Active Disturbance Rejection Control for Transpiration Cooling System of Hypersonic Vehicles

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2024.02.004

Modern Defense Technology ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (2): 33-41.DOI: 10.3969/j.issn.1009-086x.2024.02.004

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Active Disturbance Rejection Control for Transpiration Cooling System of Hypersonic Vehicles

Xin YI¹(), Chunyan WANG¹^,², Wei DONG³(), Pengyu ZHANG⁴, Xiaojian LI⁵, Jianan WANG¹, Fang DENG³^,⁶

^1.School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
^2.Advanced Technology Research Institute, Beijing Institute of Technology, Ji’nan 250300, China
^3.National Key Lab of Autonomous Intelligent Unmanned Systems, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
^4.Beijing Institute of Nearspace Vehicle's Systems Engineering, Beijing 100076, China
^5.Wuhan Guide Infrared Co. , Ltd. , Wuhan 430205, China
^6.Be?ing Institute of Technology Chongqing Innovation Center, Chongqing 401120, China

Received:2023-12-28 Revised:2024-01-21 Online:2024-04-28 Published:2024-04-29
Contact: Wei DONG

高超声速飞行器发汗冷却系统自抗扰控制研究

易鑫¹(), 王春彦¹^,², 董伟³(), 张鹏宇⁴, 黎晓健⁵, 王佳楠¹, 邓方³^,⁶

^1.北京理工大学宇航学院, 北京 100081
^2.北京理工大学前沿技术研究院, 山东济南 250300
^3.北京理工大学自主智能无人系统全国重点实验室, 北京 100081
^4.北京临近空间飞行器系统工程研究所, 北京 100076
^5.武汉高德红外股份有限公司, 湖北武汉 430205
^6.北京理工大学重庆创新中心, 重庆 401120

通讯作者: 董伟
作者简介:易鑫(1997-)，男，河南邓州人。博士生，研究方向为飞行器制导与控制。E-mail：yix@bit.edu.cn
基金资助:
国家杰出青年科学基金(62025301);国家自然科学基金面上项目(62273043);博士后创新人才支持计划(BX20230461);博士后科学基金面上资助(2023M740249);山东省重点研发计划(重大科技创新工程)(2020CXGC011502)

Abstract

Abstract:

Aiming at the temperature control problem of the hypersonic vehicle transpiration cooling system， this paper proposes an active disturbance rejection controller （ADRC） to adjust the temperature of the porous medium on the vehicle wall based on the one-dimensional fixed boundary sweating cooling model， whose effectiveness and advantages are verified by a numerical simulation. The controller does not rely on the precise mathematical model of the temperature field of the porous medium. The heat flow disturbance is suppressed by extracting and compensating disturbance information from the input and output data of the system. The simulation results show that the ADRC designed for the transpiration cooling system can quickly track the reference temperature. Compared with the traditional PID control， the temperature response under ADRC has no overshoot. In addition， when external heat flow interference occurs， the ADRC has strong robustness and adaptability， which can provide a certain reference for the engineering application of transpiration cooling control systems.

Key words: hypersonic vehicles, transpiration cooling, temperature control, active disturbance rejection control, robustness, anti disturbance

摘要：

针对高超声速飞行器发汗冷却系统的温度控制问题，在一维固定边界发汗冷却模型的基础上，提出了用于调节飞行器壁面多孔介质温度的自抗扰控制器，并进行了数值仿真。该控制器不依赖于多孔介质温度场精确的数学模型，通过从系统的输入输出数据中提取干扰信息并进行补偿，实现对热流干扰的抑制。仿真结果表明，针对发汗冷却系统设计的自抗扰控制器，能够实现对参考温度的快速跟踪；且相较于传统的PID控制，温度响应没有超调；在有外界热流干扰时，具有较强的鲁棒性和适应性，可以为发汗冷却控制系统的工程应用提供一定参考。

关键词: 高超声速飞行器, 发汗冷却, 温度控制, 自抗扰控制, 鲁棒性, 抗干扰

CLC Number:

TP273

Xin YI, Chunyan WANG, Wei DONG, Pengyu ZHANG, Xiaojian LI, Jianan WANG, Fang DENG. Active Disturbance Rejection Control for Transpiration Cooling System of Hypersonic Vehicles[J]. Modern Defense Technology, 2024, 52(2): 33-41.

