风洞流场抗时变干扰控制方法技术

本发明专利技术公开了一种风洞流场抗时变干扰控制方法，涉及风洞控制领域，通过设计超前校正的增量式扩张状态观测器LIESO作为前馈控制，配合增量式PID反馈进行复合控制，构建具有复合控制输出表达式的抗时变干扰控制机制应用于风洞流场试验中。本发明专利技术提供一种风洞流场抗时变干扰控制方法，其复合控制方法采用增量式算法，故控制方法在切除和投入过程中不会引起控制量的突变，实现了无扰切换，且该复合控制方法对于风洞流场控制中涉及的一阶、二阶以至高阶时变干扰均有较好的抑制效果，并且控制方法具有很好的鲁棒性，适用于多种风洞试验工况。况。况。

【技术实现步骤摘要】
风洞流场抗时变干扰控制方法


[0001]本专利技术涉及风洞控制领域。更具体地说，本专利技术涉及适用于风洞流场控制中存在随时间变化的干扰的情形下的一种风洞流场抗时变干扰控制方法。

技术介绍

[0002]提高风洞系统的控制性能，使流场达到良好的品质，以测取高精度的吹风试验数据，既是风洞流场调节的主要目标，也是进行飞行器设计定型工作的重要保障。风洞控制系统的主要任务是实现空气动力学试验所需要的流场，具体地说是在风洞进行吹风的过程中，根据设定调节马赫数、总压和静压等关键被控量以满足气动试验的要求。风洞流场是一个运行过程非常复杂的系统，影响流场运行的扰动来源多而复杂。流场的干扰源可分为非时变干扰和时变干扰。非时变干扰指的是干扰源在相对较长的一段时间内保持不变，例如阶梯变迎角试验中模型迎角阶梯变化对马赫数的干扰。而时变干扰指的是干扰源是持续变化的，例如连续变迎角试验中迎角连续变化对马赫数造的干扰。
[0003]目前关于风洞流场时变干扰问题国内外可查询的文献十分有限。根据现有已公开的文献，有成功应用的抗时变干扰控制方法是预测控制+反馈控制，其中预测控制是作为前馈控制。例如，国内2.4米跨声速风洞在原有控制算法基础上增加了基于预测控制的迎角变化前馈补偿，在某些试验工况下马赫数控制精度达到了0.001。美国国家航空航天实验室的一座2米量级连续式跨声速风洞，采用PID控制时，高马赫数下为了保证马赫数控制精度，迎角变化速度需限制在0.075
°
/s以内。采用预测控制后，在保证同样的马赫数控制精度前提下，迎角变化速度提高到了0.5
°
/s。然而，预测控制的控制效果十分依赖于预测模型的准确性，需要通过阶跃试验获取迎角对马赫数的干扰模型，严重降低试验效率和增加试验成本。虽然，目前有些研究者通过案例推理法期望利用已有的预测模型去推理新工况下的预测模型，但是仍然难以保证新推理预测模型的准确性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0005]为了实现本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种风洞流场抗时变干扰控制方法，其特征在于，通过设计超前校正的增量式扩张状态观测器LIESO作为前馈控制，配合增量式PID反馈进行复合控制，构建具有复合控制输出表达式的抗时变干扰控制机制应用于风洞流场试验中。
[0006]优选的是，所述前馈控制的构建方式被配置为包括：S1、设计扩张状态观测器，并对设计的扩张状态观测器离散化后，获取对应的增量式扩张状态观测器；S2、设计超前校正公式，并对超前校正公式进行离散化，以得到经过超前校正的干扰观测值离散表达式；
S3、基于时变干扰的前馈补偿控制输出表达式，计算干扰前馈补偿量；通过S1
‑
S3中的增量式扩张状态观测器、干扰观测值离散表达式、前馈补偿控制输出表达式共同构成基于LCESO的前馈控制。
[0007]优选的是，在S1中，所述增量式扩张状态观测器的获取方式为：S10、设计扩张状态观测器；基于一阶系统建立如下的常规二阶线性扩张状态观测器：上式中，z1为系统输出y的估计值，z2为干扰f的估计值，e为对系统输出的估计误差，β1、β2为扩张状态观测器的增益，、为z1、z2的导数，b0为观测器的参数；S11、对S10获得的常规二阶线性扩张状态观测器，以得到离散化后的扩张状态观测器：上式中，h为控制系统的控制周期，ω0为观测器带宽，u为控制器输出，k表示第k个控制周期，k=1,2,3
…
n；S12、将S11中获得的扩张状态观测器往前平移一个周期，得到上一周期的扩张状态观测器：S13、将S11中获得的扩张状态观测器减去S12中上一周期的扩张状态观测器，得到如下的增量式扩张状态观测器：上式中，dz1(k
‑
1)、dz2(k
‑
1)、u(k
‑
1)、y(k
‑
1)的初值dz1(0)、dz2(0)、u(0)、y(0)按照以下原则确定：令增量式扩张状态观测器投入运行的时刻为t0，则：dz2(0)则根据具体控制对象分析确定或通过实际测试获取。
