一种半物理风机推力执行系统的耦合标定与控制方法

本发明涉及浮式风机半物理实时混合模型试验，尤其涉及一种半物理风机推力执行系统的耦合标定与控制方法。

背景技术：

1、现有技术中，浮式风机半物理实时混合模型试验的推力执行系统，普遍采用单机静态标定结合固定几何分配的标定与控制方式：先对每个独立驱动执行元件单独开展静态标定试验，建立单路脉冲宽度调制信号与单机推力输出的对应关系，再依据各执行元件的空间安装位置、推力作用方向及力臂参数构建固定的载荷逆解分配矩阵，将目标广义推力直接分配至各独立驱动执行元件，以此实现风机气动荷载向物理模型的实时加载。

2、然而，该类现有技术方案在实际应用中存在固有的性能局限：由于将各独立驱动执行元件视作相互独立的推力输出单元，未针对多元件组合运行工况开展系统级标定，空间相邻的执行元件产生的气动耦合、尾流干扰会使实际推力输出偏离单机标定结果，同轴反向布置的执行元件之间存在的推力竞争与主导关系也无法通过固定几何分配逻辑准确体现；同时基于单机标定与固定分配的线性模式难以完整表征推力系统的非线性输出特性，会导致目标推力与实际加载推力之间存在较大偏差，且在多路控制输入对应少维推力输出的冗余映射下，现有求解方式难以同时兼顾推力复现精度、控制指令连续性与实时计算效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种半物理风机推力执行系统的耦合标定与控制方法，解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种半物理风机推力执行系统的耦合标定与控制方法，包括以下步骤：

3、s1、半物理风机推力执行系统包括七个独立驱动执行元件，用于采集多组脉冲宽度调制信号组合及对应实际广义推力输出数据，得到多组标定试验样本；

4、s2、根据各独立驱动执行元件预先建立的脉冲宽度调制信号和单机推力标定关系，通过对每组标定试验样本中的脉冲宽度调制信号进行映射转换，得到各组样本对应的单机推力；

5、s3、根据独立驱动执行元件的空间拓扑关系及转向关系，通过对单机推力进行多维度物理信息特征构造，得到包含一阶推力项、二阶推力非线性项、相邻独立驱动执行元件耦合项以及同轴反向独立驱动执行元件竞争项的物理信息结构化特征；

6、s4、基于物理信息结构化特征与实际广义推力输出数据，通过特征标准化与多输出岭回归训练，得到推力执行系统的正向推力标定模型；

7、s5、基于正向推力标定模型，通过引入目标推力偏差优化目标、脉冲宽度调制信号边界约束与参考脉冲宽度调制信号约束，构建脉冲宽度调制控制信号求解模型；

8、s6、基于正向推力标定模型，通过推导预测推力相对于脉冲宽度调制信号的解析雅可比矩阵并进行迭代求解，得到七个独立驱动执行元件的脉冲宽度调制控制指令；

9、s7、基于脉冲宽度调制控制指令，通过向每个独立驱动执行元件输出对应控制信号，控制推力执行系统输出与目标推力相对应的实际推力。

10、优选的，s1的具体步骤为：

11、基于七个独立驱动执行元件的预设脉冲宽度调制信号工作范围，通过拉丁超立方采样方法生成多组七路脉冲宽度调制信号组合，同步测量每组信号组合对应的实际广义推力输出数据，得到多组均匀覆盖工作区间的标定试验样本。

12、优选的，s2中的脉冲宽度调制信号与单机推力标定关系通过以下方式建立：

13、基于单个独立驱动执行元件的多组脉冲宽度调制信号与对应单机推力实测数据，通过二次多项式进行非线性拟合，得到脉冲宽度调制信号与单机推力的标定关系，计算公式为：

14、；

15、其中，为第个独立驱动执行元件的单机推力，为第个独立驱动执行元件的脉冲宽度调制信号，、、为第个独立驱动执行元件对应的标定系数，。

16、优选的，s3的具体步骤为：

17、基于七个独立驱动执行元件的单机推力，通过分别构造基础贡献项、非线性修正项、相邻气动干扰项与同轴反向竞争项，得到由七个一阶推力项、七个二阶推力非线性项、八个相邻独立驱动执行元件耦合项和一个同轴反向独立驱动执行元件竞争项构成的二十三维物理信息结构化特征。

18、优选的，同轴反向独立驱动执行元件竞争项获取过程为：

19、基于第二独立驱动执行元件与第七独立驱动执行元件的单机推力，通过引入预设小量避免分母为零并构造推力差与推力和绝对值的比值项，得到同轴反向独立驱动执行元件竞争项，计算公式为：

20、；

21、其中，为同轴反向独立驱动执行元件竞争项，为第二独立驱动执行元件的单机推力，为第七独立驱动执行元件的单机推力，为大于零的预设小量；当比值接近1时表示第二独立驱动执行元件推力占主导，当比值接近-1时表示第七独立驱动执行元件推力占主导。

22、优选的，s4的具体步骤为：

23、基于多组标定试验样本对应的物理信息结构化特征矩阵与实际广义推力输出矩阵，通过对特征进行标准化处理、对输出进行中心化处理并引入frobenius范数正则化项约束回归系数幅值，采用多输出岭回归进行闭式求解，得到正向推力标定模型的回归系数矩阵；

