控制约束下的高超声速飞行器爬升轨迹设计与优化

摘要

高超声速飞行器是一类具有广阔应用前景的新型飞行器，近年来得到了迅速的发展，其高速度、远航程以及强机动特性给轨迹设计、优化和制导系统提出了新的要求。基于此背景，本文主要研究了控制受限下的高超声速飞行器爬升段轨迹的快速设计分析、优化与跟踪控制问题。
　　首先，基于任务背景，选择了乘波体外形的高超声速飞行器，通过参数化建模的方法描述其几何外形特征，并运用工程估算的方法近似获得飞行器的气动力和推力，构建完整的高超声速飞行器纵向运动模型，分析飞行器的动力学特性。进而，在定动压和定马赫数约束条件下，设计出飞行器大包线变化范围内的爬升轨迹。
　　接着，基于牛顿迭代法提出了一种改进的高超声速飞行器轨迹逆实现算法，能够依据参考飞行轨迹，解算出所需的实际控制量。进而运用该算法分析高超声速飞行器定动压爬升轨迹，同时结合输入受限的控制约束条件，确定动压的可行域，作为后续轨迹优化设计的动压约束条件。
　　随后，采用高斯伪谱法（ Gauss Pseudo-spectral Method， GPM）和序列二次规划算法(Sequential Quadratic Programming，SQP)得到了高超声速飞行器给定动压条件下的优化轨迹，并与轨迹逆实现算法所得结果进行对比分析，验证了设计的有效性。进而，针对轨迹终端固定的情形，依据动压约束条件，确定了轨迹优化的起始点，并应用高斯伪谱法获得了控制约束条件下的高超声速飞行器最优爬升轨迹。
　　最后，针对最优爬升轨迹，采用线性二次调节器理论（Linear Quadratic Regulator，LQR）设计高超声速飞行器轨迹跟踪控制器。进而，分别在存有初值误差和气动参数误差的不确定条件下，运用仿真分析实现对爬升优化轨迹和定动压轨迹的有效跟踪，仿真结果表明所设计的控制器具有良好的轨迹跟踪能力，同时亦能抑制不确定因素所带来的扰动影响。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究的背景与意义

1.2高超声速飞行器发展现状

1.3高超声速飞行器轨迹研究现状

1.4本文主要工作

第二章 高超声速飞行器模型的建立与分析

2.1引言

2.2高超声速飞行器模型描述

2.3高超声速飞行器动力学建模

2.4高超声速飞行器动力学特性分析

2.5本章小结

第三章 高超声速飞行器爬升段轨迹设计

3.1引言

3.2爬升段轨迹模型

3.3定动压爬升

3.4定动压爬升轨迹设计

3.5定马赫数爬升

3.6本章小结

第四章 控制约束下高超声速飞行器轨迹可行性分析

4.1引言

4.2轨迹逆实现算法概述

4.3高超声速飞行器轨迹逆实现

4.4仿真分析

4.5本章小结

第五章 控制约束下的高超声速飞行器爬升段轨迹优化

5.1引言

5.2爬升段轨迹优化问题描述

5.3 轨迹优化算法选择

5.4 轨迹优化实现

5.5 最优轨迹逆实现

5.6 本章小结

第六章 高超声速飞行器爬升段轨迹跟踪

6.1 引言

6.2 爬升段干扰因素分析

6.3 轨迹跟踪控制器设计

6.4 跟踪仿真结果分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文主要研究成果

7.2进一步研究的建议

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文