面空调系统；温度控制；客舱温度；闭环控制
0 引言
绿色发展是民航高质量发展的基本要求。“十三五”以来，中国民航以打赢蓝天保卫战为重要抓手，节能减排工作力度持续加大，民航局印发实施《民航贯彻落实<打赢蓝天保卫战三年行动计划>工作方案》，以飞机辅助动力装置(APU)替代项目为主要抓手，确定了39家重点区域机场以及31家其他区域年旅客吞吐量500万人次以上机场为民航打赢蓝天保卫战主要阵地，推动行业结构性节能减排工作走向深入。根据民航局发布的《2019年民航行业发展统计公报》，截至2019年，全国年旅客吞吐量500万人次以上机场中95%以上的单位已完成APU替代设备安装并投入使用，千万级以上机场基本实现应用尽用。经统计，从2018-2020年间，APU替代设备通过在飞机廊桥停靠期间代替APU向飞机供电供气，累计节约了航油40余万吨，相当于减少二氧化碳排放近130万吨，减少各种大气污染物排放近4900吨，节约航油成本约12亿元，是绿色机场发展的重要成果，对减少环境污染，提高机场的服务质量具有重要的意义。APU替代设备就是指用来在飞机廊桥停靠期间代替APU向飞机供电供气的飞机地面电源（供电）和飞机地面空调设备（供气）。本文主要针对飞机地面空调设备展开研究。
调研发现，随着地面飞机空调使用需求的加大，飞机地面空调的一些问题也逐渐暴露，主要表现为：
1.制冷或制热效率较差。空调接上飞机后，无法快速达到较为舒适的制冷或制热效果；
2.制冷或制热稳定性较差。空调对温度变化控制不够稳定，过冷或者过热的现象经常出现。
目前国内飞机专用空调的控制方案是控制压缩机最大负荷的运转，以达到满足客舱温度的需求，是开环控制方案，未考虑客舱实时温度，且由于设备使用年限增加，其制冷效率逐年降低，因此，地面操作人员担心温度不能快速达到要求，会提前开启飞机地面空调设备，或者根据天气情况，对地面空调进行分段式控制，造成能源浪费且制冷效果不佳。
因此本文针对飞机地面空调存在的问题进行适当的分析，研究如何用智能的控制方法优化飞机专用空调的送风温度控制，从而实现为机组人员、中转旅客上下飞机提供凉爽、舒适的客舱环境。
1 飞机地面空调工作原理
飞机落地后，机组会关闭机载空调系统，同时飞机客舱内的温控传感器也停止工作。靠接廊桥期间，飞机使用地面飞机专用空调机组对机舱温度进行调节，如图1所示。
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图1 飞机专用空调
飞机地面空调设备是一种对飞机机舱内空气进行调节的机场地面服务专用空调机组，也称为预处理空调机组，其采用直接蒸发压缩冷凝制冷技术对吸入的空气进行过滤、冷却、除湿或加热处理，并按照飞机机型规定的空气流量、压力向停靠地面的飞机内部空间输送处理后的空气。
飞机地面空调通过送风管道（如图黄色软管）与飞机客舱空调混合总管连接，直接供气进入飞机客舱和驾驶舱使用。然而因为空调机组安装位置不同，其送风管道一般为25-40米，管道长度较长，且在送风过程中必然发生能量的流失，导致飞机地面空调面临新风量不足，温度控制效果不好的问题。因此飞机地面空调必须有足够的送风量以及送风压力。根据机场实际运营情况下，过站的航班在廊桥停靠时间短，为保障舱内环境符合民航局标准，尤其是在夏季、冬季环境条件下，能够在短时间内达到机舱内温度要求。 根据《飞机地面空调机组》（MH/T 6109-2014）,飞机地面空调规格型号及额定性能参数表1所示。
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注：机组应能根据需求在4500 m3/h~6000 m3/h范围内精确调节送风量；
在4200Pa~6700Pa范围内精确调节送风风压。
机组应能根据需求在9600 m3/h~12000 m3/h范围内精确调节送风量；
在5300Pa~7350Pa范围内精确调节送风风压。
2 飞机地面空调系统的送风温度控制
飞机地面空调通过送风管道与飞机客舱空调混合总管连接，直接供气进入飞机客舱和驾驶舱使用。而机组关闭机载空调系统后，飞机客舱内的温控传感器也会停止工作，飞机上无法控制飞机地面空调输入气源的温度和流量。由于航空安全要求，机载空调系统不允许与地面飞机地面空调系统通信，此时，飞机客舱和驾驶舱的温度完全由飞机地面空调送入的温度和流量决定。
而没有客舱内温控传感器的信息，飞机地面空调只能采用开环控制，通过固定的送风温度而改变送风量来进行调节温度，其控制回路的原理图如图2所示。
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图2 飞机地面空调系统送风温度控制
整个控制过程中，控制器通过检测到的机舱温度信号与设定送风温度值进行对比，通过其偏差调节执行单元来对送风温度实现温度调节。送风温度调节的过程中绝大数都是通过人工经验的控制策略，大多是使空调按照最大功率运行，或者按照以往的经验，根据实际的天气状况，对地面空调进行分段式控制，这样造成能源的浪费且制冷效果不佳，无法适应现代的控制需求。
为了改善这种情况，本文研究引入PID闭环控制方法对飞机地面空调送风温度进行优化控制。基于对飞机地面空调系统的分析，本次控制对象为机舱温度，测量装置采用温度传感器，内部有热敏电阻，随着温度的变化，阻值也发生变化，执行元件为压缩机、鼓风机、电磁阀、电加热等功率器件, 外部干扰主要是外部大气的温湿度以及太阳辐射。系统采取闭环控制，使机舱温度不断向设定温度靠近，设计了如图3所示飞机地面空调闭环的控制方案。
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图3 飞机地面空调系统送风温度闭环控制方案
闭环控制是指被控量与给定值比较后用其偏差对系统进行控制，亦称反馈控制。在闭环控制系统中，不论什么原因使被控量偏离期望值而出现偏差时，必定会产生一个相应的控制作用去减小或消除这个偏差，使被控量与期望值趋于一致。需要控制的是机舱温度，而测量的是机舱温度对送风温度设定值的偏差。只要机舱温度出现偏差，系统就自行纠正。
飞机专用空调可在登机桥靠近飞机舱门处放置适量的机舱温度传感器，将飞机客舱温度实时反馈到飞机地面空调的控制系统中，形成闭环，就可实现初步的飞机地面空调送风温度的稳定控制。
3 总结
本文通过对飞机地面空调的工作原理和流程进行了说明，提出一种基于闭环自动控制的控制逻辑，提升飞机地面空调控制系统的效率和稳定性，为飞机地面空调的设计开发提供参考，从而落实绿色机场建设理念，同时提升机场服务质量，让广大人民群众能够享受更舒适的乘机体验服务。
参考文献
[1] 中国民航局.“十三五”民航节能减排巡礼：坚持绿色发展 守护蓝天白云，2020
[2] 飞机地面空调机组 （MH/T 6109-2014）
[3] 郭莉钰.空调闭环自动控制系统
[4] 李宗帅，林家泉，王修岩.基于地面桥载空调的飞机客舱温度系统建模及控制.2017
作者简介：姓名：张艺倩 (1990.03) 性别 女，陕西省西安市人，学历 本科，专业：自动化。