易鑫, 王春彦, 董伟, 张鹏宇, 黎晓健, 王佳楠, 邓方. 高超声速飞行器发汗冷却系统自抗扰控制研究[J]. 现代防御技术, 2024, 52(2): 33-41.

Figures/Tables 9

Fig. 1 Schematic diagram of transpiration cooling system

Fig. 2 Structure diagram of ADRC for transpiration cooling system

Table 1 Model parameters of temperature field

参数

数值

多孔介质比热容/（J·（kg·K）^-1）

多孔介质密度/（kg·m^-3）

多孔介质厚度/m

导热系数/（W·（m·K）^-1）

发汗剂比热容/（J·（kg·K）^-1）

435

8 240

0.1

11.4

5 238

Fig. 3 Temperature at control point with constant heat flux

Fig. 4 Coolant flux with constant heat flux

Fig. 5 Temperature at control point with varying heat flux

Fig. 6 Coolant flux with varying heat flux

Fig. 7 Temperature at control point with sudden change in heat flux

Fig. 8 Coolant flux with sudden change in heat flux

References 27

1	李宏宇，尹童，敦晓彪. 临近空间高超声速武器发展概况与防御体系研究［J］. 现代防御技术， 2022， 50（6）： 1-10.
	LI Hongyu， YIN Tong， Xiaobiao DUN. Overview of Hypersonic Weapon Development and Defense System Research in Near Space［J］. Modern Defence Technology， 2022， 50（6）： 1-10.
2	易仕和，丁浩林. 稠密大气中高超声速导引头红外成像面临的机遇、挑战与对策［J］. 现代防御技术， 2020， 48（3）： 1-10.
	YI Shihe， DING Haolin. Opportunities， Challenges and Countermeasures for Infrared Imaging of Hypersonic Seeker Flying in Condensed Atmosphere［J］. Modern Defence Technology， 2020， 48（3）： 1-10.
3	LUO Shibin， MIAO Zhichao， LIU Jian， et al. Effects of Coolants of Double Layer Transpiration Cooling System in the Leading Edge of a Hypersonic Vehicle［J］. Frontiers in Energy Research， 2021， 9： 756820.
4	BOYD I D， PADILLA J F. Simulation of Sharp Leading Edge Aerothermodynamics［C］∥12th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies. Reston， VA， USA： AIAA， 2003： AIAA 2003-7062.
5	栾芸，贺菲，王建华. 临近空间飞行器发汗冷却研究进展［J］. 推进技术， 2023， 44（1）： 1-15.
	LUAN Yun， HE Fei， WANG Jianhua. Review on Transpiration Cooling for Near-space Aircraft［J］. Journal of Propulsion Technology， 2023， 44（1）： 1-15.
6	ESSER B， BARCENA J， KUHN M， et al. Innovative Thermal Management Concepts and Material Solutions for Future Space Vehicles［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2016， 53（6）： 1051-1060.
7	SU Hao， WANG Jianhua， HE Fei， et al. Numerical Investigation on Transpiration Cooling with Coolant Phase Change Under Hypersonic Conditions［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019， 129： 480-490.
8	孙纪国，蔡国飙. 不同材料发汗冷却结构下氢冷却性能［J］. 航空动力学报， 2022， 37（4）： 781-790.
	SUN Jiguo， CAI Guobiao. Cooling Performance of Hydrogen for Transpiration Cooling Structure Made by Different Materials［J］. Journal of Aerospace Power， 2022， 37（4）： 781-790.
9	胥蕊娜，李晓阳，廖致远，等. 航天飞行器热防护相变发汗冷却研究进展［J］. 清华大学学报（自然科学版）， 2021， 61（12）： 1341-1352.