24、多输出岭回归的优化目标的公式为：

25、；

26、其中，为以矩阵为优化变量，求解目标函数取最小值时的最优解；为中心化后的实际广义推力输出矩阵；为标准化后的物理信息结构化特征矩阵；为待求解的回归系数矩阵；为岭回归正则化系数，取值不小于0；为frobenius范数，其计算方式为矩阵全体元素的平方和再开平方，用于表示矩阵的整体幅值大小；

27、回归系数矩阵的闭式解的公式为：

28、；

29、其中，为23×23的单位矩阵；为的转置矩阵。

30、优选的，s5的具体步骤为：

31、基于目标推力与预测推力的偏差、以及脉冲宽度调制信号与参考脉冲宽度调制信号的偏差，通过设置推力误差权重矩阵与正则化权重构建联合优化目标，并叠加脉冲宽度调制信号的上下限边界约束，构建脉冲宽度调制控制信号求解模型；

32、求解模型的优化目标的公式为：

33、；

34、其中，为以向量为优化变量，求解目标函数取最小值时的最优解；为由七路脉冲宽度调制信号组成的控制向量，为待求解的优化变量；为推力误差权重矩阵，用于对各广义推力分量的跟踪误差进行加权分配；为正向推力标定模型输出的预测广义推力向量，由控制向量经正向推力标定模型映射得到；为目标广义推力向量；为向量的2-范数；为正则化权重系数；为参考脉冲宽度调制信号向量，用于约束求解得到的控制信号与参考值的偏差；、分别为各路脉冲宽度调制信号的工作上限值与工作下限值，用于对控制信号的偏差量进行归一化处理；

35、求解模型的约束条件为：

36、。

37、优选的，s5中的参考脉冲宽度调制信号的获取过程为：

38、首次求解时基于脉冲宽度调制信号的工作范围，通过取区间中值得到参考脉冲宽度调制信号；连续控制过程中基于上一控制周期的输出结果，通过取上一周期的脉冲宽度调制控制指令得到参考脉冲宽度调制信号。

39、优选的，s6中的解析雅可比矩阵的获取过程为：

40、基于单机推力标定关系、物理信息结构化特征构建关系、特征标准化关系与岭回归系数矩阵，通过链式求导法则逐层推导，得到预测推力相对于七路脉冲宽度调制信号的解析雅可比矩阵，计算公式为：

41、；

42、其中，为预测广义推力相对于七路脉冲宽度调制信号的解析雅可比矩阵，用于表征脉冲宽度调制信号的变化对输出推力的影响程度；为预测广义推力向量相对于脉冲宽度调制控制向量的偏导数；为由物理信息结构化特征各维度的标准差构成的对角矩阵；为物理信息结构化特征向量相对于七路脉冲宽度调制信号的雅可比矩阵；表示该雅可比矩阵为4行7列的实数矩。

43、优选的，s6中的迭代求解具体过程为：

44、基于解析雅可比矩阵与增广残差向量，通过带阻尼的gauss-newton方法迭代更新脉冲宽度调制信号，直至迭代增量的无穷范数小于预设阈值或达到最大迭代次数，得到最终的脉冲宽度调制控制指令；

45、脉冲宽度调制信号迭代增量的计算公式为：

46、；

47、其中，为第次迭代对应的七路脉冲宽度调制信号迭代增量向量；为迭代次数；为第次迭代对应的增广雅可比矩阵；为增广雅可比矩阵的转置矩阵；为第次迭代的阻尼系数，用于约束迭代步长、提升迭代求解的数值稳定性；为7阶单位矩阵；为第次迭代对应的增广残差向量。

48、因此，本发明采用上述一种半物理风机推力执行系统的耦合标定与控制方法，具有的有益效果为：

49、1、通过构建包含一阶推力项、二阶推力非线性项、相邻独立驱动执行元件耦合项及同轴反向独立驱动执行元件竞争项的二十三维物理信息结构化特征，实现了对七个独立驱动执行元件组合工作特性的系统级标定，可精准表征相邻执行元件间的气流相互作用、二阶非线性效应以及同轴反向布置的推力主导关系，提升了推力标定模型对实际输出特性的拟合精度，降低了目标推力的复现偏差。

50、2、通过采用特征标准化与输出中心化预处理结合多输出岭回归的建模方式，引入frobenius范数正则化项约束回归系数矩阵的整体幅值，缓解了高相关特征下的参数波动问题，提升了标定模型的泛化性能；同时回归系数具备闭式解析解，计算过程高效稳定，可基于标定样本快速完成正向推力预测模型的训练，为后续在线控制指令求解提供了高精度、可解析求导的正向映射基础。

51、3、基于单机推力标定关系、结构化特征构建关系、特征标准化关系与岭回归系数矩阵，通过链式求导法则逐层推导得到预测推力相对于七路脉冲宽度调制信号的解析雅可比矩阵，规避了数值差分带来的截断误差与额外采样计算开销，提升了梯度计算的精度与求解效率，为控制指令的快速迭代求解提供了精准的梯度信息，从底层算法上支撑半物理试验的实时控制需求。

52、4、通过构建融合推力跟踪加权误差与参考脉冲宽度调制信号偏差的联合优化目标，同时叠加脉冲宽度调制信号的上下限边界约束，并采用带阻尼的gauss-newton方法进行迭代求解；既保证了控制指令始终处于合法工作区间，又可通过参考信号约束保障连续控制过程中指令的平滑性，阻尼项进一步提升了迭代的收敛稳定性，最终实现毫秒级的控制指令求解速度，同时保持极高的推力跟踪精度，可满足浮式风机半物理实时混合模型试验的推力实时加载要求。

53、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。