高超声速飞行器周期巡航轨迹的设计和优化

发布时间：2017-10-18 19:19

  本文关键词：高超声速飞行器周期巡航轨迹的设计和优化

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【摘要】：高超声速飞行器具有飞行速度快、反应时间短、突防能力强等优点,无论在军事还是民用领域,都占据着越来越重要的地位。为了确保高超声速飞行器在巡航段完成长远距离的飞行任务,本文针对高超声速飞行器动力学模型,设计巡航段周期轨迹的优化和跟踪方案。相比于稳态巡航轨迹,周期巡航方案具有燃料更省、设计灵活、形式多样等优势。首先基于任务背景和巡航要求,选择高超声速飞行器乘波体外形作为研究对象,采用外形参数化建模方法,提取飞行器的几何外形特征,建立飞行器的气动力模型、俯仰力矩模型和发动机推力模型,得到完整的高超声速飞行器纵向动力学方程,仿真对比分析两套模型的气动特性,得出符合周期巡航轨迹的总体参数特征。接着研究高超声速飞行器巡航轨迹的优化设计方案。分别描述和设计稳态巡航轨迹和周期巡航轨迹,将轨迹优化问题转化为求解约束条件下的最优控制问题,采用高斯伪谱法(GPM)和序列二次规划(SQP)算法进行优化求解。两种模型仿真结果体现出周期轨迹方案的优越性,并进一步从巡航高度、任务规划、推进系统等角度对比分析不同因素对飞行轨迹设计的影响。其次针对高超声速飞行器巡航轨迹的跟踪问题,提出一种基于线性二次调节器(LQR)方法的纵向轨迹跟踪控制设计方法,并在初始偏差、气动参数误差及质量变化等多种情况下验证了高超声速飞行器跟踪控制器具有良好的性能。最后对主要的研究成果进行了总结,并给出下一步研究方向的建议。
【关键词】：高超声速飞行器 参数建模 周期巡航 轨迹优化 高斯伪谱法 轨迹跟踪
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V221
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-11
• 注释表11-12
• 缩略词12-13
• 第一章 绪论13-21
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义13-14
• 1.2 高超声速飞行器的发展现状14-16
• 1.2.1 国外发展现状14-16
• 1.2.2 国内发展现状16
• 1.3 轨迹优化和制导技术研究现状16-19
• 1.3.1 轨迹优化研究现状16-18
• 1.3.2 制导技术研究现状18-19
• 1.4 本文的主要工作19-21
• 第二章 高超声速飞行器巡航段模型的建立21-32
• 2.1 引言21-22
• 2.2 高超声速飞行器经典模型22-23
• 2.3 外形参数化建立模型的方法概述23-27
• 2.3.1 几何外形参数建模23-24
• 2.3.2 气动参数求解24-26
• 2.3.3 推进系统建立26-27
• 2.4 高超声速飞行器巡航段模型27
• 2.5 高超声速飞行器气动特性仿真27-30
• 2.6 高超声速飞行器模型分析30-31
• 2.7 本章小结31-32
• 第三章 高超声速飞行器巡航段轨迹优化32-59
• 3.1 引言32
• 3.2 轨迹优化问题描述32-33
• 3.3 轨迹优化方案设计33-36
• 3.3.1 稳态巡航飞行方案设计33-34
• 3.3.2 周期巡航飞行方案设计34-36
• 3.4 轨迹优化算法选择36-41
• 3.4.1 伪谱法基本原理37-38
• 3.4.2 NLP问题的求解38-39
• 3.4.3 初值选取和分段约束39-41
• 3.5 轨迹优化结果41-57
• 3.5.1 经典模型轨迹优化42-47
• 3.5.2 参数化模型轨迹优化47-52
• 3.5.3 改进的周期巡航轨迹52-56
• 3.5.4 结果分析56-57
• 3.6 本章小结57-59
• 第四章 高超声速飞行器巡航段轨迹跟踪59-71
• 4.1 引言59
• 4.2 巡航段的干扰因素59-60
• 4.3 巡航段轨迹跟踪设计方法60-61
• 4.3.1 标准轨道制导60-61
• 4.3.2 预测轨迹制导61
• 4.4 基于LQR的轨迹跟踪控制器61-65
• 4.4.1 LQR最优控制理论62-63
• 4.4.2 纵向轨迹模型的线性化63
• 4.4.3 基于LQR的纵向轨迹跟踪63-65
• 4.5 轨迹跟踪仿真65-70
• 4.5.1 初始偏差跟踪65-66
• 4.5.2 气动参数误差跟踪66-67
• 4.5.3 多个周期轨迹的跟踪67-70
• 4.6 本章小结70-71
• 第五章 总结与展望71-73
• 5.1 论文主要研究成果71
• 5.2 进一步研究的建议71-73
• 参考文献73-77
• 致谢77-78
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文78

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本文编号：1056680