	XU Ruina， LI Xiaoyang， LIAO Zhiyuan， et al. Research Progress in Transpiration Cooling with Phase Change［J］. Journal of Tsinghua University（Science and Technology）， 2021， 61（12）： 1341-1352.
10	GLASS D E， DILLEY A D， KELLY H N. Numerical Analysis of Convection / Transpiration Cooling［J］. Journal of Spacecraft and Rockets， 2001， 38（1）： 15-20.
11	ZHU Yinhai， PENG Wei， XU Ruina， et al. Review on Active Thermal Protection and Its Heat Transfer for Airbreathing Hypersonic Vehicles［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2018， 31（10）： 1929-1953.
12	吴亚东，朱广生，高波，等. 多孔介质相变发汗冷却主动热防护试验研究［J］. 宇航学报， 2017， 38（2）： 212-218.
	WU Yadong， ZHU Guangsheng， GAO Bo， et al. An Experimental Study on the Phase-Changed Transpiration Cooling for Active Thermal Protection［J］. Journal of Astronautics， 2017， 38（2）： 212-218.
13	张红军，康宏琳. 激波干扰对发汗冷却影响的数值模拟研究［J］. 宇航学报， 2021， 42（3）： 324-332.
	ZHANG Hongjun， KANG Honglin. Numerical Simulation Study on the Effects of Shock Wave Interference on Transpiration Cooling［J］. Journal of Astronautics， 2021， 42（3）： 324-332.
14	杨学实. 热防护发汗冷却控制［J］. 自动化学报， 1985， 11（4）： 345-350.
	YANG Xueshi. Transpiration Cooling Control of Thermal Protection［J］. Acta Automatica Sinica， 1985， 11（4）： 345-350.
15	杨学实，袁兆鼎，徐燕侯. 二维动边界发汗控制数学仿真研究［J］. 自动化学报， 1993， 19（4）： 393-403.
	YANG Xueshi， YUAN Zhaoding， XU Yanhou. A Mathematical Simulation Research of Two-dimensional Transpiration Control with Moving-Boundary［J］. Acta Automatica Sinica， 1993， 19（4）： 393-403.
16	徐燕侯，杨学实. 发汗冷却系统的控制及其特性［J］. 应用数学和力学， 1993， 14（11）： 993-1001.
	XU Yanhou， YANG Xueshi. Control of Transpiration Cooling System and Its Characteristics［J］. Applied Mathematics and Mechanics， 1993， 14（11）： 993-1001.
17	于景元，许香敏，焦红兵，等. 发汗冷却系统的最优控制［J］. 控制与决策， 1999， 14（5）： 398-402， 460.
	YU Jingyuan， XU Xiangmin， JIAO Hongbing， et al. Optimal Control of Transpiration Cooling System［J］. Control and Decision， 1999， 14（5）： 398-402， 460.
18	卜春霞，杨洪德. 发汗烧蚀系统的最优控制［J］. 郑州大学学报（自然科学版）， 1999， 31（3）： 12-17.
	BU Chunxia， YANG Hongde. Optimal Control for Transpiration Cooling［J］. Journal of Zhengzhou University（Natural Science Edition）， 1999， 31（3）： 12-17.
19	孙冀，罗学波. 固定边界发汗冷却系统的最优控制问题［J］. 自动化学报， 2003， 29（2）： 227-233.
	SUN Ji， LUO Xuebo. Optimal Control of Fixed Boundary Transpiration Cooling System［J］. Acta Automatica Sinica， 2003， 29（2）： 227-233.
20	孙冀，罗学波. 发汗冷却系统的自校正控制［J］. 机械科学与技术， 2000， 19（S1）： 178-180.
	SUN Ji， LUO Xuebo. Self-Tuning Control of Transpiration Cooling Control System［J］. Mechanical Science and Technology， 2000， 19（S1）： 178-180.
21	孙冀，罗学波. 基于两点测温的发汗冷却自校正控制［J］. 控制与决策， 2001， 16（6）： 922-925.
