基于虛擬儀器和模糊控制的液冷控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊鳴坤，龍?jiān)娍疲降驴?，?捷

(1. 桂林航天工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 桂林航天工業(yè)學(xué)院電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；3. 西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710072)

1 引言

電子設(shè)備的存儲(chǔ)和工作與溫度密切相關(guān)，一套好的散熱系統(tǒng)可以使其工作良好，反之則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性降低及其部件壽命的嚴(yán)重縮短[1-3]。目前航空客機(jī)都朝著全電方向迅猛發(fā)展[3]，機(jī)載電子設(shè)備越來越多，功率越來越大，熱流密度也越來越高。需要研制一套液冷系統(tǒng)來保證大功率電子設(shè)備的正常使用。

液冷控制系統(tǒng)的使用方法在于利用液體循環(huán)冷卻，通過管道的連接來為遠(yuǎn)距離的電子設(shè)備降溫，這種方法可以有效消除風(fēng)冷散熱所帶來的振動(dòng)機(jī)噪聲問題，并使其散熱效果顯著加強(qiáng)[4]。液冷控制系統(tǒng)可通過三通閥門和泵的組合動(dòng)作使冷卻液在管道中循環(huán)流動(dòng)。該過程中，冷卻液的黏度、容量、比重以及冷卻液在管道中運(yùn)行時(shí)的壓力、溫度、流量都可以直接或間接影響散熱系統(tǒng)的冷卻能力。

國外對(duì)軍用電子設(shè)備的冷卻給予了足夠的重視[1]，美國啟動(dòng)HERETIC項(xiàng)目計(jì)劃，專注研發(fā)高密度高性能設(shè)備的散熱系統(tǒng)[4]。項(xiàng)目冷卻目標(biāo)是1000W/cm2，未來將達(dá)到8000W/cm2。國內(nèi)關(guān)于電子設(shè)備的冷卻技術(shù)發(fā)展緩慢，芯片封裝、加工工藝較為落后，相比國外產(chǎn)品性能上還十分欠缺。近年來，液體冷卻技術(shù)發(fā)展較快，它主要是利用液體帶走電子設(shè)備的熱量，從而實(shí)現(xiàn)給電子設(shè)備的散熱。根據(jù)文獻(xiàn)資料[5]，液體相比于氣體，換熱系數(shù)高。氣體的強(qiáng)制換熱系數(shù)大致是20～100W/(m2· K)，液體的強(qiáng)制換熱系數(shù)是氣體的百倍以上[4][6]，高達(dá)1500W/(m2·K)。

本文研究并設(shè)計(jì)了一套液冷控制系統(tǒng)。該液冷系統(tǒng)從實(shí)驗(yàn)機(jī)載電子設(shè)備的散熱冷板吸收熱量，循環(huán)冷卻系統(tǒng)通過泵提供冷卻液的循環(huán)動(dòng)力，帶動(dòng)冷卻液在管道內(nèi)循環(huán)起來；通過調(diào)節(jié)三通閥門開度來控制一路流經(jīng)液-液熱交換器進(jìn)行降溫與另一路直通的冷卻液的混合比例，從而控制冷卻液的溫度穩(wěn)定到設(shè)定的溫度值，以保證電子設(shè)備能夠在合適的溫度范圍內(nèi)工作。整套系統(tǒng)包括硬件與和軟件兩個(gè)部分，涉及測試技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。本文主要是以LabWindows/CVI 8.5軟件為編程環(huán)境，采用模塊化編程設(shè)計(jì)的思路，綜合液冷控制系統(tǒng)項(xiàng)目，通過PCI-1802LU多功能數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、保存和傳輸，并實(shí)現(xiàn)了友好的人機(jī)交互界面的開發(fā)。

2 液冷系統(tǒng)控制策略

2.1 液冷系統(tǒng)的工作原理

液冷系統(tǒng)通過泵帶動(dòng)冷卻液在管道中循環(huán)，利用散熱冷板將電子設(shè)備散發(fā)的熱量帶走，并通過調(diào)節(jié)三通閥的開度控制冷卻液的溫度，使其保持在一定范圍內(nèi)，三通閥流入的兩路冷卻液一路溫度高，一路被冷卻后降溫，調(diào)節(jié)三通閥進(jìn)而改變了兩路冷卻液的混合比例使得流入散熱冷板的冷卻液保持在適當(dāng)?shù)臏囟?，最終使得冷卻液通過散熱冷板對(duì)電子設(shè)備的冷卻效率保持在較高水平，實(shí)現(xiàn)為機(jī)載電子設(shè)備散熱的目的。液冷控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 液冷控制系統(tǒng)的工作原理

