[发明专利]基于模型预测控制的电感耦合等离子体产生系统的整定方法

说明书

本发明公开了一种基于模型预测控制的电感耦合等离子体产生系统的整定方法，是以鲁棒稳定性条件、输出的稳态误差判决门限为约束，以最小化不同不确定性等级下的最大输出震荡量为整定目标，根据稳态误差判决门限和不同的电感耦合等离子体产生系统真实模型的不确定性等级自动获取最优整定参数。先建立电感耦合等离子体产生系统的名义数学模型；设计模型预测控制器，构造带约束的代价函数，确定模型预测控制器的整定参数；然后确定电感耦合等离子体产生系统的真实传递函数模型的不确定性等级及灵敏度函数边界值；最后以输出的稳态误差判决门限为约束，确定满足稳态误差和鲁棒稳定性条件的模型预测控制器的整定参数，提升了系统的时域输出性能。

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，涉及一种基于模型预测控制(MPC)算法的电感耦合等离子体产生系统(Inductively Coupled Plasma，简称ICP产生系统)的整定方法。

背景技术

高超声速飞行器再入地球大气层时，机体与空气剧烈摩擦，会产生等离子鞘套。电子密度变化的等离子体鞘层会产生一系列的电磁效应，不仅会削弱通信及检测信号，还会使通信系统的特性发生畸变，极端情况下等离子鞘套会造成飞行器与外界通信中断，产生“黑障”现象。为了复现黑障环境，研究不同电子密度下的等离子体对遥测遥控信号的影响，首要问题便是产生具有特定电子密度参数的等离子体产生装置。因此，实现电子密度准确、高效的控制具有重要意义。

目前，等离子体段的控制方法主要有两种：比例-积分-微分(PID)控制和MPC算法。ICP产生系统的物理进程呈现出多变量耦合、多约束的特点，而MPC在处理多变量耦合和多约束控制问题时，较PID都有着显著的优势。然而，MPC控制算法对控制系统的数学模型有着较高的要求，因而采用MPC算法实现ICP产生系统的可靠性和精确跟踪的前提是获取准确的ICP控制系统的数学模型。事实上，在工程应用中，ICP产生系统的真实控制模型往往是不能确定的，通过输入输出数据辨识得到的名义系统控制模型始终与ICP产生系统的真实控制模型存在辨识误差。模型误差的存在会导致控制器的输出性能恶化，严重时会导致ICP产生系统输出不稳定。同时，工程应用中对控制器的时域输出性能也有着严格的要求。而MPC控制器权重参数选择对控制器的鲁棒性和时域输出性能有着至关重要的影响，故可以通过优化权重参数以解决上述问题。由此可见，需要一种可以提升MPC控制器鲁棒性和时域输出性能的整定优化方法，对传统的MPC控制器的代价函数权重参数进行优化整定，使得预测控制器能够满足不同不确定性等级系统进程的鲁棒性和时域性能要求。

发明内容

基于上述目的，本发明提供一种基于模型预测控制的电感耦合等离子体产生系统的优化方法，为ICP产生系统的控制提供一种整定方法，以解决由于ICP产生系统的控制真实模型的不确定性问题所导致的ICP产生系统的时域输出性能下降的问题。

本发明所采用的技术方案是，基于模型预测的电感耦合等离子体产生系统的整定方法，是以鲁棒稳定性条件、输出的稳态误差判决门限为约束，以最小化不同不确定性等级下的最大输出震荡量为整定目标，根据稳态误差判决门限和不同的ICP产生系统真实模型的不确定性等级自动获取最优整定参数。

进一步的，具体步骤如下：

步骤S1、建立ICP产生系统的名义数学模型；

步骤S2、对ICP产生系统的名义数学模型进行离散化处理；

步骤S3、基于离散化的ICP产生系统的名义数学模型，设计MPC控制器，构造带约束的代价函数；

步骤S4、基于ICP产生系统的名义数学模型，确定ICP产生系统真实的数学模型的不确定性等级；

步骤S5、基于闭环系统鲁棒稳定性条件和ICP产生系统真实传递函数模型的不同不确定性等级，确定灵敏度函数边界值；