	SUN Ji， LUO Xuebo. Self-Tuning Control of Transpiration Cooling System Based on Two Points Observation［J］. Control and Decision， 2001， 16（6）： 922-925.
22	孙冀，罗学波，杨学实. 多层介质的发汗冷却自适应控制［J］. 数学的实践与认识， 2004， 34（9）： 69-75.
	SUN Ji， LUO Xuebo， YANG Xueshi. Adaptive Control for Multi-Layer Medium Transpiration Cooling System［J］. Mathematics in Practice and Theory， 2004， 34（9）： 69-75.
23	朱聪超，秦世引，杨学实. 最小发汗量冷却系统的PID进化控制策略和实现算法［J］. 宇航学报， 2008， 29（4）： 1336-1340.
	ZHU Congchao， QIN Shiyin， YANG Xueshi. PID Evolutionary Control Strategy and Implementing Algorithm to Minimize Coolant Consumption in Transpiration Cooling System［J］. Journal of Astronautics， 2008， 29（4）： 1336-1340.
24	王燕，黄圆志. 变域传热发汗冷却系统优化控制研究［J］. 自动化与仪器仪表， 2015（10）： 22-24.
	WANG Yan， HUANG Yuanzhi. Variable Domain Transpiration Cooling Control System Optimization Research［J］. Automation & Instrumentation， 2015（10）： 22-24.
25	陈俊侨，汪晓军，崔臣君，等. 模糊自抗扰的双电机同步驱动电动缸起竖策略［J］. 现代防御技术， 2022， 50（3）： 119-126.
	CHEN Junqiao， WANG Xiaojun， CUI Chenjun， et al. Research on Erecting Strategy of Double Motor Synchronous Drive Electric Cylinder Based on Fuzzy Active Disturbance Rejection［J］. Modern Defence Technology， 2022， 50（3）： 119-126.
26	宋金超，赵良玉. 自旋火箭弹横滚隔离系统的自抗扰控制［J］. 兵工学报， 2022， 43（7）： 1510-1518.
	SONG Jinchao， ZHAO Liangyu. Active Disturbance Rejection Control of the Roll-Isolated System of a Spinning Guided Rocket［J］. Acta Armamentarii， 2022， 43（7）： 1510-1518.
27	杨学实，王侠超. 发汗控制动态响应数值分析［J］. 自动化学报， 1988， 14（3）： 184-190.
	YANG Xueshi， WANG Xiachao. A Numerical Analysis of Dynamic Responses for Transpiration Control［J］. Acta Automatica Sinica， 1988， 14（3）： 184-190.

[1]	Hongyan ZANG, Kai WANG, Changsheng GAO, Wuxing JING, Yuexin WANG. Trajectory Tracking of Hypersonic Vehicles Based on Moving Horizon Estimation [J]. Modern Defense Technology, 2024, 52(2): 132-144.
[2]	Jun-qiao CHEN, Xiao-jun WANG, Chen-jun CUI, Hai-yue WANG. Research on Erecting Strategy of Double Motor Synchronous Drive Electric Cylinder Based on Fuzzy Active Disturbance Rejection [J]. Modern Defense Technology, 2022, 50(3): 119-126.
[3]	WANG Peng-fei, LUO Chang, BAI Yan. Development of Near Space Hypersonic Vehicles and Defense Strategies Analysis [J]. Modern Defense Technology, 2021, 49(6): 16-21.
[4]	WANG Ying-chen, DUAN Xiu-sheng, SHAN Gan-lin. Deep Learning Fusion Model Diagnosis Method of Analog Circuit Fault [J]. Modern Defense Technology, 2018, 46(5): 122-128.
[5]	WEI Ya-li, WANG Fei, XU Xin-peng. ADRC Controller Based on PWPF for Impulse Lateral Thrust [J]. Modern Defense Technology, 2018, 46(4): 40-44.

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