高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统，用于对飞行器轨迹进行控制。所述的高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统由飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器、飞行器水平航程传感器、飞行器MCU、飞行器攻角控制器构成。飞行器MCU根据设定的海拔高度、速度、飞行航道倾角要求自动执行内部高精度的多尺度优化算法，并将获得的控制策略转换为控制指令发送给飞行器攻角控制器执行。本发明专利技术能够根据高超声速飞行器不同的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平航程状态快速地得到轨迹优化控制策略，使高超声速飞行器获得更远航程。

【技术实现步骤摘要】
高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统
本专利技术涉及高超声速飞行器再入段轨迹优化领域，尤其涉及高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统。在高超声速飞行器到达再入段后，能够给出高超声速飞行器轨迹优化控制策略并转换为飞行器攻角控制指令，在满足安全要求的条件下，使高超声速飞行器获得更远的水平飞行距离。
技术介绍
高超声速飞行器是实现远程快速精确打击和全球快速到达的新型飞行器，在未来的军事、政治和经济中具有十分重要的战略地位，已经成为世界航空航天领域一个极其重要的发展方向，是世界主要航天大国的竞争领域之一。研究和发展高超声速飞行器在开发太空和国家安全方面具有非常重要的意义。在高超声速飞行器的研究中，轨迹优化是现代飞行器设计和控制的重要内容，不仅有利于提高飞行器飞行品质以满足既定任务要求，同时也是完成飞行任务的重要保证和实现机动飞行的必要条件，近些年来一直受到国内外各军事强国的重视，是当前国内外研究的热点和难点。由于从大气从外缘进入大气层，高度和速度的变化范围很大，高超声速飞行器面临各种严峻的再入环境，再入段轨迹优化技术则是保证高超声速飞行器完成飞行任务的关键，对提高其打击范围和落点精度具有更重要的实用价值。然而现有方法的结果精度往往不够高。因此，研究新的高超声速飞行器再入段轨迹优化方法显得尤为重要。
技术实现思路
为了克服目前方法精度不高的不足，本专利技术的目的在于提供一种实现最优并且计算效率高、收敛速度快、精度高的多尺度最优控制系统，该控制系统借助MCU作为最优控制方法的实现载体。高超声速飞行器再入段轨迹优化问题飞行过程可以用数学模型描述为：其中t表示时间，t0表示高超声速飞行器再入段轨迹优化问题飞行过程开始时间，tf表示高超声速飞行器再入段轨迹优化问题飞行过程结束时间，且tf不固定；被称为状态向量，依次表示飞行器海拔高度、飞行器速度、飞行器飞行航道倾角、飞行器水平飞行距离等物理参数，nx为状态变量的维度，这里nx＝4。x0是状态向量的初始值，是其一阶导数；u(t)表示高超声速飞行器的攻角控制量，为本问题的控制变量，ul、uu分别为其下限值和上限值；是根据能量守恒以及力学原理建立的微分方程组；G[u(t),x(t),t]是高超声速飞行器再入段过程的约束条件。对于高超声速飞行器再入段过程，则使航程最大的数学模型可表示为：其中J[u(t)]表示目标函数J由攻角控制量u(t)决定。该问题本质上是一个最优控制问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统，由飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器、飞行器水平航程传感器、高超声速飞行器MCU、飞行器攻角控制器构成。所述飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器、飞行器水平航程传感器和飞行器攻角控制器均通过数据总线与飞行器MCU相连。所述的高超声速飞行器MCU包括依次相连的信息采集模块、状态尺度变换模块、初始化模块、常微分方程组(OrdinaryDifferentialEquations，简称ODE)离散化模块、非线性规划(Non-linearProgramming，简称NLP)问题求解模块、自适应模块、控制策略输出模块。其中，信息采集模块包括飞行器海拔高度和速度采集、飞行器飞行航道倾角和飞行水平距离采集、飞行器海拔高度和速度设定采集、飞行器飞行航道倾角设定采集、飞行器的运动方程和性能约束条件以及指定优化函数参数采集五个子模块；NLP求解模块包括依次相连的寻优方向求解、寻优步长求解、寻优修正、NLP收敛性判断四个子模块；自适应模块包括依次相连的约束条件满足判断、小波分解、调整时间节点三个子模块。所述高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统的运行过程如下：步骤1)：在高超声速飞行器MCU中输入对应于该飞行器的运动方程、性能约束条件、指定优化函数；步骤2)：高超声速飞行器到达再入段后，开启飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器和飞行器水平航程传感器，得到高超声速飞行器当前的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平航程状态信息；步骤3)：高超声速飞行器MCU根据设定的海拔高度、速度、飞行航道倾角要求执行内部高精度的多尺度优化算法，得到使高超声速飞行器水平飞行距离最长的轨迹优化控制策略；步骤4)：高超声速飞行器MCU将获得的轨迹优化控制策略发送给控制策略输出模块，并转换为控制指令发送给飞行器攻角控制器执行。