[發明專利]一種高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統建模及iPID方法

有效

• 申請號: 202110170166.8
• 申請日: 2021-02-08
• 公開（公告）號: CN112965364B
• 公開（公告）日: 2021-11-26
• 發明（設計）人: 張廣明;呂筱東;高鵬;柏志青;扈凱;楊路
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 南京禹為知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32272
• 代理人: 王曉東

1.一種高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統建模及iPID方法，其特征在于：包括，

根據能量守恒定律，建立高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統輸入輸出能量守恒等式；

所述高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統包括，非接觸輻射加熱器、電功率調節裝置和量熱傳感器；

所述非接觸輻射加熱器為石英燈加熱器，所述電功率調節裝置為雙向晶閘管，所述量熱傳感器為熱電偶傳感器；

基于交流調壓電路，建立高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統輸入電能表達式；

在交流調壓電路中，定義高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統中電功率調節裝置的輸出電壓U的表達式如下，

其中，U為輸出電壓即非接觸輻射加熱器兩端電壓，U_I為輸入電壓即電源兩端電壓，α為雙向晶閘管的導通角；

還包括：

根據焦耳定律，計算高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統中非接觸輻射加熱器輸入電能W的表達式，如下，

其中，P為電功率，R為非接觸輻射加熱器的電阻之和，Δt為通電的時間即非接觸輻射加熱器的工作時間；

將輸出電壓U代入非接觸輻射加熱器輸入電能W中，如下，

獲得電能W和雙向晶閘管的導通角α之間的數學關系；

利用熱力學和傳熱學，建立高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統輸出電熱能表達式；

若高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統忽略粘性耗散生成的熱量和傳熱過程中的熱膨脹，則根據熱力學的內能做工和傳熱學三種傳熱模式：熱對流、熱傳導、熱輻射，建立高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統的輸出電熱能Q的表達式，如下，

Q＝cm(T₁-T₀)+A(β(T₁-T₀)+λ(T₁-T₀)+εσFT₁⁴Δt)

其中，等式右邊分別為用于非接觸輻射加熱器自身消耗的內能、對流換熱過程中損失的熱能、熱傳導過程中損失的熱能、熱輻射效應輸出的熱能，c、m、T₁、T₀、A、ε、Δt分別為非接觸輻射加熱器的比熱容、質量、當前溫度、初始溫度、表面積、黑度系數、工作時間，β、λ、σ、F分別為對流換熱系數、導熱系數、斯蒂芬-玻爾茲曼常數、角系數，由此得到電熱能Q和當前溫度T₁之間的數學關系；

聯立所述輸入電能表達式和所述輸出電熱能表達式，建立高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統輸入電能與輸出溫度的控制模型；

聯立輸入電能表達式和輸出電熱能表達式，將非接觸輻射加熱器輸入電能W和輸出電熱能Q導入輸入輸出能量守恒等式中，如下，

獲得當前溫度T₁和雙向晶閘管的導通角α之間的數學關系，使得iPID控制器能夠跟蹤目標溫度，當前溫度T₁作為可測量變量和導通角α為可控制變量；

當被控對象模型是單輸入單輸出系統時，則將被控對象模型轉化為無模型控制的超局部模型，如下，

y⁽ⁿ⁾＝G+χu(t)

其中，y⁽ⁿ⁾表示為輸出量y對時間t的n階導數，n取1或者2，u表示為輸入量，G表示為所有未知擾動的集合，包含了外界擾動和系統內部非線性擾動，χ表示為非物理意義的可調參數；

利用超局部模型將輸入輸出能量守恒等式兩邊除以Δt并進行移項處理，獲得高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統的數學模型，即控制模型，如下，

其中，為T₁對時間Δt的導數，α分別對應超局部模型中的y⁽ⁿ⁾、u，而sin2α給系統帶來的是周期性的震動，并沒有對系統整體的收斂產生影響，含有sin2α的項可以看作輸入擾動，AεσFT₁⁴可以看作系統的高階輸出擾動，因此為既包含輸入擾動又包含輸出擾動的全部擾動之和，對應于超局部模型的G，G可以通過時間延時觀測器來觀測；

對所述控制模型進行降階，獲得所述高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統的iPID控制器以完成目標跟蹤；

還包括，

根據所述超局部模型，定義時間延時觀測器，如下，

其中,為擾動G的觀測值，ν為延時的時間間隔，所述時間延時觀測器是通過時間間隔，用上一時刻的狀態量近似代替當前時刻的狀態量，從而實現對未知狀態量的在線估計；

包括，

輸出的跟蹤誤差表達式如下，

e(t)＝y^*-y

其中，e為跟蹤誤差，y^*為輸出目標；

根據所述輸入輸出能量守恒等式，通過閉環控制得到無模型控制器，如下，

其中，δ(e)為閉環反饋控制率；

定義所述iPID控制器的目標函數，如下，

將所述目標函數代入所述無模型控制器中，得到所述iPID控制器，如下，

其中，K_p、K_i、K_d分別為比例項、積分項、微分項的系數，用于調參。

2.根據權利要求1所述的高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統建模及iPID方法，其特征在于：包括，

設置所述高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統作用在所述非接觸輻射加熱器上的電能全部用于加熱，則根據所述能量守恒定律建立其輸入輸出能量守恒等式的表達式為：

W＝Q

其中，W是所述高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統中非接觸輻射加熱器輸入的電能，Q是所述高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統中非接觸輻射加熱器輸出的電熱能。