CN104483834A - 一种用于热试验谱线跟踪调试的迭代学习控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热试验谱线跟踪调试的迭代学习控制方法，通过迭代学习控制，产生石英灯辐射式热试验谱线跟踪调试过程中所需要的控制量。结合热试验系统的特性，以调功器的输入信号为系统的输入；以被试件的温度，作为系统的输出；以被试件的热流为系统的观测变量；建立热试验系统的单输入单输出迭代学习控制模型。通过试验系统输出误差和上一次调试得到的控制量，产生新的控制量，直至跟踪误差满足热试验所需要精度，停止调试，以当前的控制量作为热试验用控制量。

Description

一种用于热试验谱线跟踪调试的迭代学习控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于石英灯辐射式热试验谱线跟踪调试方法。

背景技术

飞行器在高超声速飞行中，高速气流流过飞行器时，气流与飞行器表面产生强烈摩擦，边界层内气流损失的动能转化为热能，使边界层内气流温度上升，即气动加热。气动加热会使飞行器结构的刚度下降，强度减弱，并产生热应力、热应变和材料烧蚀等现象，引起飞行器内部温度升高，使舱内工作环境恶化。这种因气动加热造成的飞行器结构在设计和材料制造工艺上的困难，称为“热障”。气动加热是飞行器热防护设计中必须考虑的问题。石英灯辐射式加热方式在加热时间、制作成本、仿形设计方面具有独特的优势，成为气动热试验的主要方式。

热试验过程中，谱线是设计部根据飞行条件计算得到的。实验开始前，需要提前把该谱线调试好，即使目标点的温度和热流能够跟随给定谱线变化。快速准确的给出试验谱线所需控制量，能够缩短实验调试准备周期，提高热试验的有效性。PID控制策略广泛应用于石英灯辐射式热试验，但其控制性能取决于控制器的比例、积分、微分参数。石英灯辐射式热试验系统是一个典型的非线性、大滞后的复杂系统。对于这样一个复杂系统，传统的控制方法很难取得良好的控制效果，尤其针对快速大范围变化的谱线。

发明内容

为了快速的给出石英灯辐射式热试验谱线跟踪所需控制量，本发明提供一种用于石英灯辐射式热试验谱线跟踪调试方法，通过迭代学习控制产生控制量，以便快速有效的给出控制量，提高热试验的性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：考虑到石英灯辐射式热试验中用到的谱线是由设计部预先给定的，其调试过程中保持不变，满足迭代学习控制的轨迹固定不变特性，采用迭代学习控制快速准确的实现谱线调试。

本发明进行谱线跟踪调试的步骤为：

1)结合热试验系统的特性，以调功器的输入信号为系统的输入u(t)；以被试件的温度，作为系统的输出y(t)；以被试件的热流为系统的观测变量x(t)；建立热试验系统随时间t变化的单输入单输出迭代学习控制用状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\left(t\right)=f(x\left(t\right),u\left(t\right),t)\\ y\left(t\right)=g(t,x\left(t\right))\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，f和g是非线性函数。

2)选择迭代学习控制用学习算子可以是P型、D型、PI型、PD型、PID型。

3)第一次调试过程中，在给定谱线y_d(t)状态下，系统的初始误差e₀(t)表示为：

e₀(t)＝y_d(t)             (2)

本次学习控制量u₁(t)可表示为：

4)谱线跟踪误差e₁(t)可表示为：

e₁(t)＝y_d(t)-y₁(t)              (4)

其中，y₁(t)为第一次学习调试时试验系统的输出。

5)判断跟踪误差是否满足热试验所需要精度，若满足，则停止调试，进入8)；若不满足精度需求，进入6)。

6)结合跟踪误差和上一次学习调试得到的控制量，进行本次学习调试产生的控制量。其中，第k次学习的控制量u_k(t)可表示为：

式中，u_k-1(t)为第k-1次学习调试时的控制量。e_k-1(t)为第k-1次学习调试时的跟踪误差。

7)判断跟踪误差是否满足热试验所需要精度，若满足，则停止调试，进入8)；若不满足精度需求，进入6)。

8)保存当前的控制量，以当前的控制量作为热试验用控制量。

9)结束。

本发明的有益效果是：1)缩短热试验过程中谱线调试的时间。调试过程中，新的控制量建立在上一次的控制量和跟踪误差基础上，实现了经验累积和误差自修正的融合，能够快速的给出热试验用控制量。2)有效提高热试验的有效性。调试过程中，利用迭代学习控制可以实现谱线的较小误差跟踪，尤其对于短时间大范围变化的谱线。3)有效保护被试件。谱线调试过程中，给出的控制量能够有效避免短时间剧烈变化，避免由被试件的热流过大产生破坏。

