[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

说明书

本发明公开了一种高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制器，用于对飞行器轨迹进行控制。所述的一种高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制器由飞行器飞行过程、飞行器传感器、自适应轨迹优化控制器构成。高超声速飞行器进入再入段后，自适应轨迹优化控制器自动执行内部的自适应优化算法，得到使高超声速飞行器航程最远的轨迹优化控制策略。本发明能够根据高超声速飞行器不同的海拔高度、速度、飞行航道倾角和飞行水平距离状态快速地得到轨迹优化控制策略，使高超声速飞行器获得更远航程。

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器再入段轨迹优化领域，尤其涉及一种高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制技术领域。在高超声速飞行器到达再入段后能够给出高超声速飞行器轨迹优化控制策略并转换为飞行器攻角控制指令，在满足安全要求的条件下，使高超声速飞行器获得更长的水平飞行距离。

背景技术

高超声速飞行器是飞行速度大于5Ma的临近空间飞行器，可以实现全球快速精准打击和到达任务，其相关技术受到了全球军事强国的广泛关注，已经成为了世界航空航天领域一个极其重要的发展方向。高超声速飞行器以其极高的飞行速度和大跨度的飞行距离在军事战略上具有十分重要的意义，并日益受到世界各国的高度重视。

在高超声速飞行器的研究中，轨迹优化与跟踪制导是一个意义重大的课题，特别是复杂的飞行任务要求高超声速飞行器具有自主规划轨迹的能力。对高超声速飞行器再入段轨迹优化不仅有利于提高飞行器飞行品质以满足既定任务要求，同时能够提高自主性和制导精度，近些年来一直受到国内外各军事强国的重视，是当前国内外研究的热点和难点。

高超声速飞行器实际再入段的过程中，不仅要考虑大气压强、热流量、热流密度等约束条件，还要考虑如何使再入段轨迹和各类性能指标在特定外部环境条件下达到最优，从而进一步提高高超声速飞行器的打击范围和打击精度。因此，研究高效的高超声速飞行器再入段轨迹优化方法已经成为了国内外研究的热点。

发明内容

为了使高超声速飞行器获得更远的航程，提高高超声速飞行器的打击范围，本发明的目的在于提供一种计算速度快、计算效率高、计算精度高，能够满足约束、实现最优的高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制器。该控制器借助自适应轨迹优化控制器作为最优控制方法的实现载体。高超声速飞行器再入段轨迹优化问题飞行过程可以用数学模型描述为：

其中，t表示时间，t₀表示高超声速飞行器再入段轨迹优化问题飞行过程开始时间，t_f表示高超声速飞行器再入段轨迹优化问题飞行过程结束时间，且t_f不固定；被称为状态向量，依次表示飞行器海拔高度、飞行器速度、飞行器飞行航道倾角、飞行器水平飞行距离等物理参数，n_x为状态变量的维度，这里n_x＝4。x₀是状态向量的初始值，是其一阶导数；u(t)表示高超声速飞行器的攻角控制量，为本问题的控制变量，u_l、u_u分别为其下限值和上限值；是根据能量守恒以及力学原理建立的微分方程组；G[u(t),x(t),t]是高超声速飞行器再入段过程中必须满足的不等式路径约束条件。

对于高超声速飞行器再入段过程，使航程最大的数学模型可表示为：

其中J[u(t)]表示目标函数J由攻角控制量u(t)决定。该问题本质上是一个最优控制问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高超声速飞行器轨迹优化自适应最优控制器，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：