圖中理想狀態(tài)下，系統(tǒng)管道中冷卻液的總流量為Q0，調(diào)節(jié)前溫度T0，通過三通閥調(diào)節(jié)后不經(jīng)過液-液熱交換器通路的冷卻液流量為Q1，溫度與調(diào)節(jié)前溫度T0保持一致，通過液-液熱交換器的冷卻液流量為Q2，冷卻后的溫度為T2；兩路冷卻液經(jīng)過三通閥混合后的流量保持不變，為管道總的流量Q0，冷卻液的溫度降為T。理論分析時(shí)設(shè)定系統(tǒng)管道沒有熱損耗，且泵輸出功率和管道阻尼保持不變即Q0為定值，則有Q0=Q1+Q2。三通閥是液冷控制系統(tǒng)的重要組成部件。

三通閥的三種狀態(tài)分別是：閥門開度為0°，此時(shí)流入閥門A端的流量與流出AB端的流量相等；閥門開度在0°到90°之間，此時(shí)流入閥門A端和B端流量的總和與流出AB端的流量相等；閥門開度為90°，此時(shí)流入閥門B端的流量與流出AB端的流量相等。三通閥開度與流通狀況示意圖如圖2所示。

圖2 三通閥開度與流通狀況示意圖

從三通閥A端流入不經(jīng)過液-液熱交換器的冷卻液，B端流入經(jīng)過液-液熱交換器的冷卻液，三通閥門的開度θ范圍為0～90o，通過2～10V的電壓信號(hào)Y控制，且跟兩條支路的冷卻液流量線性相關(guān)?？刂齐妷簽?V時(shí)，三通閥門開度為0o，冷卻液不經(jīng)過液-液熱交換器支路全部流過則Q1=Q0；控制電壓為10V時(shí)，三通閥門開度為90o，液-液熱交換器支路全部流過則Q2=Q0，所以有

(1)

(2)

式中，Q1為冷卻液未經(jīng)過液-液熱交換器的流量，Q2為冷卻液經(jīng)過液-液熱交換器的流量，Q0為冷卻液總流量；θ為三通閥門開度，Y為三通閥門的控制電壓。

2.2 三通閥的模糊控制策略

1)確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)

本文采用二維模糊控制器，如圖3所示，模糊控制器的兩輸入變量為e(供液溫度設(shè)定值與冷卻液溫度之差)、ec(溫差變化率)，單輸出變量u(三通閥門開度的變化量)，為此模糊控制器宜選用兩輸入-單輸出的二維結(jié)構(gòu)形式

圖3 二維模糊控制器

2)確定語言變量需要確定的語言變量有三個(gè)，即溫差e、溫差變化ec和三通閥門開度變化u。語言變量的特性如表1所示。

表1 語言變量的特征表

語言變量量化、比例因子的計(jì)算

3)確定語言值的隸屬度函數(shù)，為了滿足控制精度要求的情況下，選取了高斯函數(shù)，如圖4所示。

圖4 隸屬函數(shù)分布圖

確定了隸屬度函數(shù)，可以計(jì)算出語言變量的賦值表。

4)通過工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制規(guī)則，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以給出模糊控制規(guī)則。

5)輸出信息的模糊判別。

在三通閥門控制系統(tǒng)中，模糊控制器的在線控制，就是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的溫差和溫差變化率，通過查詢此表作出決策從而進(jìn)行控制的。

其中三通閥由球閥與角行程執(zhí)行器兩部分構(gòu)成。執(zhí)行器接收標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)節(jié)型信號(hào)，將控制閥球(節(jié)流元件)旋轉(zhuǎn)到控制信號(hào)指示的位置。三通閥中轉(zhuǎn)軸是被控對(duì)象，閥門轉(zhuǎn)角是控制量，放大器、直流電機(jī)組成控制裝置?？刂葡到y(tǒng)的任務(wù)就是在任何擾動(dòng)(如風(fēng)或氣流沖擊作用)，三通閥開度始終保持在控制信號(hào)的指定角度。閉環(huán)控制的三通閥開度方框圖如圖5所示。

圖5 閉環(huán)控制的三通閥開度方框圖

3 液冷系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)方案

管路系統(tǒng)主要是由增壓組件、散熱組件、壓力平衡及加注組件構(gòu)成。增壓組件包括連接導(dǎo)管、加熱器和泵，是液冷系統(tǒng)工作的動(dòng)力源；散熱組件包括三通閥、液-液熱交換器，其中三通閥控制算法的研究是液冷系統(tǒng)的核心[7]；壓力平衡及加注組件包括集液箱、液壓空氣濾清器和放液接頭，是液冷系統(tǒng)的安全保障。系統(tǒng)的管路系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 管路系統(tǒng)組成

