升力式再入飞行器轨迹优化与制导技术研究

发布时间：2017-09-24 04:01

  本文关键词：升力式再入飞行器轨迹优化与制导技术研究

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【摘要】：升力式再入飞行器以远距离打击、高突防能力等显著特点,逐渐成为研究的热点,本文旨在解决飞行器滑翔段轨迹优化与制导设计关键问题,开展弹道优化技术研究与再入段制导律研究。主要研究内容包含以下两方面:第一,开展飞行器多约束下的轨迹优化技术研究:本文针对三维空间的打击任务,建立半速度坐标系下的六自由度再入运动方程。考虑飞行器滑翔飞行的任务需求以及飞行器轨迹设计的约束条件,包括动压、过载、热流及拟平衡滑翔等过程约束、终端约束以及控制量约束,确定飞行器安全再入走廊变界。建立升力式飞行器滑翔段轨迹优化问题数学描述,开展基于高斯伪谱法的轨迹优化研究,分别计算得到了满足最大射程、平衡滑翔约束条件下的最优弹道,并对飞行器飞行性能进行了分析。为提高弹道优化效率,采用规划与优化相结合的思想,针对带有固定末速的轨迹优化问题开展研究。利用贝塞尔曲线表征飞行路径,得到空间内满足端点位置与角度约束光滑可飞的三维轨迹。进一步通过逆动力学方法得到路径信息与控制量及速度的关系,将无限维的飞行器轨迹优化问题转化为较少的曲线造型参数优化问题,得到满足路径约束的可行弹道,实现快速优化。利用优化得到的参数与实时飞行器状态设计制导律,通过逆动力学反推即时控制量指令,能够以期望末速实现精确再入。第二,为保证滑翔段安全飞行、减轻俯冲段制导压力,实现高精度再入制导,本文开展标准轨迹跟踪制导律研究。针对常规状态相关Riccati方程(SDRE)制导律的动态响应问题,本文在常规SDRE性能指标中引入导数项得到改进SDRE跟踪制导律,该方法能够有效改善系统的动态响应特性,在保证较小超调量的同时加快了收敛速度。进一步针对该方法的高敏感性问题,引入积分滑模,设计最优积分滑模跟踪制导律,在获取最优性能的同时提高了系统的鲁棒性。针对改进SDRE控制解算困难,对模型要求较高等问题,本文开展了时变滑模跟踪制导律研究。采用指数时变滑模设计滑翔段跟踪制导律实现对标称轨迹的精确跟踪,同时确保了了全局滑模;针对切换增益参数取值的权衡问题,采用自适应算法对滑模切换增益实现在线调节,在保证跟踪精度的前提下解决了由于取值保守带来的控制抖振现象。针对自适应指数时变滑模难以保证系统误差有限设定时间收敛的问题,设计自适应多项式型有限时间时变滑模,建立了全局滑模动态,能得到解析的状态变化轨迹,实现了误差在设定时间的收敛。
【关键词】：升力式再入飞行器 轨迹优化 逆动力学 贝塞尔曲线 跟踪制导律 SDRE 滑模控制 全局滑模 有限时间收敛
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 本论文研究的目的和意义12-13
• 1.2 再入飞行器轨迹优化技术综述13-19
• 1.2.1 轨迹优化问题转换方法概述14-18
• 1.2.2 参数优化数值方法概述18-19
• 1.3 再入飞行器制导方法国内外研究进展19-24
• 1.3.1 标准轨迹制导律20-22
• 1.3.2 预测-校正制导22-23
• 1.3.3 基于逆动力学的制导律设计23-24
• 1.4 论文主要工作24-26
• 第2章 再入飞行器数学模型研究26-38
• 2.1 引言26
• 2.2 常用坐标系及转换关系26-30
• 2.2.1 常用坐标系定义26-27
• 2.2.2 常用坐标系转换27-30
• 2.3 飞行器三自由度质心运动学模型30-37
• 2.3.1 基本再入飞行器运动方程30-31
• 2.3.2 半速度坐标系下的质心动力学方程建立31-35
• 2.3.3 再入走廊的确立及目标函数35-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 基于伪谱法的再入轨迹优化规划技术38-66
• 3.1 引言38
• 3.2 基于Gauss伪谱法的轨迹优化方法38-51
• 3.2.1 Gauss伪谱法求解最优控制问题的一般描述39-41
• 3.2.2 飞行器滑翔段再入轨迹优化问题41-51
• 3.3 Gauss伪谱法与贝塞尔曲线规划相结合的轨迹生成51-64
• 3.3.1 贝塞尔曲线52-53
• 3.3.2 逆动力学基本思想53
• 3.3.3 基于Bezier曲线的弹道造型53-57
• 3.3.4 采用Bezier曲线轨迹规划的带末速约束滑翔段制导律研究57-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第4章 基于SDRE的积分滑模滑翔段跟踪制导律设计66-92
• 4.1 引言66-67
• 4.2 改进LQR控制器设计67-70
• 4.3 基于改进SDRE（ISDRE）的最优积分滑模控制70-84
• 4.3.1 改进SDRE（ISDRE）控制律设计70-77
• 4.3.2 基于改进SDRE（ISDRE）的积分滑模控制77-79
• 4.3.3 仿真分析79-84
• 4.4 ISDRE制导律设计84-89
• 4.4.1 数值仿真86-89
• 4.5 本章小结89-92
• 第5章 时变滑模滑翔段跟踪制导律设计92-108
• 5.1 引言92-93
• 5.2 自适应指数时变滑模控制93-102
• 5.2.1 指数时变滑模控制93-95
• 5.2.2 自适应指数时变滑模控制95-97
• 5.2.3 仿真验证97-102
• 5.3 自适应有限时间时变滑模制导律设计102-107
• 5.3.1 仿真验证105-107
• 5.4 小结107-108
• 总结与展望108-112
• 参考文献112-122
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单122-124
• 致谢124

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本文编号：909217