[发明专利]一种高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制器

权利要求书

1.一种高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制器，其特征在于，它由飞行器传感器和自适应轨迹优化控制器通过数据总线相连构成。自适应轨迹优化控制器包括信息采集模块、初始化模块、离散化模块、非线性规划问题求解模块、自适应优化模块、结果显示模块。

所述高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制器的运行过程如下：

步骤1)：在自适应轨迹优化控制器中输入对应于该飞行器的约束条件；

步骤2)：高超声速飞行器进入再入段后，开启飞行器传感器，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)：自适应轨迹优化控制器根据设定的海拔高度、速度、飞行航道倾角要求执行内部的自适应优化算法，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。

所述步骤3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)：初始化模块开始运行，设置轨迹优化过程时间的离散段数、攻角控制量的初始猜测值u⁽⁰⁾(t)，设定优化精度要求tol，将迭代次数k置零；

步骤3.3)：通过离散化模块将动态运动方程组在时间轴[t₀,t_f]上全部离散；

步骤3.4)：通过非线性规划问题求解模块8获得所需的攻角控制策略和对应状态轨迹，这个过程包括多次内部迭代，每次迭代都要求解寻优方向和寻优步长，并进行寻优修正。对于某一次迭代得到的攻角控制量u^(k)(t)，如果其对应目标函数值J[u^(k)(t)]与前一次迭代的目标函数值J[u^(k-1)(t)]之差小于精度要求tol，则判断收敛性是否满足，若满足则将指令输出到结果显示模块；否则进行下一次迭代；

步骤3.5)：对得到的控制向量u^(k)(t)和状态向量x^(k)(t)进行分析，收敛性条件满足，将攻角控制量u^(k)(t)作为指令输出作为优化轨迹；否则执行下一步自适应优化模块处理。

步骤3.6)：用于将获得的优化轨迹作为指令输出到结果显示模块，转换为控制指令发送给攻角控制器，完成轨迹优化的执行。

所述步骤3.3包括以下子步骤：

步骤3.3.1)：将攻角控制量u(t)、状态轨迹x(t)采用M阶插值公式的线性组合表示，即：

其中，N是对时间区间[t₀,t_f]进行离散的段数，φ(t)表示插值公式，线性组合系数u_i,j和s_i,j分别是u(t)和x(t)在离散点t_i,j上的值。

步骤3.3.2)：由于所有插值公式的导函数表达式已知，对公式(2)进行求导：

步骤3.3.3)：将状态轨迹的微分方程组离散化代数等式形式，将其他目标函数、约束等用u_i,j和s_i,j进行离散表达，得到待求的非线性规划问题。

所述步骤3.4包括以下子步骤：

步骤3.4.1)：将攻角控制量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问题算法，构造向量空间中的一个寻优方向向d^(k-1)和步长α^(k-1)；

步骤3.4.3)：通过式u^(k)(t)＝u^(k-1)(t)+α^(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策略u^(k)(t)输出至结果显示模块；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3.4.2)。

所述步骤3.5包括以下子步骤：

步骤3.5.1)：由以下公式计算网格节点处的负灵敏度和正灵敏度

其中，u_l表示控制策略在第l个参数化分段上的参数化表示，u_l+1表示控制策略在第l+1个参数化分段上的参数化表示，τ_l-1表示u_l-1和u_l之间的网格节点，τ_l表示u_l和u_l+1之间的网格节点，τ_l+1表示u_l+1和u_l+2之间的网格节点。

步骤3.5.2)：当网格节点τ_l处的正灵敏度和网格节点τ_l+1处的负灵敏度满足

其中，ε_s是阈值下界，若

则选择网格节点τ_l作为待优化的节点，否则，选择选择网格节点τ_l+1作为待优化的节点。

步骤3.5.3)：若网格节点τ_l处的正负灵敏度满足如下要求，则从网格中剔除该节点：

其中，ε_e是阈值上界。网格节点τ_l剔除后，u_l和u_l+1所对应的网格合并为一个新的网格，其上的参数更新为(u_l+u_l+1)/2。

步骤3.5.4)：若网格节点τ_l处的正负灵敏度满足：

则在[τ_l-1,τ_l]上插入网格节点，否则，在[τ_l-1,τ_l]上插入网格节点。

步骤3.5.5)：根据步骤3.5.3)和3.5.4)中剔除和插入的节点，生成新的控制网格和相应的参数化向量。