[发明专利]一种高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及iPID方法

说明书

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。

技术领域

本发明涉及航空航天自动化的技术领域，尤其涉及一种高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及iPID方法。

背景技术

当飞行器的飞行速度达到高超声速时(马赫数大于5)，飞行器表面会与气流产生剧烈摩擦，并产生大量的热能，导致飞行器的壁面温度急剧升高，这就是所说的气动加热过程，过高的飞行器表面温度，不仅会影响飞行器正常运行状态，而且对机身结构安全和内部电子设备稳定也带来了一定的威胁，因此需要良好的热防护设计来避免飞行器结构或内部设备在飞行环境条件下失效；考虑到经济和飞行器速度等方面的原因，并不能在飞行器表面都用同一种材料，需要精确的对不同的受热区域进行分析，采用不同的隔热材料，这就需要通过飞行器的地面环境试验暴露存在的问题，用以改进选择合适的壁面材料。

地面热环境试验主要有风洞试验和非接触辐射热试验，过高马赫数的风洞设计难度大、模拟和测量的精确度不高、造价高昂、存在干扰，而非接触辐射热试验中石英灯作为辐射热元件具有热惯性小、寿命长、温度高、使用安全等特点；现如今石英灯为加热元件的辐射热试验大多是基于无需系统数学模型来设计控制器，完全凭经验公式，缺乏系统性分析，在提高控制精度和决策速度之间相互矛盾，无法达到实时控制，普遍存在控制精度不高、抗干扰能力差等问题，无法保证系统可以稳定跟踪期望温度的要求。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明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发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明提供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，能够解决常规控制算法完全凭经验获得规则及隶属函数问题、现有控制方法无法达到实时控制及鲁棒性差的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：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。

作为本发明所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及iPID方法的一种优选方案，其中：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。

作为本发明所述的高超声速飞行器气动热地面模拟系统建模及iPID方法的一种优选方案，其中：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。