[發明專利]約束全程滿足的高超聲速飛行器繞障飛行最優控制系統

有效

• 申請號: 201911149068.5
• 申請日: 2019-11-21
• 公開（公告）號: CN111123700B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 呂露;馬衛華;張志猛;葉松;張澤銀;鄭總準;劉興高
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種約束全程滿足的高超聲速飛行器繞障飛行最優控制系統，其特征在于，它由飛行器傳感器和飛行器繞障飛行控制器通過數據總線相連構成，所述飛行器繞障飛行控制器由信息采集模塊、初始化模塊、離散化模塊、非線性規劃問題求解模塊和結果顯示模塊依次相連組成；

所述約束全程滿足的高超聲速飛行器繞障飛行最優控制系統的運行過程如下：

步驟1)：在飛行器繞障飛行控制器中輸入對應于該高超聲速飛行器的運動方程、航點和禁飛區約束條件、目標函數；

步驟2)：高超聲速飛行器從指定初始位置出發后，開啟飛行器傳感器，得到高超聲速飛行器當前的飛行經度、飛行緯度、速度和飛行航向角狀態信息；

步驟3)：飛行器繞障飛行控制器自動執行內部的優化算法，得到使高超聲速飛行器在滿足所有約束條件下飛行時間最短的軌跡優化控制策略；

所述步驟3包括以下子步驟：

步驟3.1)：信息采集模塊獲取步驟2得到的高超聲速飛行器當前的飛行經度、飛行緯度、速度、飛行航向角狀態信息；以及飛行器的運動方程、飛行航點和禁飛區約束條件、目標函數信息；

步驟3.2)：初始化模塊開始運行，設置軌跡優化過程時間的離散段數、傾斜角控制量的初始猜測值u⁽⁰⁾(t)，設定優化精度要求tol，將迭代次數k置零；

步驟3.3)：通過離散化模塊將動態運動方程組在時間軸[t₀,t_f]上全部離散，t₀表示高超聲速飛行器繞障飛行軌跡優化問題飛行過程起始時間，t_f表示高超聲速飛行器繞障飛行跡優化問題飛行過程結束時間，且t_f不固定；；

步驟3.4)：通過非線性規劃問題求解模塊獲得所需的傾斜角最優控制策略和對應狀態軌跡，這個過程包括多次內部迭代，每次迭代都要求解尋優方向和尋優步長，并進行尋優修正，對于第k次迭代得到的傾斜角控制量u^(k)(t)，如果其對應目標函數值J[u^(k)(t)]與前一次迭代的目標函數值J[u^(k-1)(t)]之差小于精度要求tol，則判斷收斂性是否滿足，若滿足則將指令輸出到結果顯示模塊；否則進行下一次迭代；

步驟3.5)：結果顯示模塊顯示獲得的優化軌跡；

所述步驟3.3包括以下子步驟：

步驟3.3.1)：將傾斜角控制量u(t)、狀態軌跡x(t)用M階插值公式的線性組合表示，即：

其中，N是對時間區間[t₀,t_f]進行離散的段數，表示在離散點t_i,j上的插值公式，線性組合系數u_i,j和s_i,j分別是u(t)和x(t)在離散點t_i,j上的值；

步驟3.3.2)：由于所有插值公式的導函數表達式已知，對公式(2)進行求導：

其中，t_i,j表示時間區間[t₀,t_f]內第i個子區間的第j個離散點，x(t_i,j)表示在離散點t_i,j上的狀態變量值，u(t_i,j)表示在離散點t_i,j上的控制變量值，表示在離散點t_i,j上的插值函數的導數；

步驟3.3.3)：將狀態軌跡的微分方程組離散化代數等式形式，將其他目標函數、約束用u_i,j和s_i,j進行離散表達，得到待求的非線性規劃問題如下所示：

其中，J為目標函數，X表示離散的狀態向量的參數，X₀表示每段的初始狀態值，U表示離散的控制向量的參數，C_E和C_I分別表示等式和不等式約束；

步驟3.3.4)：將公式(3)寫成如下形式：

F(X,U,X₀)＝0 (5)

其中，F表示所有等式的集合，對公式(5)進行一階泰勒展開：

步驟3.3.5)：通過公式(6)計算一階靈敏度信息和

步驟3.3.6)：對公式進一步求導，得到二階靈敏度信息和

所述步驟3.4包括以下子步驟：

步驟3.4.1)：將第k-1次迭代得到的傾斜角控制量u^(k-1)(t)作為向量空間中的某個點，記作P₁，P₁對應的目標函數值就是J[u^(k-1)(t)]；

步驟3.4.2)：從點P₁出發，根據選用的非線性規劃問題算法，構造向量空間中的一個尋優方向d^(k-1)和步長α^(k-1)；

步驟3.4.3)：通過式u^(k)(t)＝u^(k-1)(t)+α^(k-1)d^(k-1)構造向量空間中對應u^(k)的另外一個點P₂，使得P₂對應的目標函數值J[u^(k)(t)]比J[u^(k-1)(t)]更優；

步驟3.4.4)：采用尋優校正u^(k)(t)，得到校正后的點記為點P₃，同時令使得P₃對應的目標函數值J[u^(k)(t)]比J[u^(k-1)(t)]更優；

步驟3.4.5)：如果本次迭代的目標函數值J[u^(k)(t)]與上一次迭代的目標函數值J[u^(k-1)(t)]的絕對值之差小于精度tol，則判斷收斂性滿足，將第k次迭代得到的控制策略u^(k)(t)輸出至結果顯示模塊；如果收斂性不滿足，迭代次數k增加1，將u^(k)(t)設置為初始值，繼續執行步驟3.4.2)；

步驟3.4.6)：顯示獲得的高超聲速飛行器最短飛行時間控制策略和最優軌跡。