[发明专利]非平稳高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制系统

权利要求书

1.一种非平稳高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制系统，其特征在于，它由飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器、飞行器水平飞行距离传感器、飞行器微控制单元MCU、飞行器攻角控制器构成；所述飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器、飞行器水平飞行距离传感器、飞行器攻角控制器均通过数据总线与飞行器微控制单元MCU连接，所述飞行器微控制单元MCU由信息采集模块、初始化模块、常微分方程组离散化模块、非线性规划问题求解模块、自适应模块和控制指令输出模块依次相连组成；

所述非平稳高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制系统运行过程如下：

步骤1：在飞行器微控制单元MCU中输入对应于该飞行器的气动系数模型、飞行器性能约束条件、指定优化目标；

步骤2：高超声速飞行器到达再入段后，开启飞行器海拔高度传感器、飞行器速度传感器、飞行器飞行航道倾角传感器和飞行器水平飞行距离传感器，得到高超声速飞行器当前的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平距离状态信息；

步骤3：飞行器微控制单元MCU根据设定的海拔高度、速度、飞行航道倾角要求执行内部状态变量参数化优化算法，得到使高超声速飞行器水平飞行距离最长的轨迹优化控制策略；

该步骤具体包括以下子步骤：

步骤3.1：信息采集模块获取步骤2得到的高超声速飞行器当前的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平距离状态信息；

步骤3.2：初始化模块设置轨迹优化过程时间的离散段数、攻角控制向量的初始猜测值u⁽⁰⁾(t)，设定优化精度要求tol，将迭代次数k置零；

步骤3.3：常微分方程组离散化模块将常微分方程组在时间轴[t₀,t_f]上全部离散；

步骤3.4：非线性规划问题求解模块依次进行寻优方向求解、寻优步长求解、寻优修正，获得攻角控制向量u^(k)(t)和状态变量x^(k)(t)，然后对得到攻角控制向量u^(k)(t)和状态变量x^(k)(t)进行非线性规划收敛性判断，若收敛性条件满足，将攻角控制向量u^(k)(t)经自适应模块处理后作为轨迹优化控制指令；否则由自适应模块处理；

步骤4：飞行器微控制单元MCU将获得的轨迹优化控制指令转换为控制指令发送给飞行器攻角控制器执行；

所述步骤3.3包括如下子步骤：

步骤3.3.1：将攻角控制向量u^(k)(t)、状态变量x(t)采用如下插值公式进行离散化，即：

其中N是对时间区间[t₀,t_f]进行离散的段数，M_i为第i段上的配置点数量，α(t)和β(t)满足和离散化系数u_i,j和s_i,j分别是u(t)和x(t)在配置点t_i,j上的值，s'_i,j为在配置点t_i,j上的值，由具体的状态方程通过u(t)和x(t)确定，满足s'_i,j＝f(u_i,j,s_i,j,t_i,j)，其中f为状态方程；

步骤3.3.2：增加非配置点处的非均匀分布检测点为第i段上的检测点数量；由步骤3.3.1确定检测点处的控制变量值和状态变量值，通过状态方程得到检测点处导数值的第一种表示另一方面通过公示(2)的导数表达式得到检测点处导数值的第二种表示：

将作为新的约束以使得状态变量离散化在检测点处符合状态方程，以得到更高的求解精度；

所述步骤3.4包括如下子步骤：

步骤3.4.1：将攻角控制向量u^(k-1)(t)作为向量空间中的某个点，记作P₁，P₁对应的目标函数值就是J[u^(k-1)(t)]；

步骤3.4.2：从点P₁出发，根据选用的非线性规划算法，构造向量空间中的一个寻优方向d^(k-1)和步长λ^(k-1)；

步骤3.4.3：通过式u^(k)(t)＝u^(k-1)(t)+λ^(k-1)d^(k-1)构造向量空间中对应u^(k)的另外一个点P₂，使得P₂对应的目标函数值J[u^(k)(t)]比J[u^(k-1)(t)]更优；

步骤3.4.4：采用寻优校正u^(k)(t)，得到校正后的点记为点P₃，同时令使得P₃对应的目标函数值J[u^(k)(t)]比J[u^(k-1)(t)]更优；

步骤3.4.5：如果本次迭代的目标函数值J[u^(k)(t)]与上一次迭代的目标函数值J[u^(k-1)(t)]的绝对值之差小于精度tol，则判断收敛性满足，将本次迭代得到的控制指令u^(k)(t)输出至控制指令输出模块；如果收敛性不满足，迭代次数k增加1，将u^(k)(t)设置为初始值，继续执行步骤3.4.5；

所述步骤3.4中，所述自适应模块处理包括以下子步骤：

步骤A：设置初始条件u₀，初始时间节点分布T₀，设置目标函数的容许误差ε_J，最大迭代次数l_max，消除准则常数ε_min，细化准则常数ε_max；设置l:＝0；

步骤B：在时间分段T_l采用非线性规划求解模块进行求解，得到当前优化后的控制变量u_l和对应的时间节点分布T_l，l为0或满足终止条件转到步骤C，否则转到步骤D；

步骤C：通过EMD分解获得IMF函数对于时间分段分布T_l，若则对对应时间节点进行消除，减少时间节点数，若则对对应时间节点进行细化，增加时间节点数，得到新的时间节点分布T_l+1，由插值获得对应新时间节点的控制变量集u_l+1；设置l:＝l+1，若l＜l_max返回步骤B，将T_l+1和u_l+1作为第l+1次迭代时非线性规划求解模块的初值，否则转到步骤D；

步骤D：自适应停止，并输出u^*＝u_l和J^*＝J[u_l]。