CN116954060A - 风洞流场抗时变干扰控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及风洞控制领域。更具体地说，本发明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。
背景技术
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。
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。
发明内容
本发明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。
为了实现本发明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。
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。
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，z 1为系统输出y的估计值，z 2为干扰f的估计值，e为对系统输出的估计误差，β 1、β 2为扩张状态观测器的增益，、/>为z 1、z 2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，ω 0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t 0，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。
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，ω 0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，dz2lc(k-1)的初值dz2lc(0)=dz2(0)。
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，b 0为控制增益。
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。
本发明至少包括以下有益效果：
其一，本发明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。
其二，本发明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。
其三，本发明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。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明LIESO+PID复合控制的原理图；
图2为本发明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
下面结合附图对本发明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。
本发明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，本发明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。
下面以某高速风洞连续变迎角试验为例对本发明实施步骤进行说明，图1为本发明的控制原理图，控制目标为风洞马赫数，执行机构为风洞栅指机构。在连续变迎角试验过程中，因迎角连续变化带来的流场非线性扰动持续存在，且在迎角零度附近时扰动变化趋势将出现符号变化，进一步增加了高马赫数条件下流场控制难度。连续变迎角试验过程中，迎角对马赫数的干扰是一种风洞流场控制中十分常见和典型的时变干扰。在实际的应用时，本发明的风洞流场抗时变干扰控制方法，包括以下步骤：
S1：设计扩张状态观测器；
一般地，风洞流场系统可认为是一阶系统，即：
（1）
u为栅指机构的实际位移，y为风洞动实际马赫数，f为干扰项，b 0为观测器的参数（即控制增益），b 0和f未知。
建立常规的二阶线性扩张状态观测器：
（2）
z 1为系统输出y估计值，z 2为干扰f的估计值，e为对系统输出的估计误差，β 1、β 2为扩张状态观测器的增益，u为控制器输出。扩张状态观测器增益β 1、β 2可以设置为：
（3）
其中，ω 0为观测器带宽，选取合适的ω 0可以实现对系统状态的跟踪，即z 1→y，z 2→f。
S2：对常规扩张状态观测器离散化；
对公式（2）进行离散化，优选后向欧拉离散法，得到离散化后的扩张状态观测器：
（4）
其中，h为风洞控制系统的控制周期，k表示第k个控制周期，k=1,2,3…n。
S3：获取增量式扩张状态观测器；
对（4）式往前平移一个周期，得到：
（5）
（4）式减（5）式即可得到增量式扩张状态观测器：
（6）
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t 0，则：
（7）
dz2(0)需要分两种情况：1、干扰的初始变化斜率接近0时，dz2(0)可设置为0；2、当干扰初始变化斜率较大时，dz2(0)需要根据具体控制对象分析确定，必要时还需通过实际测试获取。
在具体的应用时，dz2(0)这两种情况分别做如下处理：
1、当迎角从0°开始变化时，dz2(0)可设置为0；
2、当迎角从负角度开始变化时，风洞试验流程是先将迎角从0°运行至负的初始角度，在这一过程中实时比较d z2(k)的值，记录其最小值d z2(k)min，当迎角从负角度开始运行瞬间，令d z2(0)=-d z2(k)min。
S4：设计超前校正；
超前校正的传递函数LC(S)可表示为：
（8）
上式中，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；
令z 2lc为超前校正后的干扰观测值，则：
（9）
其增量的形式为：
（10）
T为时间常数，0<a<1，超前校正两个参数T、a由以下公式推导确定：
对（1）式和（2）式进行拉氏变换，可以得到f和z 2之间的传递函数：
（11）
s为复频率；
f和z 2lc之间的传递函数可表示为：
（12）
观测误差记为e 2=Z2lc－f，f和e 2之间的传递函数可表示为：
（13）
以f为单位一阶干扰为例，则误差传递函数可表示为：
（14）
根据终值定理，干扰的观测误差e 2的稳态值为：
（15）
令e 2(∞)为0，可得
（16）
S5：超前校正离散化；
对式(9)进行离散化处理，优选后向欧拉离散法，即采用增量的形式，得到经过超前校正的干扰观测值离散表达式：
（17）
dz2lc(k-1)的初值dz2lc(0)=dz2(0)。
S6：计算干扰前馈补偿量；
针对时变干扰的前馈补偿控制输出可表示为：
（18）
上式中，u F (k-1)的初值u F (0)=0，Δu F (k)为前馈控制增量，u F (k)为前馈控制量，b 0为控制增益。
式(6)(17)(18)共同构成了所述的基于LCESO的前馈控制。
S7：设计增量式PID；
所述增量式PID控制由以下公式得到：
（19）
式中，k p为比例系数，k i为积分系数，e(k)为系统控制目标值y *和系统实际输出y之差。式中u pid(k-1)的初值u pid(0)=0，u pid(k)为PID控制量，Δu pid(k)为PID控制增量。
S8：所述风洞流场抗时变干扰控制的复合控制量u sum (k)输出表达式为：
（20）
u sum (k)位复合控制量。
实施例1：
图2给出了所述风洞流场抗时变干扰控制方法在某风洞连续变迎角试验中应用流程，包括以下步骤：
（1）风洞开车。迎角运行至初始角度0°，风洞调压阀和栅指运动至预置位置；
（2）建立流场。风洞总压控制系统通过调压阀对总压进行闭环控制；
（3）马赫数闭环控制，即投入所述流场抗时变控制方法中的增量式PID控制；
（4）等待马赫数稳定。即目标马赫数和实际马赫数之间的误差小于规定的误差带；
（5）迎角从初始角度0°运行至起始角度，同时投入所述流场抗时变控制方法中的LIESO控制；
（6）等待马赫数稳定。即目标马赫数和实际马赫数之间的误差小于规定的误差带；
（7）连续变迎角。迎角开始从起始角度连续运行至终止角度；
（8）等待迎角到位。等待迎角运行至终止角度；
（9）切除所述流场抗时变控制，这里的切除是指关闭或退出的意思；
（10）迎角回零。迎角运行至0°；
（11）风洞关车。调压阀关闭，栅指运行至零位。
以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (6)
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，z 1为系统输出y的估计值，z 2为干扰f的估计值，e为对系统输出的估计误差，β 1、β 2为扩张状态观测器的增益，、/>为z 1、z 2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，ω 0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t 0，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。
4.如权利要求3所述的风洞流场抗时变干扰控制方法，其特征在于，在S2所述干扰观测值离散表达式的获取方式为：
S20、令Z2lc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，ω 0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dZ2lc(0)=dz2(0)。
5.如权利要求4所述的风洞流场抗时变干扰控制方法，其特征在于，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，b 0为控制增益。
6.如权利要求5所述的风洞流场抗时变干扰控制方法，其特征在于，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。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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