1)增壓組件組成及工作原理

冷卻液在集液箱內(nèi)通過電加熱器組進(jìn)行加熱。液冷系統(tǒng)裝有兩組電加熱器，每組6個(gè)，電加熱器分別安裝在集液管的兩端。系統(tǒng)一上電，首先判斷集液箱內(nèi)冷卻液的溫度，當(dāng)集液箱內(nèi)的冷卻液溫度低于0℃時(shí)，兩組電加熱器自動(dòng)接通對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱；當(dāng)集液箱溫度低于15℃時(shí)，僅一組電加熱器自動(dòng)接通，對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱；當(dāng)集液箱溫度達(dá)到15℃時(shí)，電加熱器組自動(dòng)關(guān)閉，泵啟動(dòng)。

增壓泵是液冷系統(tǒng)的循環(huán)動(dòng)力源，冷卻液通過兩臺(tái)同型號(hào)的泵提供動(dòng)力源。奇數(shù)日工作時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)泵I，泵II作為備用，當(dāng)泵I故障時(shí)，即泵出口壓力降到845±10kPa時(shí)或泵單相電流低于10A、高于20A時(shí)，備用泵自啟動(dòng)工作，當(dāng)備用泵也出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)停止工作，偶數(shù)日也同理。

冷卻液經(jīng)泵升壓后輸送至供液管路，為防止倒流，每個(gè)供流管路均設(shè)有單向閥。增壓組件內(nèi)的主管道上設(shè)有一個(gè)過濾器，以保證冷卻液的潔凈度，過濾精度為80μm。當(dāng)過濾器的阻塞流阻達(dá)到70kPa時(shí)，與過濾器并聯(lián)的旁通活門自動(dòng)打開，允許系統(tǒng)在過濾器堵塞時(shí)工作。經(jīng)過濾的冷卻液通過自封接頭進(jìn)入液冷系統(tǒng)管路，通過三通閥門進(jìn)入散熱組件，將電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量帶走。

2)散熱組件組成及工作原理

散熱組件由液-液熱交換器、三通閥門等組成。散熱設(shè)備完成熱交換后的冷卻液經(jīng)過三通閥門進(jìn)行散熱。散熱系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)三通閥門開度實(shí)現(xiàn)給機(jī)載電子設(shè)備散熱。當(dāng)冷卻液溫度高于供液溫度設(shè)定值時(shí)，閥門開度增大，較大流量的冷卻液流經(jīng)液-液熱交換器，其余較小流量的冷卻液流回到增壓組件。液-液熱交換器為液冷控制系統(tǒng)提供冷源。液-液換熱器處設(shè)有自封接頭，以便液冷控制系統(tǒng)與飛機(jī)的自封接頭相連后構(gòu)成一套循環(huán)系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)可以根據(jù)吸熱后循環(huán)冷卻液的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)需要散熱的流量。如果循環(huán)冷卻液的溫度遠(yuǎn)高于供液溫度的設(shè)定值，較大流量的冷卻液通過液-液熱交換器進(jìn)行散熱降溫，其余較小流量的冷卻液不做熱量交換直接回到增壓組件；若冷卻液溫度略高于供液溫度的設(shè)定值，則較小流量的冷卻液通過液-液熱交換器進(jìn)行散熱降溫。

3)壓力平衡及加注組件

壓力平衡及加注組件由集液箱、液壓空氣濾清器和放液接頭等組成。

冷卻液回流到集液箱，集液箱上連接有液壓空氣濾清器，液壓空氣濾清器具有排氣、吸氣和加液功能。當(dāng)集液箱內(nèi)壓力大于25±5kPa(絕對(duì)壓力)時(shí)，液壓空氣濾清器排氣口蓋自動(dòng)打開向外排氣，當(dāng)壓力小于20±5kPa(絕對(duì)壓力)時(shí)，液壓空氣濾清器排氣口蓋自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)集液箱內(nèi)負(fù)壓差大于10kPa時(shí)，液壓空氣濾清器吸氣口蓋自動(dòng)打開，向集液箱內(nèi)充氣，當(dāng)集液箱內(nèi)負(fù)壓差為零時(shí)，吸氣蓋關(guān)閉。

4 液冷系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)選用組建方便，數(shù)據(jù)采集效率高，成本低廉的PC-DAQ系統(tǒng)模式。硬件控制系統(tǒng)主要由電氣控制系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。電氣控制系統(tǒng)包括電源、傳感器、三通閥門、泵、加熱器以及手動(dòng)操作面板；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包含數(shù)據(jù)采集卡；控制系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理電路、負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路、工控機(jī)構(gòu)成。硬件系統(tǒng)組成圖7所示。

