Автоматическое регулирование авиационных систем кондиционирования воздуха

УДК 629.7.048-52 
ББК 39.56 
         Щ612 
 
Рецензенты: 
Главный конструктор  ОАО НПО «Наука»  
канд. техн. наук  Д.А. Кудерко; 
д-р техн. наук, проф. кафедры «Экология и промышленная 
безопасность» МГТУ им. Н.Э. Баумана Ю.В.Чижиков  
 
Щербаков А. В. 
Автоматическое регулирование авиационных систем 
кондиционирования воздуха / А. В. Щербаков. М. : Изд-во 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010.  290, [6] с. : ил. 
 
ISBN 978-5-7038-3363-6 
 
Рассмотрены вопросы проектирования и исследования систем регулирования параметров воздуха в авиационных системах кондиционирования 
воздуха, в частности конструктивное исполнение, работоспособность изделий, образующих систему регулирования. Проведено исследование динамических характеристик объектов регулирования, отдельных регуляторов и взаимосвязанного регулирования систем в целом. 
Изложены вопросы контроля и эксплуатации систем регулирования, описаны методы использования средств цифровой реализации регуляторов и систем. 
Книга предназначена для специалистов в области проектирования и 
эксплуатации авиационных систем кондиционирования воздуха. 
            
                                                                                           УДК 629.7.048-52 
                                                                                              ББК 39.56 

                                                                      
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                   
                                                                 © Щербаков А. В., 2010 
                          © Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN  978-5-7038-3363-6                                        им. Н. Э. Баумана, 2010 

Щ612 

ВВЕДЕНИЕ 

Задача поддержания параметров среды в авиационных системах 
кондиционирования воздуха в заданных пределах на первый взгляд 
представляется не столь сложной. Действительно, находящийся под 
давлением сжатый в двигателе горячий воздух, используемый для 
наддува кабин самолетов и обеспечения воздушного цикла охлаждения, позволяет получать необходимое тепло, а холодильная установка 
является источником охлажденного воздуха. Смешивание этих потоков в оптимальном соотношении обеспечивает достижение необходимых параметров в заданных диапазонах температуры и давления.  
Однако на практике следует учитывать нелинейность характеристик заслонок (непропорциональность изменения расхода воздуха по 
углу поворота заслонки), усугубленную разностью давлений в линиях кондиционирования до заслонок и после них. Кроме того, необходимо снижать давление до требуемых значений. При смешивании 
потоков воздуха разной температуры для сохранения параметров 
процесса вентиляции, исключения возмущающего воздействия на 
систему регулирования давления в кабине не должен изменяться 
общий расход воздуха, подаваемого в кабину. При этом требуемые 
параметры воздуха необходимо поддерживать наиболее экономичным способом: уменьшение тепловой нагрузки на систему кондиционирования должно сопровождаться сокращением затрат энергии 
на ее функционирование.  
В книге рассмотрены вопросы проектирования и исследования 
систем регулирования параметров воздуха в авиационных системах кондиционирования воздуха, в частности конструктивное исполнение и работоспособность изделий, образующих систему  
регулирования. Проведено исследование динамических характеристик объектов регулирования, отдельных регуляторов и взаимосвязанного регулирования систем в целом. Изложены вопросы 
контроля и эксплуатации систем регулирования воздуха, описаны 
методы использования средств цифровой реализации регуляторов 
и систем. 
Книга предназначена для подготовки специалистов в области 
проектирования и эксплуатации авиационных систем кондиционирования воздуха. 

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 

АЧХ   — амплитудно-частотная характеристика  
АЦП   — аналогово-цифровой преобразователь 
БДПТ — бесконтактный двигатель постоянного тока  
ВСУ   — вспомогательная силовая установка  
ВУ   — вычислительное устройство  
ДП   — датчик положения  
ДП 
 — датчик прерывания  

ИР   — измеритель расхода  
КАС   — коммуникатор аналоговых сигналов  
КВД   — компрессор высокого давления  
КНД   — компрессор низкого давления  
КОС   — коэффициент обратной связи  
КПД   — коэффициент полезного действия  
КСС   — коммуникатор силовых сигналов  
ПИД  — пропорционально-дифференциально интегрирующий 
               (элемент, звено) 
ПР  
 — пропорциональный регулятор 

ПИ   — пропорционально-интегрирующий (регулятор, элемент) 
ПОС   — противооблединительная система  
РТ  
 — регулятор температуры  

