本文關(guān)鍵詞：運(yùn)載器大氣層內(nèi)上升段軌跡快速優(yōu)化方法研究

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【摘要】：快速、自主、低成本、高可靠性、機(jī)動(dòng)靈活是當(dāng)前及未來先進(jìn)運(yùn)載器的發(fā)展目標(biāo)。傳統(tǒng)運(yùn)載器大氣層內(nèi)上升段采用的開環(huán)制導(dǎo)方案存在設(shè)計(jì)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、不能處理緊急發(fā)射任務(wù)、任務(wù)適應(yīng)性低、自主性與抗干擾能力差、制導(dǎo)精度低等缺點(diǎn),不能滿足先進(jìn)運(yùn)載器的發(fā)展需求。基于軌跡快速優(yōu)化算法的軌跡在線規(guī)劃與閉環(huán)制導(dǎo)是最具潛力和具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值的運(yùn)載器大氣層內(nèi)制導(dǎo)方案,其不僅能解決開環(huán)制導(dǎo)的諸多問題,相關(guān)技術(shù)還能應(yīng)用于標(biāo)稱軌跡的快速設(shè)計(jì)與運(yùn)載器的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)上。本文以提高算法的可靠性、快速性、精確性與通用性為目標(biāo),研究了多種運(yùn)載器大氣層內(nèi)上升段的軌跡快速優(yōu)化方法,并將其應(yīng)用于軌跡在線規(guī)劃與閉環(huán)制導(dǎo)中。主要的研究?jī)?nèi)容包括:基于改進(jìn)間接法的軌跡快速優(yōu)化方法。對(duì)當(dāng)前研究較多的間接法進(jìn)行改進(jìn),以提升算法的求解性能。首先基于最優(yōu)控制問題的一階必要條件將帶有路徑約束的運(yùn)載器大氣層內(nèi)三維上升軌跡優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為Hamiltonian兩點(diǎn)邊值問題,并采有限差分法進(jìn)行求解。然后聯(lián)合采用改進(jìn)牛頓迭代法、真空解快速初值及參數(shù)同倫算法,解決初值猜測(cè)與算法收斂困難的問題。其次,采用了一種多層次快速求解策略,提升了算法的求解速度,并進(jìn)一步保證了在進(jìn)行大規(guī)模離散區(qū)間的高精度求解時(shí)算法仍能可靠收斂。最后對(duì)算法的求解精度、求解效率、最優(yōu)性與任務(wù)適應(yīng)性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證�；谡齽t攝動(dòng)法的準(zhǔn)最優(yōu)軌跡快速優(yōu)化方法。為了避免間接法通過增加離散區(qū)間數(shù)目、降低求解速度來獲得更高的求解精度的缺陷,利用正則攝動(dòng)法在求解最優(yōu)控制問題上的效率優(yōu)勢(shì)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器大氣層內(nèi)上升段準(zhǔn)最優(yōu)三維軌跡的快速與高精度求解。該方法將上升軌跡的最優(yōu)控制模型轉(zhuǎn)化成基于配點(diǎn)法的準(zhǔn)最優(yōu)零階問題模型與對(duì)配點(diǎn)誤差修正與補(bǔ)償?shù)母唠A問題模型分別求解。為了提高零階問題的求解效率,采用基于真空解析解與大氣作用數(shù)值解的混合求解算法,并提出了一種多目標(biāo)分步迭代快速求解策略。針對(duì)高階模型的微分方程組推導(dǎo)復(fù)雜及狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣獲取困難的問題,采用了一種基于預(yù)先計(jì)算高階問題微分方程模型的數(shù)值積分配點(diǎn)求解算法進(jìn)行求解。基于改進(jìn)Gauss偽譜法與間接法的高精度快速混合優(yōu)化方法。針對(duì)間接法與正則攝動(dòng)法在求解精度、最優(yōu)性與求解效率相沖突的問題,提出采用改進(jìn)的Gauss偽譜法求解基于間接法推導(dǎo)出的Hamiltonian兩點(diǎn)邊值問題的混合優(yōu)化方法。在將兩點(diǎn)邊值問題模型轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組約束的過程中,同時(shí)對(duì)協(xié)態(tài)變量與狀態(tài)變量進(jìn)行離散,使用統(tǒng)一的插值函數(shù),并在Gauss求積公式中采用全局插值多項(xiàng)式的導(dǎo)數(shù)替代微分方程系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明,混合優(yōu)化算法的求解效率、求解精度與最優(yōu)性能指標(biāo)均優(yōu)于改進(jìn)間接法與正則攝動(dòng)法。