所述步骤3包括以下子步骤：步骤3.1)：信息采集模块获取步骤2得到的高超声速飞行器当前的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平航程状态信息；步骤3.2)：利用状态尺度变换模块对状态变量进行尺度变换，缩小状态变量在数值上的尺度差距：其中表示nx个状态向量，表示状态变换函数。步骤3.3)：初始化模块开始运行，设置轨迹优化过程时间的离散段数与每一段的长度、攻角控制量的初始猜测值u(0)(t)，设定优化精度要求tol，将迭代次数k置零；步骤3.4)：通过ODE离散化模块将常微分方程组在时间轴[t0,tf]上全部离散；步骤3.5)：通过NLP问题求解模块获得所需的攻角控制策略和对应状态轨迹，这个过程包括多次内部迭代，每次迭代都要求解寻优方向和寻优步长，并进行寻优修正。对于某一次迭代得到的攻角控制量u(k)(t)，如果其对应目标函数值J[u(k)(t)]与前一次迭代的目标函数值J[u(k-1)(t)]之差小于精度要求tol，则判断收敛性满足，并将攻角控制量u(k)(t)输出到自适应模块；步骤3.6)：通过自适应模块分析NLP问题求解模块获得的攻角控制量u(k)(t)对应的飞行器运动过程，是否满足飞行器性能约束条件。如果满足，则将攻角控制量u(k)(t)作为指令输出到控制策略输出模块，否则利用自适应模块调整轨迹优化过程时间的离散段数与每一段的长度，执行初始化模块。所述步骤3.4包括如下子步骤：步骤3.4.1)：划分区间[t0,tf]：各节点分别为t0＜t1＜…＜tm-1＜tm＝tf，其中m为分段的段数。步骤3.4.2)：将控制变量参数化：在各节点处给出控制变量的估计值u0,u1,…,um，在区间Ii＝[ti,ti+1](i＝0,1,…,m-1)上构造函数qi(t,u0,u1,…,um)逼近区间Ii上的控制函数，于是步骤3.4.3)：子区间打靶：在Ii＝[ti,ti+1](i＝0,1,…,m-1)上，相应地赋予状态变量的初值x(ti)＝si,(i＝0,1,…,m-1)，通过求解得到子区间Ii＝[ti,ti+1]上的状态函数解x(t,si,qi)(i＝0,1,…,m-1)，其中f(t,x,qi)为飞行器的气动系数模型。步骤3.4.4)：匹配条件：为了保证状态函数解x(t,si,qi)(i＝0,1,…,m-1)的连续性，需要满足以下条件：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统，其特征在于：由飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器、飞行器水平航程传感器、高超声速飞行器MCU、飞行器攻角控制器构成。所述飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器、飞行器水平航程传感器和飞行器攻角控制器均通过数据总线与飞行器MCU相连。所述的高超声速飞行器MCU包括依次相连的信息采集模块、状态尺度变换模块、初始化模块、常微分方程组(Ordinary Differential Equations，简称ODE)离散化模块、非线性规划(Non-linear Programming，简称NLP)问题求解模块、自适应模块、控制策略输出模块。其中，信息采集模块包括飞行器海拔高度和速度采集、飞行器飞行航道倾角和飞行水平距离采集、飞行器海拔高度和速度设定采集、飞行器飞行航道倾角设定采集、飞行器的运动方程和性能约束条件以及指定优化函数参数采集五个子模块；NLP求解模块包括依次相连的寻优方向求解、寻优步长求解、寻优修正、NLP收敛性判断四个子模块；自适应模块包括依次相连的约束条件满足判断、小波分解、调整时间节点三个子模块。/n所述高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统的运行过程如下：/n步骤1)：在高超声速飞行器MCU中输入对应于该飞行器的运动方程、性能约束条件、指定优化函数；/n步骤2)：高超声速飞行器到达再入段后，开启飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器和飞行器水平航程传感器，得到高超声速飞行器当前的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平航程状态信息；/n步骤3)：高超声速飞行器MCU根据设定的海拔高度、速度、飞行航道倾角要求执行内部高精度的多尺度优化算法，得到使高超声速飞行器水平飞行距离最长的轨迹优化控制策略；/n步骤4)：高超声速飞行器MCU将获得的轨迹优化控制策略发送给控制策略输出模块，并转换为控制指令发送给飞行器攻角控制器执行。/n所述步骤3包括以下子步骤：/n步骤3.1)：信息采集模块获取步骤2得到的高超声速飞行器当前的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平航程状态信息；/n步骤3.2)：利用状态尺度变换模块对状态变量进行尺度变换，缩小状态变量在数值上的尺度差距：/n...

