[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

本發明公開了一種高超聲速飛行器軌跡優化自適應最優控制器，用于對飛行器軌跡進行控制。所述的一種高超聲速飛行器軌跡優化自適應最優控制器由飛行器飛行過程、飛行器傳感器、自適應軌跡優化控制器構成。高超聲速飛行器進入再入段后，自適應軌跡優化控制器自動執行內部的自適應優化算法，得到使高超聲速飛行器航程最遠的軌跡優化控制策略。本發明能夠根據高超聲速飛行器不同的海拔高度、速度、飛行航道傾角和飛行水平距離狀態快速地得到軌跡優化控制策略，使高超聲速飛行器獲得更遠航程。

技術領域

本發明涉及高超聲速飛行器再入段軌跡優化領域，尤其涉及一種高超聲速飛行器軌跡優化自適應最優控制技術領域。在高超聲速飛行器到達再入段后能夠給出高超聲速飛行器軌跡優化控制策略并轉換為飛行器攻角控制指令，在滿足安全要求的條件下，使高超聲速飛行器獲得更長的水平飛行距離。

背景技術

高超聲速飛行器是飛行速度大于5Ma的臨近空間飛行器，可以實現全球快速精準打擊和到達任務，其相關技術受到了全球軍事強國的廣泛關注，已經成為了世界航空航天領域一個極其重要的發展方向。高超聲速飛行器以其極高的飛行速度和大跨度的飛行距離在軍事戰略上具有十分重要的意義，并日益受到世界各國的高度重視。

在高超聲速飛行器的研究中，軌跡優化與跟蹤制導是一個意義重大的課題，特別是復雜的飛行任務要求高超聲速飛行器具有自主規劃軌跡的能力。對高超聲速飛行器再入段軌跡優化不僅有利于提高飛行器飛行品質以滿足既定任務要求，同時能夠提高自主性和制導精度，近些年來一直受到國內外各軍事強國的重視，是當前國內外研究的熱點和難點。

高超聲速飛行器實際再入段的過程中，不僅要考慮大氣壓強、熱流量、熱流密度等約束條件，還要考慮如何使再入段軌跡和各類性能指標在特定外部環境條件下達到最優，從而進一步提高高超聲速飛行器的打擊范圍和打擊精度。因此，研究高效的高超聲速飛行器再入段軌跡優化方法已經成為了國內外研究的熱點。

發明內容

為了使高超聲速飛行器獲得更遠的航程，提高高超聲速飛行器的打擊范圍，本發明的目的在于提供一種計算速度快、計算效率高、計算精度高，能夠滿足約束、實現最優的高超聲速飛行器軌跡優化自適應最優控制器。該控制器借助自適應軌跡優化控制器作為最優控制方法的實現載體。高超聲速飛行器再入段軌跡優化問題飛行過程可以用數學模型描述為：

其中，t表示時間，t₀表示高超聲速飛行器再入段軌跡優化問題飛行過程開始時間，t_f表示高超聲速飛行器再入段軌跡優化問題飛行過程結束時間，且t_f不固定；被稱為狀態向量，依次表示飛行器海拔高度、飛行器速度、飛行器飛行航道傾角、飛行器水平飛行距離等物理參數，n_x為狀態變量的維度，這里n_x＝4。x₀是狀態向量的初始值，是其一階導數；u(t)表示高超聲速飛行器的攻角控制量，為本問題的控制變量，u_l、u_u分別為其下限值和上限值；是根據能量守恒以及力學原理建立的微分方程組；G[u(t),x(t),t]是高超聲速飛行器再入段過程中必須滿足的不等式路徑約束條件。

對于高超聲速飛行器再入段過程，使航程最大的數學模型可表示為：

其中J[u(t)]表示目標函數J由攻角控制量u(t)決定。該問題本質上是一個最優控制問題。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種高超聲速飛行器軌跡優化自適應最優控制器，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：