Brevet FR2485473A1 — publié le 19811231

SYSTEME DE REGULATION POUR INSTALLATION DE CONDITIONNEMENT D'AIR POUR AVIONS La présente invention a pour objet un système de régulation pour une ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ installation de conditionnement d'air pour avions, permettant de régler la température de l'air en au moins une zone de la cellule de l'avion. L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les avions gros porteurs de transport de passagers, dont la cabine a des dimensions telles qu'elle doit etre répartie en plusieurs zones munies d'amenées d'air distinctes et de moyens de mesure de température également distincts. On connait déjà une installation de conditionnement d'air pour avions permettant de régler la température de l'air en au moins une zone de la cellule, comprenant une source d'air chaud sous pression, une source froide qui fournit de l'air refroidi à partir de l'air chaud fourni par la source chaude, et, pour chaque zone, un mélangeur d'air provenant de la source chaude et de la source froide qui débouche dans la dite zone ainsi qu'un capteur de température pour chaque zone. Une installation existante de ce genre utilise actuellement, pour régler les débits et les températures, des vannes actionnées par un moteur électrique à courant continu ou à courant alternatif commandé de façon analogique. Cetteinstallation oblige à prévoir sur les vannes des capteurs individuels de position et/ou de vitesse, d'où une complication du système. De plus les moteurs à courant continu ou alternatif utilisés ont des performances peu satis faisantes,du point de vue de l'inertie, des retards à la commande, et des jeux au renversement notamment. L'invention vise à fournir une installation répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'elle est de constitution simple, de fonctionnement fiable et de performance améliorée. Dans ce but l'invention propose notamment un système de régulation du genre ci-dessus défini n corr- prend un calculateur numérique muni d'un affichage de température de consigne dans la zone ou dans chaque zone, associé au capteur de température dans la zone ou dans chaque zone et déterminant la température de l'air à admettre dans la zone ou chaque zone en fonction de la différence entre la température réelle dans la zone et la température désirée, une vanne pas à pas commandée en vitesse par des impulsions provenant du calculateur et réglant la température de sortie de la source froide, et une seconde vanne par zone ,placée sur une arrivée de la source chaude au mélangeur correspondant à la zone, chacune des secondes vannes étant également commandée en vitesse par des impulsions fournies par le calculateur numérique. Lorsque plusieurs zones sont prévues, ce qui sera le cas habituel sur un avion de transport de passagers, le calculateur déterminera la température à donner à l'air provenant de la source froide en fonction de la température de consigne dans une zone qu'il privilégie. En général, ce sera la température la plus basse à réaliser ou la température d'une zone préférentielle (par exemple la cabine en cas de régulation simultanée en cabine et en soute). Le calculateur commandera la vanne réglant la température de sortie de la source froide, placée sur une conduite en dérivation sur un groupe de refroidissement qui la constitue et comporte avantageusement un échangeur de chaleur avec de l'air atmosphérique. Le calculateur comprend avantageusement un convertisseur analogique/ . numérique unique ~ et des moyens pour échantillonner par cycles les capteurs de température de zone et d'air admis dans la zone. Les signaux analogiques fournis par les capteurs sont appliqués aux convertisseurs par l'intermédiaire d'un multiplexeur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit,de deux modes particuliers de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels la figure 1 et la figure 2 sont des schémas de principe montrant chacun l'un des modes de réalisation. L'installation montrée en figure 1 est destinée à maintenir les températures Tell, ..., Tli, ..., T1n dans n zones d'une enceinte 10 qu'on supposera constituée par une cellule d'avion, à des valeurs de consigne ajustables o 11, oli, #li, Le dispositif comporte une source d'air chaud 11 qui fournit de l'air sous une pression supérieure à celle qui règne dans l'enceinte 10 et à une température supérieure à toutes les tempé ratures Q, mais toutefois limitée pour éviter les températures excessives.Cette source chaude 11 peut être constituée par un prélevement d'air sur le premier étage du compresseur d'un turbo-réacteur de l'avion et un pré-refroidisseur ramenant la tempéra ture de l'air à une valeur acceptable par les organes placés en aval. Une vanne V1 permet de régler le débit de sortie de la source d'air chaud 11. La sortie de la vanne V1 alimente d'une part un groupe 12 constituant source d'air froid et d'autre part des piquages d'air chaud en nombre n égal à celui des zones à réguler. Chaque piquage est muni d'une vanne V21, w V2iw V2n. Une conduite 13 en dérivation sur la source froide 12 est munie d'une vanne de réglage V3. La source 12 comporte typiquement un échangeur et une turbine de détente. L'échangeur est refroidi par de l'air atmosphérique dont ltentrée et la sortie sont munies de volets 35 et 36 de réglage du débit d'air c Le mélange des débits sortant de la source froide 12 et sortant de la vanne V3 est admis à température T3 dans un collecteur de distribution 14 raccordé à des conduites 151, . ., 151 , 15n d'alimentation