САР   — система автоматического регулирования  
САУ   — система автоматического управления  
СКВ   — система кондиционирования воздуха  
УОВ   — установка охлаждения воздуха  
УЭ   — управляющий элемент  
ФС 
 — формирователь сигналов  

ЦАП   — цифроаналоговый преобразователь  
ЦВМ  — цифровая вычислительная машина 
ЭВМ   — электронная вычислительная машина  
ЭДС   — электродвижущая сила 
ЭПП   — электропневматический преобразователь 
 

Глава 1 

 АВИАЦИОННАЯ СИСТЕМА  
КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА  
КАК ОБЪЕКТ РЕГУЛИРОВАНИЯ 

1.1. Назначение системы кондиционирования воздуха  
и устройств регулирования ее параметров 

Авиационная система кондиционирования воздуха (СКВ) предназначена для обеспечения жизнедеятельности членов экипажа и 
пассажиров во время полета самолета начиная с посадки пассажиров на земле, на режимах взлета, когда резко изменяются температура и давление воздуха при отборе от двигателя, на крейсерском 
режиме при значительных отрицательных температурах наружного 
воздуха и во время снижения самолета при низком давлении отбираемого воздуха. 
Ниже приведены примеры СКВ пассажирских самолетов, разработанных в конце ХХ века, обладающих примерно одинаковыми 
характеристиками, но значительно различающихся по схемному 
решению. 
В функциональную схему установки СКВ самолета Ил-62  
(рис. 1.1) входят двухколесный турбохолодильник с вентиляторным контуром и два воздухо-воздушных теплообменника (ВВТ) 
для получения охлажденного и нагретого воздуха. Необходимый 
температурный режим в тепловых зонах обеспечивается смешиванием потоков воздуха от ВВТ. 
В функциональные схемы систем отбора воздуха от двигателей 
и установки охлаждения воздуха (рис. 1.2) и системы распределения воздуха по тепловым зонам (рис. 1.3) самолета Ил-96 также 
входят двухколесные турбохолодильники и линии холодного и 
горячего воздуха. Кроме того, применен принудительный обдув 
датчиков температуры в тепловых зонах, установлены смесительные коллекторы холодного и горячего воздуха и увлажнитель воздуха в кабине экипажа. 

Глава 1. Авиационная система кондиционирования воздуха 

 
6 

Рис. 1.1. Функциональная схема установки охлаждения воздуха самолета  
                                                        Ил-62: 
1 — заслонка включения противообледенителей; 2 — штуцер подключения наземного кондиционера; 3 — обратный клапан; 4, 9 — ВВТ; 5 — трехканальный блок заслонок; 6 — турбохолодильник; 7 — влагоотделитель; 8 — заслонка регулятора расхода 
воздуха; 10 — ограничитель давления; 11 — датчик регулятора расхода воздуха;  
12 — датчик регулятора температуры; 13 — командный прибор регулятора расхода         
       воздуха; 14 — датчик ограничителя температуры; 15 — регулятор температуры  
 
Функциональная схема СКВ самолета Ту-204 (рис. 1.4) состоит 
из трех подсистем: отбора воздуха от двигателей, кондиционирования воздуха и распределения воздуха по тепловым зонам. В установке охлаждения воздуха применен трехколесный турбохолодильник, 
в котором на одном валу установлены турбина, вентилятор и компрессор. Кондиционирование в тепловых зонах обеспечивается от 
линии холодного воздуха, температура которого может возрастать от 
5 до 80 С в зависимости от тепловой нагрузки кабины. При необходимости дополнительный подогрев тепловой зоны осуществляется 
подмесом горячего воздуха.  

1.1. Назначение системы кондиционирования воздуха 

 
7 

Рис. 1.2. Функциональные схемы систем отбора и охлаждения воздуха  
                                                    самолета Ил-96: 
1 — турбохолодильник; 2 — ВВТ; 3 — обратный клапан; 4 — двухканальный блок 
заслонок; 5 — ВВТ-конденсатор; 6 — влагоотделитель; 7 — датчик давления; 8 —
датчик перепада давления; 9 — заслонка регулирования температуры в теплой линии; 10 — заслонка сигнализатора расхода; 11 — ороситель; 12 —вентиляторный 
контур двигателя; 13 — заслонка регулирования температуры в горячей линии; 14 —
ВВТ предварительного охлаждения; 15 — дублирующая заслонка регулирования 
расхода воздуха; 16 — основная заслонка регулирования расхода воздуха; 17 —
датчик температуры; 18 — заслонка кольцевания; 19 — штуцер подсоединения уста- 
                                       новки воздушного запуска; 20 — эжектор 

 
Приведенные СКВ самолетов Ил-62, Ил-96 и Ту-204 различаются схемным исполнением установок охлаждения систем распределения воздуха по тепловым зонам и конструктивными решениями исполнительных органов регулирования параметров. 

