梯度自适应有限元正交配置超高声速飞行器轨迹最优控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种梯度自适应有限元正交配置超高声速飞行器轨迹最优控制系统,用于解决超高声速飞行器再入轨迹最优控制及过程约束全程满足。该系统包括数据预处理模块、动态优化算法模块以及飞行器控制模块。本发明专利技术对超高声速飞行器再入轨道过程的重要参数指标进行优化控制，克服已有的超高声速飞行器控制技术算法敏捷性差、难以在较短时间内得到系统最优参数控制从而导致超高声速飞行器控制效果的不足，引入动态优化方法与基于梯度的网格划分正交配置方法，从而得到超高声速飞行器再入轨迹优化最优控制系统，实现的飞行器再入轨迹OCP最优控制Benchmark场景测试结果效果更好、效率更高、易于找到最优控制参数。易于找到最优控制参数。易于找到最优控制参数。

【技术实现步骤摘要】
梯度自适应有限元正交配置超高声速飞行器轨迹最优控制系统


[0001]本专利技术涉及超高声速飞行器飞行控制领域、最优控制领域和动态优化算法领域，尤其涉及了一种结合了最优控制动态优化方法的超高声速飞行器轨迹控制系统。

技术介绍

[0002]最优控制理论的前身可以认为是诞生于17世纪的变分学，但是变分学具有局限性，只能够处理无约束或是开集性约束问题。而实际上很多控制问题的容许控制都属于闭集。现代最优控制理论开始于第二次世界大战结束，出发点主要是由于微分博弈，因为最优控制理论应用非常广泛，不在局限于微分博弈与军事战略方面，已被应用于综合和设计最速控制系统、最省燃料控制系统、最小能耗控制系统以及线性调节器等方面。最优控制问题(OCP)的常用方法可分为两类：间接方法和直接方法。间接方法通过使用庞德里雅金极大值原理将OCP转化为一阶最优性条件，该原理在具有强非线性和复杂约束的实际问题中效果一般。相反，直接方法通过将OCP转化为非线性规划(NLP)问题，即控制向量参数化(CVP)和正交配置法(OC)。直接法的主要优点是可以绕过必要条件，直接计算离散后的最优性能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度自适应有限元正交配置超高声速飞行器轨迹最优控制系统,用于解决超高声速飞行器再入轨迹最优控制及过程约束全程满足，其特征在于：包括数据预处理模块、动态优化算法模块以及飞行器控制模块；所述数据预处理模块的输入为超高声速飞行器所带再入轨道过程传感器传回数据S
*
，再由数据预处理模块统一量纲输入为S＝{h0,V0,θ0,X0,X
f
,X1,X2,X
b
,R
b
}；其中，h0为超高声速飞行器初始高度，单位km；V0为飞行器初始速度，单位km/s；θ0为飞行器初始转向角；X0为飞行器初始位置且X0＝(x0,y0)为飞行器所处经纬度；X
f
终端位置且X
f
＝(x
f
,y
f
)；X1、X2为飞行器航点约束，X1＝(x1,y1)，X2＝(x2,y2)；X
b
为禁飞区约束点且X
b
＝(x
b
,y
b
)；R
b
为禁飞区半径，单位km；所述飞行器控制模块通过控制飞行器倾斜角σ、加速度a、航向角θ、倾斜角u实时地满足相关约束；高超声速飞行器飞行模型为：其中，超高声速飞行器控制模块路径约束全程满足包括：(1)控制约束为了确保高超声速飞行器的稳定性，对于控制变量标准化后的倾斜角u约束满足：(2)终端状态约束对终端超高声速飞行器状态方程：(3)航点约束：假设具体的航点的总个数为i
end
，第i个航点的位置用经纬度表示为(x
i
,y
i
)，则模型的航点约束满足(4)禁飞区约束：禁飞区被描述为具有无限高度的圆形禁区，假设第j个禁飞区的圆心为半径为则禁飞区约束满足：
2.根据权利要求1所述梯度自适应有限元正交配置超高声速飞行器轨迹最优控制系统，其特征在于：所述动态优化算法模块用于建立超高声速飞行器再入轨迹优化系统；轨迹优化问题的代价函数J的Bolza形式由两部分组成，一部分为在终端时刻t
f
的代价，另一部分为从t0到t
f
的被积函数L的代价；最优控制是确定控制u(t)∈R
m
和状态x(t)∈R
n
来最小化代价函数，同时满足运动方程，路径约束和边界约束；其中代价函数为：同时约束条件为：一般最优控制问题(OCP)具有以下形式：其中，J表示Bolza型代价函数，u:R
→
R
m
表示m个控制变量的函数，x:R
→
R
n
表示具有n个状态变量的函数；C
i
:R
n
×
R
m
×
R
→
R
p
以及C
ε
:R
n
×
R
m
×
R
→
R
q

【专利技术属性】
技术研发人员：谢意，史炤南，马梦颖，张逸然，吴高洁，俞启东，王文海，李洋，张文宇，韦文书，宗凯，刘兴高，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：