一种高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及iPID方法

技术特征：

1.一种高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及ipid方法，其特征在于：包括，

根据能量守恒定律，建立高超声速飞行器气动热地面模拟系统输入输出能量守恒等式；

基于交流调压电路，建立高超声速飞行器气动热地面模拟系统输入电能表达式；

利用热力学和传热学，建立高超声速飞行器气动热地面模拟系统输出电热能表达式；

联立所述输入电能表达式和所述输出电热能表达式，建立高超声速飞行器气动热地面模拟系统输入电能与输出温度的控制模型；

对所述控制模型进行降阶，获得所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统的ipid控制器以完成目标跟踪。

2.根据权利要求1所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及ipid方法，其特征在于：所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统包括，非接触辐射加热器、电功率调节装置和量热传感器；

所述非接触辐射加热器为石英灯加热器，所述电功率调节装置为双向晶闸管，所述量热传感器为热电偶传感器。

3.根据权利要求2所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及ipid方法，其特征在于：包括，

设置所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统作用在所述非接触辐射加热器上的电能全部用于加热，则根据所述能量守恒定律建立其输入输出能量守恒等式的表达式为：

w＝q

其中，w是所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统中非接触辐射加热器输入的电能，q是所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统中非接触辐射加热器输出的电热能。

4.根据权利要求1～3任一所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及ipid方法，其特征在于：包括，

在所述交流调压电路中，定义所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统中电功率调节装置的输出电压u的表达式为:

其中，u为输出电压即非接触辐射加热器两端电压，ui为输入电压即电源两端电压，α为双向晶闸管的导通角。

5.根据权利要求4所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及ipid方法，其特征在于：包括，

根据焦耳定律，计算所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统中非接触辐射加热器输入电能w的表达式，如下，

其中，p为电功率，r为非接触辐射加热器的电阻之和，δt为通电的时间即非接触辐射加热器的工作时间；

将所述输出电压u代入非接触辐射加热器输入电能w中，如下，

获得电能w和双向晶闸管的导通角α之间的数学关系。

6.根据权利要求5所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及ipid方法，其特征在于：包括，

若所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统忽略粘性耗散生成的热量和传热过程中的热膨胀，则根据热力学的内能做工和传热学三种传热模式，建立所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统的输出电热能q，如下，

q＝cm(t1-t0)+a(β(t1-t0)+λ(t1-t0)+εσft1⁴δt)

其中，等式右边分别为用于非接触辐射加热器自身消耗的内能、对流换热过程中损失的热能、热传导过程中损失的热能、热辐射效应输出的热能，c、m、t1、t0、a、ε、δt分别为非接触辐射加热器的比热容、质量、当前温度、初始温度、表面积、黑度系数、工作时间，β、λ、σ、f分别为对流换热系数、导热系数、斯蒂芬-玻尔兹曼常数、角系数，由此得到所述电热能q和当前温度t1之间的数学关系。

7.根据权利要求6所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及ipid方法，其特征在于：包括，

联立所述输入电能表达式和所述输出电热能表达式，将所述非接触辐射加热器输入电能w和所述输出电热能q导入所述输入输出能量守恒等式中，如下，

获得所述当前温度t1和所述双向晶闸管的导通角α之间的数学关系，使得ipid控制器能够跟踪目标温度，所述当前温度t1作为可测量变量和所述导通角α为可控制变量。

8.根据权利要求7所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及ipid方法，其特征在于：包括，

当被控对象模型是单输入单输出系统时，则将所述被控对象模型转化为无模型控制的超局部模型，如下，

y⁽ⁿ⁾＝g+χu(t)

其中，y⁽ⁿ⁾表示为输出量y对时间t的n阶导数，n一般取1或者2，u表示为输入量，g表示为所有未知扰动的集合，既包含了外界扰动和系统内部非线性扰动，χ表示为非物理意义的可调参数。

9.根据权利要求8所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及ipid方法，其特征在于：还包括，

利用所述超局部模型将所述输入输出能量守恒等式两边除以δt并进行移项处理，获得所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统的数学模型：

其中，为t1对时间δt的导数，α分别对应所述超局部模型中的y⁽ⁿ⁾、u，而sin2α给系统带来的是周期性的震动，并没有对系统整体的收敛产生影响，含有sin2α的项可以看作输入扰动，aεσft1⁴可以看作系统的高阶输出扰动，因此可以看作既包含输入扰动又包含输出扰动的全部扰动之和，对应于超局部模型的g，g可以通过时间延时观测器来观测；

根据所述超局部模型，定义时间延迟观测器，如下，

其中,为扰动g的观测值，ν为延时的时间间隔，所述时间延时观测器是通过时间间隔，用上一时刻的状态量近似代替当前时刻的状态量，从而实现对未知状态量的在线估计。

10.根据权利要求9所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及ipid方法，其特征在于：包括，

输出的跟踪误差表达式如下，

e(t)＝y^*-y

其中，e为跟踪误差，y^*为输出目标；

根据所述输入输出能量守恒等式，通过闭环控制得到无模型控制器，如下，

其中，δ(e)为闭环反馈控制率；

定义所述pid控制器的目标函数，如下，

将所述目标函数代入所述无模型控制器中，得的所述ipid控制器，如下，

其中，kp、ki、kd分别为比例项、积分项、微分项的系数，用于调参。

技术总结
本发明公开了一种高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及iPID方法，包括，根据能量守恒定律，建立高超声速飞行器气动热地面模拟系统输入输出能量守恒等式；基于交流调压电路，建立高超声速飞行器气动热地面模拟系统输入电能表达式；利用热力学和传热学，建立高超声速飞行器气动热地面模拟系统输出电热能表达式；联立所述输入电能表达式和所述输出电热能表达式，建立高超声速飞行器气动热地面模拟系统输入电能与输出温度的控制模型；对所述控制模型进行降阶，获得所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统的iPID控制器以完成目标跟踪。本发明的控制算法更清晰，控制精度更精确，能够将所有扰动通过时间延时观测器来观测。

技术研发人员：张广明;吕筱东;高鹏;柏志青;扈凯;杨路
受保护的技术使用者：南京工业大学
技术研发日：2021.02.08
技术公布日：2021.06.15