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高超声速飞行器再入段的最优制导

作　者: 贺从园
导　师: 张卯瑞
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 线性二次型调节器高斯伪谱法轨迹优化高超声飞行器
分类号: V249
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文以X-33飞行器为研究对象,首先根据飞行器再入过程的特点,在半速度坐标系中建立了三维再入运动方程,确定以高度、经度和纬度在终点时刻的误差平方和为最小的目标函数,详细分析了再入过程中所需要满足的过载、动压及热流率约束条件,设计了以高度-速度为剖面的再入走廊。论文详细介绍了高斯伪谱法(GPM)的基本原理及特点,并且基于高斯伪谱法将研究的最优控制问题成功转化成非线性规划问题,通过实例仿真分析了该优化算法的收敛速度、精度以及实时性。在采用高斯伪谱法(GPM)进行飞行器轨迹优化设计时,结合仿真数据得出了不同情况下的航向角,航迹角、经度及纬度等状态变量的变化曲线,以及在终端时刻的落点误差数据,通过仿真分析了初值估计、配置点个数等因素对轨迹优化的影响。本文通过仿真分析了存在初始误差和气动系数误差情况下的落点误差,结合仿真数据得出了两种情况下的实际轨迹曲线与参考轨迹曲线,最终采用线性二次型调节器(LQR)对参考轨迹进行跟踪,并通过仿真分析了其鲁棒性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题的来源、背景及其理论意义  8-9
    1.1.1 高超声速飞行器发展现状  8
    1.1.2 高超声速飞行器再入段的特点  8-9
  1.2 优化与制导技术研究现状  9-12
    1.2.1 优化方法的研究现状  9-11
    1.2.2 再入制导方法的研究  11-12
  1.3 论文的主要研究内容  12-14
第2章飞行器再入数学模型  14-24
  2.1 引言  14
  2.2 再入运动模型的建立  14-18
  2.3 目标函数的建立及约束条件  18-23
    2.3.1 状态空间模型  18
    2.3.2 目标函数的建立  18-19
    2.3.3 约束条件描述  19-21
    2.3.4 再入走廊的建立  21-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章基于高斯伪谱法的最优控制问题描述  24-35
  3.1 引言  24
  3.2 伪谱法的基本原理  24-26
    3.2.1 伪谱法的分类  24-25
    3.2.2 LG,LGR 和LGL 配置点  25-26
  3.3 高斯伪谱法的误差及收敛速度分析  26-31
  3.4 最优控制问题的描述  31-34
    3.4.1 连续的Bolza 问题  31-32
    3.4.2 连续的Bolza 问题通过高斯伪谱法进行离散化  32-34
  3.5 本章小结  34-35
第4章高超声速飞行器再入轨迹优化  35-55
  4.1 引言  35
  4.2 最大侧向航程的轨迹优化  35-51
    4.2.1 初值估计对轨迹优化的影响  36-42
    4.2.2 GPM 配置点个数对轨迹优化的影响  42-44
    4.2.3 改进的初值估计和配置点个数对轨迹优化的作用  44-47
    4.2.4 控制变量对轨迹优化的影响  47-49
    4.2.5 地球自转对轨迹优化的影响  49-51
  4.3 最小落点误差的轨迹优化  51-53
  4.4 本章小结  53-55
第5章制导律的设计  55-73
  5.1 引言  55
  5.2 参数的敏感性  55-61
    5.2.1 模型的误差  55-58
    5.2.2 升力系数和阻力系数的影响  58-60
    5.2.3 初始误差对轨迹曲线的影响  60-61
  5.3 线性二次型调节器（LQR）最优控制  61-66
    5.3.1 非线性微分方程的线性化  61-64
    5.3.2 线性二次型调节器（LQR）的问题描述  64-66
  5.4 轨迹跟踪控制器的设计  66-71
    5.4.1 初始条件误差轨迹跟踪效果分析  67-69
    5.4.2 气动系数误差轨迹跟踪效果分析  69-71
  5.5 本章小结  71-73
结论  73-74
参考文献  74-78
致谢  78

高超声速飞行器再入段的最优制导

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