圖7 硬件系統(tǒng)組成

5 液冷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案

滑模人機(jī)交互界面和應(yīng)用程序構(gòu)成的軟件系統(tǒng)是虛擬儀器中最核心的部分。虛擬儀器軟件面板開發(fā)環(huán)境的選擇，可以根據(jù)開發(fā)者的習(xí)慣而決定，最終的目的是開發(fā)出用戶界面良好、功能強(qiáng)大的人機(jī)交互界面[8]。行業(yè)內(nèi)流行的軟件開發(fā)語言主要包括兩類：文本編輯語言和圖形編輯語言。文本編輯語言更加符合用戶的語言習(xí)慣而且性價(jià)比較高。本課題采用了文本式開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI來編寫軟件面板以及實(shí)現(xiàn)基于PCI-1802LU數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)時(shí)采集、分析處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。軟件系統(tǒng)的組成如圖8所示。

圖8 軟件系統(tǒng)組成

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)、安裝，軟件的設(shè)計(jì)、測試完成后，就可以在現(xiàn)場對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。通過多次調(diào)試試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、電氣連接上的某些缺陷。通過不斷地改進(jìn)系統(tǒng)，使得液冷控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。液冷控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)首先搭建管路系統(tǒng)，完成電氣設(shè)備的安裝，系統(tǒng)的部分管路如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)的部分管路圖

用戶登錄軟件成功后，進(jìn)入到系統(tǒng)主界面，完成主線程循環(huán)和次線程循環(huán)。主界面實(shí)時(shí)顯示傳感器采集的數(shù)據(jù)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)、動(dòng)態(tài)顯示管道內(nèi)冷卻液的流動(dòng)以及實(shí)時(shí)顯示故障告警。主界面如圖10所示。

圖10 主界面圖

將液冷控制系統(tǒng)的自封接頭與飛機(jī)自封接頭對(duì)接，構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)。啟動(dòng)機(jī)載電子設(shè)備的情況下，驗(yàn)證液冷控制系統(tǒng)是否能夠正常工作。

1)系統(tǒng)上電啟動(dòng)。系統(tǒng)接入電源之前，確定380V/50Hz電源電壓、頻率、相序正常，隨后接通220V開關(guān)，再接通380V開關(guān)，啟動(dòng)液冷控制系統(tǒng)。

2)三通閥門掉電狀態(tài)下處于0°位置，系統(tǒng)的工作方式選擇“手動(dòng)”，然后分別手動(dòng)接通“泵I”、“泵II”、“加熱器I”和“加熱器II”，冷卻液在閥門全關(guān)狀態(tài)下不經(jīng)過液-液熱交換器循環(huán)。

3)設(shè)置供液溫度值為20℃，待系統(tǒng)工作一段時(shí)間后，關(guān)斷“泵I”、“加熱器I”、“加熱器II”。

4)將散熱系統(tǒng)的工作方式置為“自動(dòng)”模式。

5)系統(tǒng)在自動(dòng)工作模式下工作，因?yàn)榇藭r(shí)冷卻液的溫度高于15℃，加熱器不工作，奇數(shù)日“泵I”，偶數(shù)日“泵II”工作，開始記錄數(shù)據(jù)。

自動(dòng)方式下，地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用軟件將記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成圖形，如圖11所示，系統(tǒng)在8分鐘內(nèi)將40.2℃的冷卻液降至系統(tǒng)所設(shè)定的供液溫度值(20±2℃)，并且在很長時(shí)間內(nèi)能夠在該范圍內(nèi)小幅度震蕩，與預(yù)期基本相符，能夠滿足溫度控制的要求。

圖11 液冷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

7 結(jié)束語

本文為解決我國某型號(hào)飛機(jī)大功率高熱流密度的電子設(shè)備的散熱問題，設(shè)計(jì)并研制了一套液冷控制系統(tǒng)。結(jié)合工程實(shí)踐對(duì)三通閥采用了基于模糊控制技術(shù)的閉環(huán)控制，提高了液冷控制系統(tǒng)的制冷效果。系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、集成度高、擴(kuò)展性強(qiáng)、操作自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。

1)完成了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。根據(jù)技術(shù)要求和以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，完成了包括管路系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中軟件系統(tǒng)是基于LabWindows/CVI平臺(tái)上開發(fā)，主要完成人機(jī)界面繪制和應(yīng)用程序的編寫。

2)提出了三通閥的控制算法。根據(jù)理論分析結(jié)合工程實(shí)踐，采用了基于模糊控制技術(shù)三通閥的閉環(huán)控制算法，提高了三通閥的控制精度，并且改進(jìn)了制冷效果。

3)系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證。通過反復(fù)進(jìn)行地面試驗(yàn)，對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。