Рис. 1.3. Функциональная схема системы распределения воздуха по тепловым зонам самолета Ил-96: 
1 — блок датчиков температуры; 2 — вентилятор; 3 — регулируемые жалюзи; 4 — вентиляторный короб; 5 — панели вентиляции; 6 — заслонка; 7 — очистители воздуха от пыли; 8 — турбовентилятор; 9 — ВВТ; 10 — обратный клапан; 11 — запорный 
кран системы водоснабжения; 12 — система увлажнения воздуха; 13 — датчики температуры; 14 — дроссельная шайба; 15 —
двухканальная заслонка перепуска воздуха по уровням; 16 — двухканальные заслонки регулирования температуры воздуха в 
салонах и в кабине экипажа; 17, 18 — коллекторы холодного и теплого воздуха соответственно; 19 — предохранительный кла- 
                                                     пан; 20 — ручная заслонка и штуцер для наземного контроля 

Рис. 1.4. Функциональная схема СКВ самолета Ту-204: 
1 — датчик расхода; 2 — регулятор расхода; 3 — установка охлаждения воздуха; 4 — предварительный теплообменник; 5 —
 регулируемый воздухозаборник продувочного воздуха; 6 — основной теплообменник; 7 — трехколесный турбохолодильный 
агрегат; 8 — подогреватель; 9 — конденсатор; 10 — обводной клапан турбины; 11 — влагоотделитель; 12 — электровентилятор 
рециркуляционного воздуха; 13 — фильтр рециркуляционного воздуха; 14, 17 — клапаны регулирования температуры в грузовой кабине; 15 — глушитель; 16 — электрический воздухонагреватель; 18 — штуцер наземного кондиционера; 19 — эжектор; 
20 —выходные заслонки; 21 — кран горячего воздуха; 22 — обратные клапаны; 23 — терморегулируемый клапан; 24 —
 

                                                  
 
 
 
 
 
 
противообледенительный  клапан 

Глава 1. Авиационная система кондиционирования воздуха 

 
10

Общим для всех СКВ является применение функционально однотипных регуляторов параметров среды и комплектующих изделий — датчиков и исполнительных механизмов. 
Все СКВ оснащены регуляторами давления в трубопроводе на 
входе СКВ, температуры воздуха, отбираемого от двигателя, расхода воздуха через установку охлаждения, температуры воздуха на 
выходе установки охлаждения, на выходе компрессора установки 
охлаждения и в каждой тепловой зоне. 
Значительное число различных регулирующих устройств обусловлено сложностью задачи поддержания параметров среды в 
СКВ, к которым относятся: количество воздуха на каждого пассажира, температура и давление воздуха в гермокабине, тепловой 
зоне и техническом отсеке [1].  

1.2. Автоматическое регулирование 

Общие сведения об автоматическом устройстве непрерывного 
действия с цепью воздействия, называемом автоматическим регулятором, приведены в работах [4, 5]. В автоматическом регуляторе 
информация в виде изменения значения регулируемого параметра 
процесса воспринимается входным элементом. С помощью управляющего элемента устанавливается либо постоянное значение регулируемого параметра, либо закон его изменения, либо порядок 
воздействия на регулируемый параметр. 
Автоматические регуляторы в зависимости от решаемой задачи подразделяют на: 
– стабилизирующие, если заданное значение регулируемого 
параметра постоянно; 
– программные, если задан закон изменения регулируемого параметра или порядок воздействия на него; 
– следящие, когда значение регулируемого параметра задано в 
виде зависимости от значения другого параметра. 
Заданные действительные значения регулируемого параметра 
сопоставляются в элементе сравнения, где устанавливается значение рассогласования и вырабатывается сигнал рассогласования 
(ошибка), направляемый в исполнительный механизм, который 
осуществляет управляющее воздействие с помощью рабочего или 
регулирующего органа. 
Предварительно сигнал может быть преобразован в более 
удобную для дальнейшего применения форму в элементе преобра