考虑参数不确定性的运载火箭上升段参考轨迹优化

发布时间：2021-10-21 16:13

　　计算机仿真是现代研究中进行飞行器参考轨迹设计经济而有效的手段。但受限于计算能力以及分析手段等制约,参考轨迹的设计往往是建立在标称情况下的。出于模型简化的考量,优化模型中往往忽略了参数不确定性、过程噪声等系统摄动的影响。在实际飞行环境中,忽略这类不确定性的影响容易造成飞行与任务原定轨迹的偏离,引发严重的事故。本文针对这一问题,在气动参数等存在不确定性的条件下,研究运载火箭上升段的鲁棒轨迹优化方法,以期降低参考轨迹对不确定性的灵敏度。首先,建立运载火箭上升段的参考轨迹设计模型,并阐述标称情况下的参考轨迹设计方法,介绍用于优化轨迹的GPOSII工具箱和分析轨迹鲁棒性的线协方差方法,为后续的轨迹鲁棒优化奠定方法基础和工具基础。其次,考虑到运载火箭具有多段分离、质量和推力阶段性变化的特点,在发射坐标系中,建立其标称情况下的运动模型,并进一步分析不确定性的来源,建立考虑不确定性的运动模型,为后续的轨迹鲁棒优化方法奠定模型基础。再次,将轨迹优化问题转化为最小努力优化问题,基于GPOSII工具箱进行运载火箭上升段参考轨迹的优化设计,作为轨迹鲁棒优化方法的对比方法。引入协方差矩阵整形技术,通过推导状态方... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：74 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

GPOPSⅡ工具箱代码逻辑简易示意图

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-10-图2-2应用线性二次型调节器控制方框图图中，Nu是在标称轨迹设计中得来的标称控制量，或称参考控制量。Nx是沿标称参考轨迹的标称状态变量。实际状态变量x作为系统的输出和反馈量。δx为系统的状态量偏差，满足关系式(2-7)：Nδx=xx(2-7)实际作用于动态特性上的控制输入u满足关系式(2-8)：+Nu=uδu(2-8)其中，控制量反馈值满足式(2-9)δu=Kδx(2-9)系统状态偏差满足动态方程：δ=xAδx+Bδu(2-10)该式由系统的状态方程式(2-4)经小偏差线性化得到，其中矩阵A、B分别定义为式(2-11)和式(2-12)：(,,t)A=gxux(2-11)(,,t)B=gxuu(2-12)对于LQR控制而言，为获取反馈增益向量K，应求解黎卡提方程式(2-13)：()()()()()T1TStAStStAStBRBStQ=++(2-13)式中，要求权重矩阵Q是阶数与系统状态变量维数相同半正定的实对称矩阵，而R是阶数与控制变量维数相同的正定矩阵。由上式可以求解得到S(t)的代数表达式，又根据式(2-14)()1TKRBSt=(2-14)

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-17-第3章运载火箭上升段运动建模本文建立运载火箭的数学模型时，为便于计算，做出了部分简化模型的假设，主要有以下三项：（1）仅考虑火箭的质心运动，不研究箭体绕质心的运动形式。（2）将地球视为双轴旋转椭球体，大气压、大气密度、空气温度等，参照标准大气压表。（3）发射点为0经度，0纬度，向正东发射，主要考虑火箭上升段纵向平面的弹道，每级火箭的分离时间给定，火箭弹道的控制通过改变弹体的攻角进行。3.1相关坐标系的定义在建立运载火箭数学模型过程中，主要用到的坐标系有：发射坐标系、发射惯性坐标系、箭体坐标系与速度坐标系[48]。各坐标系定义大致如下：（1）发射坐标系oxyz发射坐标系的坐标原点与发射点固连，x轴处于发射平面内，直指发射瞄准方向，y轴垂直于发射点水平面指向上方，z轴与x，y轴构成右手直角坐标系，如图3-1：图3-1发射坐标系o-xyz（2）发射惯性坐标系AAAAoxyz发射惯性坐标系的特征是：在火箭发射的瞬间，原点Ao与发射坐标系的原点o重合，各坐标轴与发射坐标系的各个轴也相应的重合。在火箭发射后，坐标原点Ao的位置与各个坐标轴朝向在惯性空间中维持不变。o

【参考文献】：
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硕士论文
[1]基于多目标智能算法的运载火箭上升段弹道优化设计[D]. 李晓苏.哈尔滨工业大学 2019
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本文编号：3449320