附图说明

图1为石英灯辐射式热试验结构图。

图中，1-交流电源，2-调功器，3-石英灯灯组，4-被试件，5-传感器，6-控制器，7-计算机。

图2为谱线调试过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明实施实例的结构参照图1，由交流电源1、调功器2、石英灯灯组3、被试件4、传感器5、控制器6、计算机7组成。

本发明交流电源1选用380v三相四线制电源。

本发明调功器2选用JK3S型中凯变流器。

本发明石英灯灯组3采用100个功率5kW的石英灯管。

本发明被试件4所采用的材料为钛合金。

本发明传感器5采用OMEGAK型高温热电偶。

本发明控制器6采用贝加莱X20型PLC。

本发明计算机7选用研华610H工控机。

谱线调试过程中，控制器实时采集被试件的热流信号和温度信号，进行相应的分析运算后，输出控制信号给调功器。调功器根据控制信号改变输出电压，即改变石英灯灯组的输出功率，以使到达被试件表面的热流和温度跟随给定目标谱线。

控制器利用迭代学习控制产生控制量的过程如下：

1)结合热试验系统的特性，以调功器的输入信号为系统的输入u(t)；以被试件的温度，作为系统的输出y(t)；以被试件的热流为系统的观测变量x(t)，建立迭代学习控制调试模型。给定谱线特性为：从40℃开始，以3℃/s上升到150℃，然后保持30s。

2)选择P型学习律作为学习算子，其中增益选择为50。控制周期为0.2s。

3)在初始控制量为零的状态下，结合式(3)产生第一次学习的控制量。

4)计算跟踪误差。

5)分析误差是否满足热试验所要求的误差。若不满足误差要求，进入6)；满足误差要求，进入8)。

6)结合跟踪误差和上一次的控制量，产生新的控制量。

7)分析误差是否满足热试验要求。若不满足误差要求，进入5)；满足误差要求，进入8)。

8)保存当前的控制量，以当前的控制量作为热试验用控制量。

9)结束。

Claims (3)

1.一种用于热试验谱线跟踪调试的迭代学习控制方法，其特征在于：通过迭代学习控制，产生石英灯辐射式热试验谱线跟踪调试过程中所需要的控制量。

2.根据权利要求1所描述的用于热试验谱线跟踪调试的迭代学习控制方法，其特征在于：所选用的学习算子包括P型、D型、PI型、PD型、PID型。

3.根据权利要求1所描述的用于热试验谱线跟踪调试的迭代学习控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)结合热试验系统的特性，以调功器的输入信号为系统的输入u(t)；以被试件的温度，作为系统的输出y(t)；以被试件的热流为系统的观测变量x(t)；建立热试验系统随时间t变化的单输入单输出迭代学习控制用状态方程：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{.}{x}\left(t\right)=f(x\left(t\right),u\left(t\right),t)\\ y\left(t\right)=g(t,x\left(t\right))\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，f和g是非线性函数；

2)选择迭代学习控制用学习算子可以是P型、D型、PI型、PD型、PID型；

3)第一次调试过程中，在给定谱线y_d(t)状态下，系统的初始误差e₀(t)表示为：

e₀(t)＝y_d(t)          (2)

本次学习控制量u₁(t)可表示为：

4)谱线跟踪误差e₁(t)可表示为：

e₁(t)＝y_d(t)-y₁(t)         (4)

其中，y₁(t)为第一次学习调试时试验系统的输出；

5)判断跟踪误差是否满足热试验所需要精度，若满足，则停止调试，进入8)；若不满足精度需求，进入6)；

6)结合跟踪误差和上一次学习调试得到的控制量，进行本次学习调试产生的控制量。其中，第k次学习的控制量u_k(t)可表示为：

式中，u_k-1(t)为第k-1次学习调试时的控制量。e_k-1(t)为第k-1次学习调试时的跟踪误差；

7)判断跟踪误差是否满足热试验所需要精度，若满足，则停止调试，进入8)；若不满足精度需求，进入6)；

8)保存当前的控制量，以当前的控制量作为热试验用控制量；

9)结束。