一种结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法，包括，基于能量守恒定律，构建结构热试验系统输出温度和可控硅导通角关系的数学模型；通过前向欧拉公式将当前时刻k的输出温度的微分方程离散成k+1时刻的预测模型；搭建离散线性扩展状态观测器，观测所述结构热试验系统不确定项和外部扰动；选择状态量和控制量，建立结构热试验系统预测模型的状态方程；将未来时刻的状态量和输出量通过控制量和当前时刻的状态值进行表示；构建关于预测输出误差和控制量的价值函数，得到控制量。本发明专利技术滚动优化以局部最优代替全局最优，无需参数整定，充分调动了控制动作提高了控制的控制精度、减小了稳态误差和加快了收敛速度。速度。速度。

【技术实现步骤摘要】
一种结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法


[0001]本专利技术涉及航空航天自动化的
，尤其涉及一种结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法。

技术介绍

[0002]高超声飞行器在设计阶段最难突破的问题之一就是飞行过程中的“热障”问题。“热障”问题的加剧会严重的破坏飞行器的结构承载能力和材料的强度极限，更有甚者可能会对内部精密的电子设备的稳定带来威胁。飞行状态下热环境的模拟将是确定飞行器材料的关键也是研制飞行器成功与否的关键。结构热试验系统是一套通过对石英灯加热器控制模拟飞行状态下真实的热环境用于检测高超声速飞行器材料和结构的热强度试验装置。考虑到真实的飞行过程过飞行器表面的温度场是高度非线性且瞬态变化的，这就要求设计一个控制精度高、收敛速度快、上升速度快和超调量小的控制方法。
[0003]以石英灯为辐射热元件的试验大多是基于经验公式、缺乏数学模型和系统分析。以经验方式为基础的控制方法带来的效果往往不能有效的实现控制精度和决策选择之间的平衡。例如传统的PID控制方法，通对跟踪误差简单的线性叠加，带来了从快速性到超调量的矛盾。随着控制理论的发展，模型预测控制(MPC)，作为现代控制理论的重要分支脱颖而出，被广泛应用到各种控制系统中。MPC是通过当前时刻的状态量、控制输入和预测模型来预测未来时刻的状态量和输出量，再依据价值函数进行滚动优化的一种控制算法。MPC与其它的现代控制方法相比，对数学模型的精度要求不高，无需参数整定，以局部最优代替全局最优且能利用实测信息反馈增加控制系统的鲁棒性能。<br/>
技术实现思路

