[發明專利]一種高超聲速飛行器軌跡優化自適應最優控制器

在審

• 申請號: 201911150159.0
• 申請日: 2019-11-21
• 公開（公告）號: CN111324035A
• 公開（公告）日: 2020-06-23
• 發明（設計）人: 呂露;徐國強;王文海;馬衛華;張澤銀;祁振強;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

1.一種高超聲速飛行器軌跡優化自適應最優控制器，其特征在于，它由飛行器傳感器和自適應軌跡優化控制器通過數據總線相連構成。自適應軌跡優化控制器包括信息采集模塊、初始化模塊、離散化模塊、非線性規劃問題求解模塊、自適應優化模塊、結果顯示模塊。

所述高超聲速飛行器軌跡優化自適應最優控制器的運行過程如下：

步驟1)：在自適應軌跡優化控制器中輸入對應于該飛行器的約束條件；

步驟2)：高超聲速飛行器進入再入段后，開啟飛行器傳感器，得到高超聲速飛行器當前的海拔高度、速度、飛行航道傾角和飛行水平距離狀態信息；

步驟3)：自適應軌跡優化控制器根據設定的海拔高度、速度、飛行航道傾角要求執行內部的自適應優化算法，得到使高超聲速飛行器水平飛行距離最長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海拔高度、速度、飛行航道傾角和飛行水平距離狀態信息；

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、攻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；

步驟3.4)：通過非線性規劃問題求解模塊8獲得所需的攻角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。對于某一次迭代得到的攻角控制量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)：對得到的控制向量u^(k)(t)和狀態向量x^(k)(t)進行分析，收斂性條件滿足，將攻角控制量u^(k)(t)作為指令輸出作為優化軌跡；否則執行下一步自適應優化模塊處理。

步驟3.6)：用于將獲得的優化軌跡作為指令輸出到結果顯示模塊，轉換為控制指令發送給攻角控制器，完成軌跡優化的執行。

所述步驟3.3包括以下子步驟：

步驟3.3.1)：將攻角控制量u(t)、狀態軌跡x(t)采用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，φ(t)表示插值公式，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：

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、約束等用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。

所述步驟3.4包括以下子步驟：

步驟3.4.1)：將攻角控制量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，將本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)。

所述步驟3.5包括以下子步驟：

步驟3.5.1)：由以下公式計算網格節點處的負靈敏度和正靈敏度

其中，u_l表示控制策略在第l個參數化分段上的參數化表示，u_l+1表示控制策略在第l+1個參數化分段上的參數化表示，τ_l-1表示u_l-1和u_l之間的網格節點，τ_l表示u_l和u_l+1之間的網格節點，τ_l+1表示u_l+1和u_l+2之間的網格節點。

步驟3.5.2)：當網格節點τ_l處的正靈敏度和網格節點τ_l+1處的負靈敏度滿足

其中，ε_s是閾值下界，若

則選擇網格節點τ_l作為待優化的節點，否則，選擇選擇網格節點τ_l+1作為待優化的節點。

步驟3.5.3)：若網格節點τ_l處的正負靈敏度滿足如下要求，則從網格中剔除該節點：

其中，ε_e是閾值上界。網格節點τ_l剔除后，u_l和u_l+1所對應的網格合并為一個新的網格，其上的參數更新為(u_l+u_l+1)/2。

步驟3.5.4)：若網格節點τ_l處的正負靈敏度滿足：

則在[τ_l-1,τ_l]上插入網格節點，否則，在[τ_l-1,τ_l]上插入網格節點。

步驟3.5.5)：根據步驟3.5.3)和3.5.4)中剔除和插入的節點，生成新的控制網格和相應的參數化向量。