[發明專利]一種基于神經網絡觀測器非線性全局滑模無模型控制方法

有效

• 申請號: 202110178100.3
• 申請日: 2021-02-08
• 公開（公告）號: CN112965382B
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 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: 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

本發明公開了一種基于神經網絡觀測器非線性全局滑模無模型控制方法，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數學模型及無模型控制的超局部模型；利用三次b樣條基函數構建徑向三次b樣條基自適應神經網絡，對所述高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統未知擾動進行預測；基于非線性全局滑模面削弱趨近狀態下的高頻切換抖振；根據滑模可達性條件建立非線性等效控制率、非線性趨近率，得到非線性全局滑模控制率。本發明保證了系統初始狀態就處于滑動模態，系統在響應全過程中減小了抖動和穩態誤差，同時在滑模面上引入跟蹤誤差的一次項，加快了系統在滑動模態上的線性反饋增益和收斂速度，改善了動態性能。

技術領域

本發明涉及航空航天自動化的技術領域，尤其涉及一種基于神經網絡觀測器非線性全局滑模無模型控制方法。

背景技術

石英燈加熱器具有熱慣性小，造價低廉，可以組合成不同形狀的加熱器對飛行器不同的位置進行加熱的特點，因此被廣泛的應用到地面結構熱試驗中。但現如今對結構熱試驗的研究大多是通過數值模擬，且對石英燈加熱系統控制算法的精度不是很理想。因為基于石英燈加熱系統模型難以建立，并且建立后的整個數學模型包含非線性項、高階項，此外石英燈加熱系統除了系統自身存在不確定項，還包括一些外部擾動。

無模型控制的超局部模型的優點在于，降低系統的階數，簡化模型，對系統不確定項和外部擾動可通過觀測器來觀測。因此考慮將無模型控制應用到石英燈加熱器的數學模型中，設計一種滿足加熱器性能要求的無模型控制方法。其中，iPID控制方法是一種無模型控制方法，結構簡單，易于調試，但是用于調參的僅比例項、積分項、微分項，對控制系統的控制精度、收斂速度，并不能達到要求。另外，滑模控制作為現代控制理論的重要分支，因為其對不確定性和干擾不敏感，考慮結合滑模的無模型控制方法作用到系統中。傳統的滑模控制包括趨近模態和滑動模態，趨近模態會產生高頻切換的抖振現象，滑動模態會因符號函數不連續性帶來振蕩和超調，直接影響了整個系統魯棒性能，對于整個滑模面的設計也是需要綜合考量。

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，本發明提供了一種基于神經網絡觀測器非線性全局滑模無模型控制方法，能夠解決現有技術無法對高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統觀測誤差進行補償的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：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數學模型及無模型控制的超局部模型；利用三次b樣條基函數構建徑向三次b樣條基自適應神經網絡，對所述高超聲速飛行器氣動熱地面模擬系統未知擾動進行預測；基于非線性全局滑模面削弱趨近狀態下的高頻切換抖振；根據滑模可達性條件建立非線性等效控制率、非線性趨近率，得到非線性全局滑模控制率。

作為本發明所述的基于神經網絡觀測器非線性全局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；根據所述能量守恒定律建立輸入輸出能量守恒等式，得到當前溫度T₁和雙向晶閘管的導通角α之間的數學關系，如下，

其中，等式左邊U_I為輸入電壓即電源兩端電壓，R為非接觸輻射加熱器的電阻之和，α為雙向晶閘管的導通角，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。