[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

本發明公開了一種高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統建模及iPID方法，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；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；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；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；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。本發明的控制算法更清晰，控制精度更精確，能夠將所有擾動通過時間延時觀測器來觀測。

技術領域

本發明涉及航空航天自動化的技術領域，尤其涉及一種高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統建模及iPID方法。

背景技術

當飛行器的飛行速度達到高超聲速時(馬赫數大于5)，飛行器表面會與氣流產生劇烈摩擦，并產生大量的熱能，導致飛行器的壁面溫度急劇升高，這就是所說的氣動加熱過程，過高的飛行器表面溫度，不僅會影響飛行器正常運行狀態，而且對機身結構安全和內部電子設備穩定也帶來了一定的威脅，因此需要良好的熱防護設計來避免飛行器結構或內部設備在飛行環境條件下失效；考慮到經濟和飛行器速度等方面的原因，并不能在飛行器表面都用同一種材料，需要精確的對不同的受熱區域進行分析，采用不同的隔熱材料，這就需要通過飛行器的地面環境試驗暴露存在的問題，用以改進選擇合適的壁面材料。

地面熱環境試驗主要有風洞試驗和非接觸輻射熱試驗，過高馬赫數的風洞設計難度大、模擬和測量的精確度不高、造價高昂、存在干擾，而非接觸輻射熱試驗中石英燈作為輻射熱元件具有熱慣性小、壽命長、溫度高、使用安全等特點；現如今石英燈為加熱元件的輻射熱試驗大多是基于無需系統數學模型來設計控制器，完全憑經驗公式，缺乏系統性分析，在提高控制精度和決策速度之間相互矛盾，無法達到實時控制，普遍存在控制精度不高、抗干擾能力差等問題，無法保證系統可以穩定跟蹤期望溫度的要求。

發明內容

本部分的目的在于概述本發明的實施例的一些方面以及簡要介紹一些較佳實施例。在本部分以及本申請的說明書摘要和發明名稱中可能會做些簡化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用于限制本發明的范圍。

鑒于上述現有存在的問題，提出了本發明。

因此，本發明提供了一種高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統建模及iPID 方法，能夠解決常規控制算法完全憑經驗獲得規則及隸屬函數問題、現有控制方法無法達到實時控制及魯棒性差的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：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；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；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；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；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。

作為本發明所述的高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統建模及iPID方法的一種優選方案，其中：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。

作為本發明所述的高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統建模及iPID方法的一種優選方案，其中：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。