[發明專利]一種氣動熱的超螺旋非線性分數階滑模無模型控制方法

有效

• 申請號: 202110170226.6
• 申請日: 2021-02-08
• 公開（公告）號: CN112987566B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 張廣明;柏志青;呂筱東;高鵬;王恒強;王月
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 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

本發明公開了一種氣動熱的超螺旋非線性分數階滑模無模型控制方法，包括，基于能量守恒定律，建立高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統輸入電能與輸出溫度之間的數學模型并轉化為無模型控制的超局部模型；根據定義的輸出跟蹤誤差、非線性函數和分數階微積分，構建非線性分數階滑膜面；結合所述非線性分數階滑膜面、超螺旋趨近率、所述超局部模型及時間延時觀測器，搭建超螺旋非線性分數階滑膜的無模型控制器，抑制控制過程中的抖振。本發明對非線性分數階滑模面的設計既保證了控制的穩定性、收斂速度又降低了穩態誤差和飽和誤差，而超螺旋趨近率的結合改善了滑模面的抖動問題。

技術領域

本發明涉及航空航天自動化的技術領域，尤其涉及一種氣動熱的超螺旋非線性分數階滑模無模型控制方法。

背景技術

結構熱實驗常見的地面模擬熱試驗主要有風洞試驗和輻射熱試驗，風洞試驗成本高昂，環境條件要求嚴苛，在過高的飛行馬赫數下不能精確的模擬飛行器的熱環境，而輻射熱試驗以對流、傳導、輻射等非接觸方式將熱能傳遞給試件，有效地模擬試件在飛行過程中的時序受熱；其中，因為石英燈具有升溫速度快、尺寸結構小、輸出功率大、操作安全的特點，所以以鎢絲為熱輻射元件的石英燈加熱器被廣泛采納；另外作為模擬飛行器熱環境的實驗設備首先要保證的是穩定性、控制的精度、收斂速度這三方面的要求，這就需要設計一個符合要求的控制方法來滿足。

考慮到石英燈加熱器在過程控制中存在一些未知的動態擾動，提出了無模型控制的超局部模型的方法，無模型控制的超局部模型要求被控對象是單輸入單輸出的系統，且被控對象的數學表達式只能是一階、二階的系統，滑模控制作為現代控制理論不可或缺的一條分支，相較于傳統的控制方式具有快速響應、結構簡單、對干擾不敏感的能力被學者深入研究，但由于對收斂速度和控制精度方面的嚴格要求，一些結合滑模的控制算法被廣泛提出；分數階滑模控制除了具有傳統滑模控制的優點之外，還具有強的魯棒性、靈活性，但現有的線性分數階滑模具有不能減小抖動現象和控制精度不高的缺點，不能滿足被控對象的高性能指標的要求。

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，本發明提供了一種氣動熱的超螺旋非線性分數階滑模無模型控制方法，能夠解決現有高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統中進行溫度跟蹤存在誤差、控制過程中的抖振問題。

為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：包括，基于能量守恒定律，建立高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統輸入電能與輸出溫度之間的數學模型并轉化為無模型控制的超局部模型；根據定義的輸出跟蹤誤差、非線性函數和分數階微積分，構建非線性分數階滑模面；結合所述非線性分數階滑模面、超螺旋趨近率、所述超局部模型及時間延時觀測器，搭建超螺旋非線性分數階滑模的無模型控制器，抑制控制過程中的抖振。

作為本發明所述的氣動熱的超螺旋非線性分數階滑模無模型控制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。

作為本發明所述的氣動熱的超螺旋非線性分數階滑模無模型控制方法的一種優選方案，其中：根據所述能量守恒定律構建輸入輸出能量守恒等式，包括，