des diverses zones. Un système 16 de mélange d'air froid et d'air chaud comprend, pour chaque zone, un raccordement entre la conduite 15 et le débouché de la vanne V2 correspondanvet une gaine queChique gaine 171, ..., 17 alimente la zone correspondante et comporte n une sonde de température de gaine qui fournit la température T2 1 ' .., t T2i de l'air admis dans la zone correspondante 1, ..., i, ..., n. Une sonde d'ambiance placée dans chaque zone y mesure la température T11, Tîi, s Tîn. L'unité de gestion de l'installation fonctionne de façon numérique. Elle comprend un calculateur dont l'unité centrale de calcul 18 est avantageusement un micro-processeur, associé à des mémoires désignées dans leur ensemble par 19. Ces mémoires comprennent une mémoire morte de stockage du programme de fonctionnement et des mémoires vives de travail et d'af fi- chage des valeurs de consigne des températures dans les différentes zones. Chacune des sondes de température,ainsi éventuellement qu'un capteur 20 fournissant une indication sur le débit de sortie de la source chaude, attaque, par l'intermédiaire d'un multiplexeur 21, un convertisseur analogique-numérique 22. Une horloge 23 fournit au micro-processeur 18 et au multiplexeur 21 des signaux de cadencement. Elle fixe notamment la période de scrutation des sondes de température et de débit. Dans la pratique, on sera généralement amené à adopter une période de scrutation nettement plus courte pour les sondes placées sur les alimentations en air (de l'ordre du dixième de seconde par exemple) que pour les sondes de température four nissant les températures de zone (de l'ordre de la seconde par exemple). En effet, les constantes de temps de régulation sont nettement différentes dans les deux cas. Les signaux de sortie du processeur sont constitués par des mots comprenant chacun l'adresse d'une vanne particulière et une information de réglage, représentative d'une fréquence. Les ordres de réglage, représentés par exemple par un nombre de 16 bits , sont appliqués à une batterie de compteurs programmables 24 adressables indépendamment. Chacune des vannes V3, V21, ..., V2n est associée à l'un des compteurs. A chaque cycle d'échantillonnage et de calcul, si le microprocesseur envoie un signal de commande non nul à un compteur, celui-ci fournit immédiatement un nombre d'impulsions correspondant à son contenu à la vanne correspondante, par l'intermédiaire d'un circuit de puissance 25, tel qu'un montage Darlington. Les vannes V3, V21 ..., V2n sont commandées par des moteurs pas à pas au moins triphasés, en général triphasés ou tétraphasés. Ces vannes sont commandées en vitesse, c'est à dire qu'une vanne déterminée aura une vitesse d'ouverture ou de fermeture proportionnelle au nombre d'impulsions reçues du compteur. Celui-ci distribue alternativement et selon un ordre déterminé des impulsions aux trois enroulements du moteur de la vanne, dans le cas d'un moteur triphasé.Les volets 35 et 36 sont caroondés de la narre façon par des moteurs à pas comendés en mere temps que la vanne V suivant un programme d'optimisation stocké en mémoire et permettant de minimiser la trainée aérodynamique de 1 'avion et les prélèvements dair. Le fonctionnement de 1 'instal- lation qui vient d'etre décrite est le suivant à å chaque cycle d'échantillonnage complet, l'unité de calcul 18 reçoit des signaux représentatifs des températures T11 T11 Tînt T21 ' T2i' ' 2n,T2n, T3 Ces signaux sont élaborés par des sondes comportant une thermistance montée dans un pont de mesure. Le signal analogique fourni par chaque sonde est mis sous forme numérique par le convertisseur A/N 22. Le convertisseur étant coûteux, il est multiplexé de façon que l'installation n'en comporte qu'un seul, avec éventuellement un second convertisseur en secours. En fonction de ces données et des températures de consigne désirées dans les zones, l'unité de calcul va élaborer les ordres nécessaires et les envoyer aux vannes de régulation. L'unité de calcul détermine d'abord les tem pératures de consigne O21 t 2i #2i, ..., 2n de l'air à souffler par les gaines 171, ..., 17i, ..., 17n pour ramener les températures dans les différentes zones aux valeurs désirées. L'unité de calcul détermine ensuite la zone à privilégier. On supposera qu'il s'agit de celle pour laquelle la valeur Q2 est la plus basse. En fonction de la valeur #2i correspondante, l'unité de calcul détermine la valeur de consigne Q3 de T3, qui permettra d'atteindre cette température avec la vanne V2i fermée. Puis l'unité de calcul détermine l'ordre à fournir à V3 pour obtenir la valeur o3. L'ordre de commande comportera un terme proportionnel à T3 - O3 et éventuellement des termes dérivée eut intégrale pour assurer la stabilisation de la régulation Les volets 35 et 36 permettent d'obtenir une valeur de la température T3 à la sortie de l'échangeur qui se traduit par un débit minimum d'apport d'air chaud. L'optimisation est faite par le calculateur qui commande les moteurs de vérin de volet en meme temps que la vanne V3. De plus, l'unité de calcul peut commander la vanne V1 de limitation de débit en fonction des indications fournies par le capteur 20, de façon à minimiser l'énergie prélevée tout en respectant les impératifs de régulation et de pressurisation dans les zones. Enfin l'unité de calcul réalise la oarende des vannes V2 autres que celle qui doit être fermée, à une vitesse copportant un tertre proportionnel à T2 - Q2 . La variante de réalisation montrée en figure 2 est destinée à assurer la régulation en trois zones d'une cabine