【技术特征摘要】
1.一种高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统，其特征在于：由飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器、飞行器水平航程传感器、高超声速飞行器MCU、飞行器攻角控制器构成。所述飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器、飞行器水平航程传感器和飞行器攻角控制器均通过数据总线与飞行器MCU相连。所述的高超声速飞行器MCU包括依次相连的信息采集模块、状态尺度变换模块、初始化模块、常微分方程组(OrdinaryDifferentialEquations，简称ODE)离散化模块、非线性规划(Non-linearProgramming，简称NLP)问题求解模块、自适应模块、控制策略输出模块。其中，信息采集模块包括飞行器海拔高度和速度采集、飞行器飞行航道倾角和飞行水平距离采集、飞行器海拔高度和速度设定采集、飞行器飞行航道倾角设定采集、飞行器的运动方程和性能约束条件以及指定优化函数参数采集五个子模块；NLP求解模块包括依次相连的寻优方向求解、寻优步长求解、寻优修正、NLP收敛性判断四个子模块；自适应模块包括依次相连的约束条件满足判断、小波分解、调整时间节点三个子模块。
所述高精度的高超声速飞行器轨迹优化多尺度最优控制系统的运行过程如下：
步骤1)：在高超声速飞行器MCU中输入对应于该飞行器的运动方程、性能约束条件、指定优化函数；
步骤2)：高超声速飞行器到达再入段后，开启飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器和飞行器水平航程传感器，得到高超声速飞行器当前的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平航程状态信息；
步骤3)：高超声速飞行器MCU根据设定的海拔高度、速度、飞行航道倾角要求执行内部高精度的多尺度优化算法，得到使高超声速飞行器水平飞行距离最长的轨迹优化控制策略；
步骤4)：高超声速飞行器MCU将获得的轨迹优化控制策略发送给控制策略输出模块，并转换为控制指令发送给飞行器攻角控制器执行。
所述步骤3包括以下子步骤：
步骤3.1)：信息采集模块获取步骤2得到的高超声速飞行器当前的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平航程状态信息；
步骤3.2)：利用状态尺度变换模块对状态变量进行尺度变换，缩小状态变量在数值上的尺度差距：



其中表示nx个状态向量，表示状态变换函数。
步骤3.3)：初始化模块开始运行，设置轨迹优化过程时间的离散段数与每一段的长度、攻角控制量的初始猜测值u(0)(t)，设定优化精度要求tol，将迭代次数k置零；
步骤3.4)：通过ODE离散化模块将常微分方程组在时间轴[t0,tf]上全部离散；
步骤3.5)：通过NLP问题求解模块获得所需的攻角控制策略和对应状态轨迹，这个过程包括多次内部迭代，每次迭代都要求解寻优方向和寻优步长，并进行寻优修正。对于某一次迭代得到的攻角控制量u(k)(t)，如果其对应目标函数值J[u(k)(t)]与前一次迭代的目标函数值J[u(k-1)(t)]之差小于精度要求tol，则判断收敛性满足，并将攻角控制量u(k)(t)输出到自适应模块；
步骤3.6)：通过自适应模块分析NLP问题求解模块获得的攻角控制量u(k)(t)对应的飞行器运动过程，是否满足飞行器性能约束条...

【专利技术属性】
技术研发人员：金昌龙，叶松，张志猛，马卫华，张泽银，祁振强，刘兴高，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33