[0004]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0005]鉴于上述现有存在的问题，提出了本专利技术。
[0006]因此，本专利技术提供了一种结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法，通过模型预测的局部最优到全局最优，精确的模拟高超声速飞行器飞行热环境。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：包括，基于能量守恒定律，构建结构热试验系统输出温度和可控硅导通角关系的数学模型；通过前向欧拉公式将当前时刻k的输出温度的微分方程离散成k+1时刻的预测模型；搭建离散线性扩展状态观测器，观测所述结构热试验系统不确定项和外部扰动；选择状态量和控制量，建立结构热试验系统预测模型的状态方程；将未来时刻的状态量和输出量通过控制量和当前时刻的状态值进行表示；构建关于预测输出误差和控制量的价值函数，得到控制量。
[0008]作为本专利技术所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法的一种优选方案，其中：根据所述能量守恒定律建立输入输出能量守恒等式，得到当前温度T1和双
向晶闸管的导通角α之间的数学关系，即所述数学模型，包括，
[0009]Q＝w
[0010][0011]其中，w是电源提供的电能，Q是结构热试验加热元件吸收的电热能，等式左边分别为用于结构热试验加热元件自身消耗的内能、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分别为结构热试验加热元件的比热容、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，等式右边U
I
为输入电压即电源两端电压，R为结构热试验加热元件电阻之和，α为双向晶闸管的导通角。
[0012]作为本专利技术所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法的一种优选方案，其中：还包括，
[0013][0014]其中，是T1对时间的导数。
[0015]作为本专利技术所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法的一种优选方案，其中：通过所述前向欧拉公式将当前采样周期k的输出温度的微分方程离散成第k+1个采样周期的预测模型，包括，
[0016]所述第k+1个采样周期的输出温度的预测模型用当前采样周期k表示为：
[0017][0018]其中，T1(k+1)为第k+1个采样周期的预测温度，T1(k)为当前采样周期k的输出温度，T为每个采样周期的时间间隔，α(k)为当前采样周期k的控制输入量，δ(α(k))为系统扰动项，
[0019]作为本专利技术所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法的一种优选方案，其中：所述离散线性扩展状态观测器，包括，
[0020][0021]其中，e1为输出温度的观测误差，z1为输出温度的观测值，z2为δ(α)的观测值。
[0022]作为本专利技术所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法的一种优选方案，其中：还包括，
[0023][0024]其中，e1(k)为当前采样周期k的输出温度的观测误差，z1(k)为T1(k)的观测值，z1(k+1)第k+1个采样周期的输出温度观测值，β1和β2为线性扩展状态观测器的正增益系数，z2(k+1)为δ(α(k+1))的观测值，χ为估计量的补偿因子。
[0025]作为本专利技术所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法的一种优选方案，其中：还包括，
[0026]定义系统状态变量，
[0027][0028]将所述预测模型改成状态方程形式，包括，
[0029][0030]其中，状态变量x(k)＝[x1(k),x2(k)]T
，输出变量y(k)＝x1(k)，y
min
≤y(k)≤y
max
，控制输入变量u(k)＝α(k)，u
min
≤u(k)≤u
max
，系统矩输入矩阵输出矩阵C＝[1 0]，补偿矩阵
[0031]作为本专利技术所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法的一种优选方案，其中：所述未来时刻的状态量用控制量和当前时刻的状态值包括，
[0032]x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k)+D
[0033]x(k+2)＝Ax(k+1)+Bu(k+1)+D
[0034]＝A(Ax(k)+Bu(k)+D)+Bu(k+1)+D
[0035]＝A2x(k)+ABu(k)+Bu(k+1)+AD+D
[0036]x(k+n)＝A
n
x(k)+A
n
‑1Bu(k)+A
n
‑2Bu(k+1)+
…
+A
n
‑
q
Bu(k+q
‑
1)+A
n
‑1D+
…
+D
[0037]其中，n为预测时域；
[0038]所述未来时刻的输出量用控制量和当前时刻的状态值包括，
[0039]y(k+1)＝Cx(k+1)＝CAx(k)+CBu本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法，其特征在于：包括，基于能量守恒定律，构建结构热试验系统输出温度和可控硅导通角关系的数学模型；通过前向欧拉公式将当前时刻k的输出温度的微分方程离散成k+1时刻的预测模型；搭建离散线性扩展状态观测器，观测所述结构热试验系统不确定项和外部扰动；选择状态量和控制量，建立结构热试验系统预测模型的状态方程；将未来时刻的状态量和输出量通过控制量和当前时刻的状态值进行表示；构建关于预测输出误差和控制量的价值函数，得到控制量。2.根据权利要求1所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法，其特征在于：根据所述能量守恒定律建立输入输出能量守恒等式，得到当前温度T1和双向晶闸管的导通角α之间的数学关系，即所述数学模型，包括，Q＝w其中，w是电源提供的电能，Q是结构热试验加热元件吸收的电热能，等式左边分别为用于结构热试验加热元件自身消耗的内能、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分别为结构热试验加热元件的比热容、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，等式右边U
I
为输入电压即电源两端电压，R为结构热试验加热元件电阻之和，α为双向晶闸管的导通角。3.根据权利要求2所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法，其特征在于：还包括，其中，是T1对时间的导数。4.根据权利要求2或3所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法，其特征在于：通过所述前向欧拉公式将当前采样周期k的输出温度的微分方程离散成第k+1个采样周期的预测模型，包括，所述第k+1个采样周期的输出温度的预测模型用当前采样周期k表示为：其中，T1(k+1)为第k+1个采样周期的预测温度，T1(k)为当前采样周期k的输出温度，T为每个采样周期的时间间隔，α(k)为当前采样周期k的控制输入量，δ(α(k))为系统扰动项，5.根据权利要求4所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法，其特
征在于：所述离散线性扩展状态观测器，包括，其中，e1为输出温度的观测误差，z1为输出温度的观测值，z2为δ(α)的观测值。6.根据权利要求5所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预测控制方法，其特征在于：还包括，其中，e1(k)为当前采样周期k的输出温度的观测误差，z1(k)为T1(k)的观测值，z1(k+1)第k+1个采样周期的输出温度观测值，β1和β2为线性扩展状态观测器的正增益系数，z2(k+1)为δ(α(k+1))的观测值，χ为估计量的补偿因子。7.根据权利要求6所述的结构热试验基于扩展状态观测器的模型预...

【专利技术属性】
技术研发人员：张广明，柏志青，吕筱东，高鹏，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：