[0008]优选的是，在S2所述干扰观测值离散表达式的获取方式为：S20、令z
2lc
为超前校正后的干扰观测值，则超前校正的传递函数表达式为：上式中，LC(S)为超前校正的传递函数，T为时间常数，α为超前校正的其中一参数，0<a<1，s为复频率，z
2lc
为超前校正后的干扰观测值，超前校正两个参数T、a的关系通过下式表达：上式中，ω0为观测器带宽；S5：超前校正离散化；对S20中的传递函数表达式进行离散化处理，得到经过超前校正的干扰观测值离散表达式为：上式中，dz
2lc
(k
‑
1)的初值dz
2lc
(0)=dz2(0)。
[0009]优选的是，在S3中，所述前馈补偿控制输出表达式为：上式中，u
F
(k)为K前馈控制量，u
F
(k
‑
1)的初值u
F
(0)=0，Δu
F
(k)为前馈控制增量，b0为控制增益。
[0010]优选的是，所述复合控制u
sum
(k)的输出表达式为：上式中，u
pid
(k)为PID控制量，u
F
(k)为前馈控制量。
[0011]本专利技术至少包括以下有益效果：其一，本专利技术所提出的复合控制方法对于风洞流场控制中涉及的一阶、二阶以至高阶时变干扰均有较好的抑制效果，并且控制方法具有很好的鲁棒性，适用于多种风洞试验工况。
[0012]其二，本专利技术所提出的复合控制方法，不依赖被控对象的数学模型，无需进行参数辨识和建模，控制算法简便易实现，具有良好的工程适用性。
[0013]其三，本专利技术所提出的复合控制方法采用增量式算法，控制方法在切除和投入过程中不会引起控制量的突变，实现了无扰切换。
[0014]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0015]图1为本专利技术LIESO+PID复合控制的原理图；
图2为本专利技术的另一个实施例中风洞连续变迎角试验流程示意图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0017]本专利技术为了解决现有的风洞流场抗时变干扰控制方法依赖于数学模型的问题，本专利技术提出了一种新型的前馈
‑
反馈复合控制方法。前馈控制采用超前校正的增量式扩张状态观测器（Lead Correction based Incremental Extend State Observer，LIESO），反馈控制采用增量式PID控制。
[0018]下面以某本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种风洞流场抗时变干扰控制方法，其特征在于，通过设计超前校正的增量式扩张状态观测器LIESO作为前馈控制，配合增量式PID反馈进行复合控制，构建具有复合控制输出表达式的抗时变干扰控制机制应用于风洞流场试验中。2.如权利要求1所述的风洞流场抗时变干扰控制方法，其特征在于，所述前馈控制的构建方式被配置为包括：S1、设计扩张状态观测器，并对设计的扩张状态观测器离散化后，获取对应的增量式扩张状态观测器；S2、设计超前校正公式，并对超前校正公式进行离散化，以得到经过超前校正的干扰观测值离散表达式；S3、基于时变干扰的前馈补偿控制输出表达式，计算干扰前馈补偿量；通过S1
‑
S3中的增量式扩张状态观测器、干扰观测值离散表达式、前馈补偿控制输出表达式共同构成基于LCESO的前馈控制。3.如权利要求2所述的风洞流场抗时变干扰控制方法，其特征在于，在S1中，所述增量式扩张状态观测器的获取方式为：S10、设计扩张状态观测器；基于一阶系统建立如下的常规二阶线性扩张状态观测器：上式中，z1为系统输出y的估计值，z2为干扰f的估计值，e为对系统输出的估计误差，β1、β2为扩张状态观测器的增益，、为z1、z2的导数，b0为观测器的参数；S11、对S10获得的常规二阶线性扩张状态观测器，以得到离散化后的扩张状态观测器：上式中，h为控制系统的控制周期，ω0为观测器带宽，u为控制器输出，k表示第k个控制周期，k=1,2,3
…
n；S12、将S11中获得的扩张状态观测器往前平移一个周期，得到上一周期的扩张状态观测器：S13、将S11中获得的扩张状态观测器减去S12中上一周期的扩张状态观测器，得到如下的增量式扩张状态观测器：
上式中，dz1(k
‑
1)、dz2(k
‑
1)、u(k
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘为杰，凌忠伟，邓晓曼，阎成，李聪建，高川，黄昊宇，陈海峰，田嘉懿，羊玺，吴琦，王亮，肖晋，余强，宗鹏，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：