风洞马赫数的广义预测控制方法研究

摘要

随着大飞机研制的需要对能为飞行器的研制提供重要依据的风洞试验马赫数控制精度提出了苛刻的要求，但目前已有的控制方法在变马赫数试验中存在调节时间过长、超调量过大，吹风试验成本过高的缺点。考虑到预测控制基于预测的未来时刻控制偏差优化控制率，有能力实现快速高精度控制，因此，本文以暂冲型跨声速风洞为对象，研究使用预测控制实现快速高精度的风洞流场控制。 通过分析，选择适用范围更广的广义预测控制算法实现风洞流场高精度的控制。该算法实现的关键在于预测模型的建立即模型结构、阶次及时滞的确定以及对算法中相关参数的整定: (1)好的模型结构能够描述对象实际特性，为快速高精度控制的实现奠定基础。在风洞流场控制结构中引入主引压力回路，能在降低控制难度的同时消除气源压力下降带来的时变影响。被控量选为总压和静压，降低马赫数直接控制增加的系统非线性。由于在工况点附近风洞流场可近似为线性系统，因此选用线性的模型，相比较于CARMA模型，CARIMA模型具有消除静差的作用且更接近实际对象特性，而对角的CARIMA模型还具有近似解耦的能力能够减弱风洞耦合的影响，因此选用对角的两入两出CARIMA模型作为风洞流场预测模型的结构; (2)合适的阶次有利于数据特征的挖掘，使预测结果更加准确。研究使用伪最邻近点法确定模型阶次，该方法通过定量给出伪邻近点百分比，当百分比趋近于0时即为模型阶次，具有简单易行的优点; (3)时滞的确定一方面有利于提高模型参数辨识的精度，另一方面为最小预测时域N1的整定提供了参考。研究使用一阶惯性加滞后模型结合最小二乘法拟合曲线的方法进行时滞的确定，该方法能够较为快速的确定对象的时滞并且能定量的分析出风洞流场具有时滞的特性; (4)参数整定的好坏直接关系到控制系统的性能，但目前并没有通用的准则，根据前人提出的基于一阶惯性加滞后模型的参数整定方法及实际调试经验可实现参数的整定，该方法极大程度的简化了参数整定的难度，并在实际应用中也取得了满意的控制效果。 在基于LabVIEW搭建的风洞控制系统模拟仿真平台进行工况点附近变马赫数试验，相较于PID控制，基于广义预测控制算法的控制器在满足控制精度的情况下无论是减小超调还是缩短调节时间都达到了预期的期望。 由于风洞流场的动态特性随着工况发生改变，在不同工况间进行变马赫数试验，模型的改变势必会对高精度控制带来影响，为了消除影响使控制器适应这种变化，对控制器进行了改进，引入了带有遗忘因子的递推最小二乘法克服了传统递推最小二乘法新数据对参数估计影响力弱的缺点，实现了风洞流场的自适应控制，仿真结果验证了有效性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题的研究背景及意义

1．2暂冲型跨声速风洞及风洞试验

1．2．1暂冲型跨声速风洞的结构

1．2．2暂冲型跨声速风洞吹风试验

1．2．3风洞试验的主要参数

1．3风洞控制的发展及研究现状

1．4广义预测控制的发展及研究现状

1．5本文的工作内容和主要安排

第2章广义预测控制

2．1预测控制基本原理

2．2风洞流场动态特性分析

2．3广义预测控制基本原理

2．3．1预测模型

2．3．2滚动优化

2．3．3反馈校正

2．4本章小结

第3章风洞流场预测控制器的设计

3．1预测模型的结构

3．2预测模型的阶次

3．2．1典型的确定阶次方法介绍

3．2．2基于FNN算法确定变量阶次

3．2．3实验与分析

3．3预测模型的时滞

3．3．1典型时滞确定方法介绍

3．3．2基于最小二乘法时滞的确定

3．4参数整定

3．5风洞控制系统仿真平台简介

3．6风洞流场性能指标

3．7预测控制器有效性验证

3．8本章小结

第4章风洞流场自适应预测控制器的设计

4．1变工况风洞动态特性分析

4．2典型自适应控制系统介绍

4．3自适应广义预测控制

4．4自适应预测控制有效性验证

4．5本章小结

第5章总结与展望

参考文献

致谢