[发明专利]一种iPI无模型自适应全局非奇异快速终端滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种iPI无模型自适应全局非奇异快速终端滑模控制方法，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数学模型及无模型控制的超局部模型；利用非线性ESO观测器对所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统进行未知扰动预测；基于全局非奇异快速终端滑模面削弱趋近抖振、收敛速度慢、奇异问题；根据滑模可达性条件定义等效控制率和自适应趋近律，得到滑模控制率，完成目标跟踪。本发明通过全局非奇异快速终端滑模面的设计，去除了趋近模态，从而减缓了抖振现象，加快了在滑动模态上的控制速度，对滑模面条件的限制使得控制器不存在奇异问题，结合了自适应的方法有效解决收敛停滞问题。

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iPI无模型自适应全局非奇异快速终端滑模控制方法。

背景技术

石英灯加热器作为地面热试验模拟的一种较为常见方式，相较于镍铬棒、碳硅棒、石墨棒作为加热元件的热辐射试验中，它具有使用寿命长、热效率高、升温速度快、结构紧凑、可控性能强等特点，因而被广泛应用到高超声速飞行器气动热地面模拟试验中。作为模拟飞行器热环境的石英灯加热器，要求其具有良好的稳定性、准确性、快速性和抗干扰的能力，这就需要设计控制方法来达到这些性能指标的要求。

传统的控制方法可以对石英灯加热器输出温度进行跟踪，但需要精确的石英灯加热器模型参数。而石英灯加热器由于外部的未知扰动和自身内部的不确定项的影响，使得传统基于模型的控制方式不能够应用在石英灯加热器上。因此提出了无模型的控制方式作用在石英灯加热器上，超局部模型是无模型控制的一种方式，但是仅适用于单输入单输出的系统中且要求转化后的被控对象表达式只能是一阶或二阶的。采用无模型控制中的超局部模型结合ESO扩展状态观测器将整个单输入单输出的石英灯加热器的数学模型进行线性化处理，所有的未知扰动包括确定的、不确定的、未知的、已知的都通过ESO扩展观测器来跟踪。

另外，传统的PID控制的优点是结构简单，易于调试，但是控制的精度不够高，收敛速度较慢，超调较大。而作为现代控制理论中的滑模控制不论是在响应速度、抗干扰能力还是控制精度上都优于传统的PID控制，并且其对模型精确性的要求不高，因此被广泛应用。其中，终端滑模除了具有传统滑模控制的特点，还能够在有限时间收敛。但因为终端滑模也有趋近和滑动两个阶段，存在趋近阶段抖动、收敛停滞、控制奇异等问题。

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iPI无模型自适应全局非奇异快速终端滑模控制方法，能够解决无法在有限时间内跟踪期望温度、削弱控制过程中的抖振现象的问题。

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数学模型及无模型控制的超局部模型；利用非线性ESO观测器对所述高超声速飞行器气动热地面模拟系统进行未知扰动预测；基于全局非奇异快速终端滑模面削弱趋近抖振、收敛速度慢、奇异问题；根据滑模可达性条件定义等效控制率和自适应趋近律，得到滑模控制率，完成目标跟踪。

作为本发明所述的iPI无模型自适应全局非奇异快速终端滑模控制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；根据所述能量守恒定律建立输入输出能量守恒等式，得到当前温度T₁和双向晶闸管的导通角α之间的数学关系，如下，