d'avion. Les organes qui correspondent à ceux déjà représentés sur la figure 1 portent le me me numéro de référence pour plus de simplicité. L'installation de la figure 2 se différencie essentiellement de celle de la figure 1 en ce qu'elle corrporte deux sources froides 26 et 27 ayant chacune un groupe 12 muni de volets et une vanne V3. La sortie des deux groupes débouche dans un collecteur 14 conçu de façon qu'en fonctionnement normal la source 26 alimente essentiellement la zone 1, tandis que la source 27 alimente essentiellement les zones 2 et 3. Toutefois, en cas de panne de l'une des sources, l'autre peut alimenter l'ensemble des zones. Les sources chaudes peuvent avoir l'une et l'autre la constitution montrée schématiquement sur la figure 2 : l'air nécessaire est prélevé en 28 et 29 sur des étages successifs du compresseur d'un turboréacteur 30. Lorsque le régime du turboréacteur est suffisant, le prélèvement s'effectue sur l'étage le plus bas par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 31. Une vanne à commande automatique 32 permet de commuter l'alimentation sur l'étage placé en aval en cas de baisse de régime. L'air ainsi prélevé est envoyé à un prérefroidisseur 33 qui comporte habituellement un échangeur balayé par de l'air provenant d'un piquage 34 derrière le premier étage de compresseur. Une régulation sommaire est prévue pour limiter la température de sortie de l'échangeur 33 à une valeur qui est typiquement égale à 2O00C. L'ensemble de la régulation ultérieure peut être identique à celle qui a déjà été décrite. L'emploi d'une unité centrale de calcul numérique présente de nombreux avantages. En particulier, on peut aisément prévoir une unité comprenant deux micro-processeurs, dont l'un est en fonctionnement, l'autre en attente à l'état actif, de façon à se substituer immédiatement au premier en cas de panne. L'unité centrale de calcul peut comporter un programme d'auto-surveillance, qui permet de vérifier en permanence le bon fonctionnément du système et de chacun de ses composants, ainsi que la compatibilité entre les états des divers composants. L'unité de calcul peut avoir également des fonctions supplémentaires, par exemple la régulation de débit et de température de la source chaude 11, la régulation des pressions dans la cabine et en soute, la gestion des alarmes, l'alimentation en oxygène des masques de passagers en cas de dépressurisation, la surveillance du degré hygrométrique dans la cabine, etc. Revendications 1 - Système de régulation pour ~~~~~~~~~~~~~ installation de conditionnement d'air pour avion, permettant de régler la température de l'air en au moins une zone de la cellule de l'avion, comprenant une source d'air chaud sous pression, une source froide qui fournit de ltair refroidi à partir de l'air chaud fourni par la source chaude et, pour chaque zone, un mélangeur d'air provenant de la source chaude et d'air provenant de la source froide qui débouche dans la dite zone, ainsi qu'un capteur de température dans la zone, installation caractérisée en ce qu'elle comprend un calculateur numérique muni d'un affichage de température de consigne dans la zone ou dans chaque zone, associé au capteur de température dans la zone ou dans chaque zone et déterminant la température de l'air à admettre dans la zone ou chaque zone en fonction de la différence entre la température réelle dans la zone et la température désirée, une vanne pas à pas commandée en vitesse par des impulsions provenant du calculateur et réglant la température de sortie de la source froide, et une seconde vanne par zone, placée sur une arrivée de la source chaude au mélangeur correspondant à la zone, chacune des secondes vannes étant également commandée en vitesse par des impulsions fournies par le calculateur numérique. 2 - Système suivant la revendication 1 destiné à régler la température dans plusieurs zones, caractérisé en ce que le calculateur est prévu pour déterminer la température à donner à l'air provenant de la source froide en fonction de la température de consigne dans une zone déterminée, typiquement dans la zone où il faut souffler l'air le plus froid. 3- Système suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le calculateur commande la dite vanne réglant la température de sortie de la source froide et placée sur une conduite en dérivation sur un groupe de refroidissement comportant avantageusement un échangeur de chaleur. 4 - Système suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le dit échangeur est muni de volets d'air de réglage du débit d'air de refroidissement, volets qui sont actionnés par des moteurs pas à pas commandés par le calculateur en meme temps que la vanne réglant la température de sortie de la source froide suivant un programme d'optimisation. 5 - Système suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le calculateur comprend un convertisseur analogiquenumérique, des moyens pour échantillonner par cycles les capteurs de température de zone et de température d'air admis dans les zones et appliquer les signaux de mesure correspondant au convertisseur par l'intermédiaire d'un multiplexeur, et une unité centrale de calcul fournissant des signaux de commande des vannes sous forme d'impulsions qui sont stockés dans des compteurs programmables, et des organes de puissance destinés à commander les vannes en fonction du contenu des compteurs. 6 - Système suivant la revendication 5, caractérisé en ce que les cycles d'échantillonnage ont une période de scrutation plus courte pour les sondes de température de zone.