以實(shí)現(xiàn)軌跡在線規(guī)劃與閉環(huán)制導(dǎo)為目的,研究了一種基于非線性規(guī)劃的通用軌跡在線優(yōu)化方法。針對(duì)基于極大值原理求解最優(yōu)上升軌跡的改進(jìn)間接法、正則攝動(dòng)法、混合優(yōu)化算法存在推導(dǎo)復(fù)雜、不能適用于其它飛行段的制導(dǎo)任務(wù)及非線性規(guī)劃法存在求解效率低的應(yīng)用瓶頸等問題,研究基于非線性規(guī)劃的通用軌跡在線優(yōu)化算法。算法聯(lián)合運(yùn)用了在線飛行路徑預(yù)測(cè)、兩步MGPA非線性規(guī)劃算法、指令參數(shù)化與路徑約束控制等方法。為了滿足制導(dǎo)的實(shí)時(shí)性要求,設(shè)計(jì)指令參數(shù)化模型以減小控制變量的求解規(guī)模,同時(shí)通過應(yīng)用路徑約束控制策略使得軌跡在線優(yōu)化模型不考慮路徑約束,采用兩步MGPA算法進(jìn)行快速迭代求解。仿真驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性�；谲壽E快速優(yōu)化的運(yùn)載器大氣層內(nèi)上升段閉環(huán)制導(dǎo)應(yīng)用研究。在實(shí)現(xiàn)運(yùn)載器大氣層內(nèi)上升段軌跡快速優(yōu)化的基礎(chǔ)上,根據(jù)工程上對(duì)實(shí)時(shí)性與飛行安全的嚴(yán)格要求,進(jìn)一步給出基于軌跡快速優(yōu)化算法的軌跡在線規(guī)劃與閉環(huán)制導(dǎo)策略,包括合理選擇軌跡在線規(guī)劃周期、合理選取求解變量數(shù)目、在線串行優(yōu)化、自適應(yīng)反饋更新、強(qiáng)路徑約束與導(dǎo)引指令變化率約束等策略。采用改進(jìn)間接法、正則攝動(dòng)法、混合優(yōu)化法、非線性規(guī)劃算法進(jìn)行了無故障及發(fā)動(dòng)機(jī)故障條件下的蒙特卡洛打靶制導(dǎo)仿真,驗(yàn)證了基于軌跡快速優(yōu)化的閉環(huán)制導(dǎo)方法的高精度自主制導(dǎo)、可靠收斂、滿足實(shí)時(shí)性與路徑約束要求、故障條件下的軌跡在線重構(gòu)等能力。論文探索了新的運(yùn)載器大氣層內(nèi)軌跡快速優(yōu)化方法及其在閉環(huán)制導(dǎo)上的應(yīng)用,研究成果對(duì)先進(jìn)運(yùn)載器的總體設(shè)計(jì)與先進(jìn)制導(dǎo)方案有一定的借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】：運(yùn)載器 大氣層內(nèi) 軌跡快速優(yōu)化 閉環(huán)制導(dǎo) 改進(jìn)間接法 正則攝動(dòng)法 混合優(yōu)化法 非線性規(guī)劃
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 緒論15-35
• 1.1 研究背景與意義15-17
• 1.2 運(yùn)載器發(fā)展概況17-23
• 1.3 運(yùn)載器大氣層內(nèi)軌跡快速優(yōu)化與閉環(huán)制導(dǎo)方法研究現(xiàn)狀23-31
• 1.3.1 運(yùn)載器大氣層內(nèi)軌跡快速優(yōu)化技術(shù)23-27
• 1.3.2 運(yùn)載器大氣層內(nèi)軌跡在線規(guī)劃與閉環(huán)制導(dǎo)方法27-30
• 1.3.3 運(yùn)載器大氣層內(nèi)軌跡跟蹤制導(dǎo)方法30-31
• 1.4 論文的組織結(jié)構(gòu)與主要研究?jī)?nèi)容31-35
• 第2章 運(yùn)載器大氣層內(nèi)上升段運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型35-44
• 2.1 引言35
• 2.2 坐標(biāo)系定義及轉(zhuǎn)換關(guān)系35-38
• 2.2.1 坐標(biāo)系定義35-36
• 2.2.2 表征各坐標(biāo)系空間方位關(guān)系的角度定義36
• 2.2.3 各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系36-38
• 2.3 運(yùn)載器上升運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型38-43
• 2.3.1 矢量形式質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程38-39
• 2.3.2 發(fā)射慣性坐標(biāo)系下空間動(dòng)力學(xué)方程39-41
• 2.3.3 補(bǔ)充方程41-43
• 2.4 運(yùn)載器無量綱化運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型43
• 2.5 本章小結(jié)43-44
• 第3章 基于改進(jìn)間接法的軌跡快速優(yōu)化方法44-67
• 3.1 引言44
• 3.2 運(yùn)載器大氣層內(nèi)最優(yōu)上升軌跡問題模型44-46
• 3.3 基于間接法的大氣層內(nèi)最優(yōu)解46-53
• 3.3.1 無路徑約束的最優(yōu)解46-52
• 3.3.2 考慮路徑約束的最優(yōu)解52-53
• 3.3.3 Hamiltonian兩點(diǎn)邊值問題模型53
• 3.4 有限差分與改進(jìn)牛頓迭代數(shù)值求解算法53-55
• 3.4.1 中心有限差分法53-54
• 3.4.2 帶松弛因子的改進(jìn)牛頓迭代算法54-55
• 3.4.3 關(guān)機(jī)時(shí)間搜索算法55
• 3.5 初值估計(jì)及參數(shù)同倫算法55-57
• 3.5.1 真空解快速初值55-56
• 3.5.2 參數(shù)同倫算法56-57
• 3.6 多層次快速求解策略57-59
• 3.7 仿真驗(yàn)證與分析59-65
• 3.7.1 算法精度與效率仿真分析59-63
• 3.7.2 不同情況下的適應(yīng)性仿真分析63-65
• 3.8 本章小結(jié)65-67
• 第4章 基于正則攝動(dòng)法的軌跡快速優(yōu)化方法67-92
• 4.1 引言67
• 4.2 最優(yōu)控制問題的正則攝動(dòng)求解方法67-75
• 4.2.1 攝動(dòng)法簡(jiǎn)介67-69
• 4.2.2 常規(guī)正則攝動(dòng)模型展開求解69-73
• 4.2.3 基于配點(diǎn)法的正則攝動(dòng)模型展開求解73-75
• 4.3 基本模型的正則攝動(dòng)求解方法研究75-83
• 4.3.1 常規(guī)正則攝動(dòng)展開模型75-78
• 4.3.2 基于配點(diǎn)法的正則攝動(dòng)展開模型78-80
• 4.3.3 半解析/配點(diǎn)高精度正則攝動(dòng)展開模型80-82
• 4.3.4 改進(jìn)的半解析/配點(diǎn)正則攝動(dòng)展開模型82-83
• 4.4 運(yùn)載器大氣層內(nèi)最優(yōu)上升軌跡快速求解應(yīng)用83-88
• 4.4.1 基于配點(diǎn)法的正則攝動(dòng)展開模型83-84
• 4.4.2 零階問題解析/數(shù)值混合求解算法84-86
• 4.4.3 一階問題模型及改進(jìn)求解算法86-88
• 4.5 仿真驗(yàn)證與分析88-91
• 4.6 本章小結(jié)91-92
• 第5章 高精度混合優(yōu)化算法與通用NLP優(yōu)化方法92-107
• 5.1 引言92
• 5.2 基于Gauss偽譜法與間接法的高精度混合優(yōu)化算法92-98
• 5.2.1 間接法與正則攝動(dòng)法存在問題分析92
• 5.2.2 改進(jìn)Gauss偽譜法求解Hamiltonian兩點(diǎn)邊值問題92-94
• 5.2.3 仿真分析94-98
• 5.3 基于NLP的通用軌跡在線優(yōu)化方法98-106
• 5.3.1 基于NLP的通用軌跡在線優(yōu)化與自主制導(dǎo)概念98-99
• 5.3.2 制導(dǎo)指令參數(shù)化與路徑約束控制99-101
• 5.3.3 MGPA優(yōu)化算法101-102
• 5.3.4 仿真分析102-106
• 5.4 本章小結(jié)106-107
• 第6章 基于軌跡快速優(yōu)化的運(yùn)載器閉環(huán)制導(dǎo)應(yīng)用研究107-121
• 6.1 引言107
• 6.2 軌跡在線規(guī)劃與閉環(huán)制導(dǎo)策略107-109
• 6.3 標(biāo)稱制導(dǎo)仿真驗(yàn)證與分析109-116
• 6.3.1 地球扁率干擾制導(dǎo)仿真109-111
• 6.3.2 蒙特卡洛打靶仿真111-116
• 6.4 故障條件下軌跡在線重構(gòu)與閉環(huán)制導(dǎo)仿真驗(yàn)證與分析116-120
• 6.4.1 基于混合優(yōu)化法的軌跡在線重構(gòu)與閉環(huán)制導(dǎo)仿真116-118
• 6.4.2 基于NLP算法的軌跡在線重構(gòu)與閉環(huán)制導(dǎo)仿真118-120
• 6.5 本章小結(jié)120-121
• 結(jié)論121-123
• 參考文獻(xiàn)123-133
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果133-135
• 致謝135-136
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷136

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本文編號(hào)：947596