伪谱法中非线性规划问题求解方法的应用研究
发布时间：2021-11-19 06:46
伪谱法在飞行器轨迹最优控制问题的求解上具有独特的优势,能将飞行器轨迹最优控制问题参数化为非线性规划问题。转化得到的轨迹非线性规划问题一般都具有高度非线性、强约束、大规模等特征。序列二次规划算法收敛速度快,计算精度高,常用于求解伪谱法转化得到的非线性规划问题。但在大规模复杂的轨迹非线性规划问题求解中,直接使用序列二次规划算法,会因初值依赖性高,收敛半径较小等不足,而陷入局部极值状态,出现找不到最优解甚至可行解的情况。本文研究基于伪谱法求解飞行器最优轨迹中非线性规划问题的求解方法。首先,以X-51A相似飞行器滑翔水平距离为优化目标,飞行高度、速度、航迹角、攻角以及飞行时间作为决策变量,构建了Bolza型三自由度滑翔段轨迹最优化问题。并基于飞行器纵向气动力模型理论,在基准数据集与舵效数据集的基础上,利用增量法与查表插值构建了飞行器气动增量模型,获得了冷流状态下的纵向气动力模型,为飞行轨迹仿真提供了数据支撑。其次,研究了基于伪谱法的飞行器轨迹最优控制问题参数化过程,并使用Legendre伪谱法将构建的轨迹最优控制问题参数化为非线性规划问题。然后,针对序列二次规划算法求解该类非线性规划问题遇到的...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
X-51A相似飞行器数模
轨迹非线性规划问题求解方法研究39图4-22航迹角对比情况图4-23攻角对比情况图4-24轨迹变化对比情况H-SQP算法计算时间根据同伦参数取值粒度不同，而存在差异，整体计算时间与迭代次数少于传统SQP算法，但略高于多级迭代优化策略。小结本章分析总结了目前常用的NLP问题求解方法。针对SQP算法在求解高度非线性、强约束、大规模的轨迹NLP问题中出现的不足，结合了伪谱法配点可控制轨迹NLP问题规模大小与求解精度的优势以及同伦法在解决初值问题上的优势，分别提出了多级迭代优化策略与H-SQP算法两种方案。通过对比，多级迭代优化策略能有效缩短计算时间，减少迭代次数，相比于传统SQP算法求得的目标值更接近最优情况，且约束偏差最校相比于多级迭代优化策略与传统SQP算法，H-SQP算法的求解时间与迭代次数介于二者之间，约束误差远小于传统SQP算法，略高于多级迭代优化策略，但求得的目标航距是三种方法中最远的，也是最接近最优值的。
西南科技大学硕士学位论文46变而变化的情况；空气流量捕获模型主要描述了不同马赫数情况下，空气捕获面积随攻角变化的关系。四个模块界面布局基本相同，以冷流基准模型可视化界面为例，如图5-7所示。编号“①”处展示的是基准模型的维度视图，在下拉列表中选择不同的参数对，下方的点图会根据所选内容自动更新；编号“②”处展示的是基准模型的数据详情，设置不同的马赫数和油气比，下方的数据表格会自动筛癣刷新相应数据；编号“③”处显示的是在马赫数与油气比相同、雷诺数不同的情况下，飞行器,,LDmCCC气动系数随攻角变化的情况。图5-7冷流基准模型可视化界面5.3.2基于伪谱法的仿真飞行飞行仿真主要是基于伪谱法进行飞行器上升段、巡航段、滑翔下降段轨迹计算以及可视化展示。界面由纵向气动力模块切换到飞行仿真模块后，需要先进行飞行参数设置，对用户输入的飞行参数进行验证后传到服务器端进行轨迹计算。飞行参数输入框如图5-8所示。图5-8飞行参数设置
【参考文献】：
期刊论文
[1]一体化飞行器面向控制的建模与弹道规划[J]. 黄俊,刘知贵,刘志勤,王庆凤,张勇. 弹箭与制导学报. 2020(01)
[2]基于同伦方法的地月系L2点小推力转移轨道优化[J]. 潘迅,泮斌峰. 载人航天. 2019(01)
[3]基于预置动压的高超声速飞行器上升段轨迹设计[J]. 孙佩华,刘燕斌,陈柏屹. 飞行力学. 2017(05)
[4]应用伪谱法的运载火箭在线制导方法研究[J]. 张志国,余梦伦,耿光有,宋强. 宇航学报. 2017(03)
[5]火箭垂直回收着陆段在线制导凸优化方法[J]. 张志国,马英,耿光有,余梦伦. 弹道学报. 2017(01)
[6]基于Gauss伪谱法的制导炸弹最优弹道研究[J]. 庞威,谢晓方,孙涛,郑力会,孙海文. 南京理工大学学报. 2017(01)
[7]高超声速飞行器模型及控制若干问题综述[J]. 张超凡,宗群,董琦,田栢苓,叶林奇. 信息与控制. 2017(01)
[8]基于伪谱同伦算法的编队飞行任务设计研究[J]. 岳晓奎,段逊. 上海航天. 2016(06)
[9]基于导航点改进Gauss伪谱法规划滑翔导弹航迹[J]. 牛晓洁,李邦杰,舒健生,潘乐飞,杨奇松. 弹道学报. 2016(04)
[10]Gauss伪谱法的再入可达域计算方法[J]. 王涛,张洪波,李永远,汤国建. 国防科技大学学报. 2016(03)
博士论文
[1]空天飞行器轨迹规划与控制研究[D]. 蔡伟伟.国防科学技术大学 2015
[2]高超声速滑翔式再入飞行器轨迹优化与制导方法研究[D]. 雍恩米.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]控制约束下的高超声速飞行器爬升轨迹设计与优化[D]. 孙佩华.南京航空航天大学 2017
[2]求解非线性方程组的一种新方法—指数同伦法[D]. 夏林林.四川师范大学 2014
[3]关于序列二次规划（SQP）算法求解非线性规划问题的研究[D]. 石国春.兰州大学 2009
本文编号：3504500
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
X-51A相似飞行器数模
轨迹非线性规划问题求解方法研究39图4-22航迹角对比情况图4-23攻角对比情况图4-24轨迹变化对比情况H-SQP算法计算时间根据同伦参数取值粒度不同，而存在差异，整体计算时间与迭代次数少于传统SQP算法，但略高于多级迭代优化策略。小结本章分析总结了目前常用的NLP问题求解方法。针对SQP算法在求解高度非线性、强约束、大规模的轨迹NLP问题中出现的不足，结合了伪谱法配点可控制轨迹NLP问题规模大小与求解精度的优势以及同伦法在解决初值问题上的优势，分别提出了多级迭代优化策略与H-SQP算法两种方案。通过对比，多级迭代优化策略能有效缩短计算时间，减少迭代次数，相比于传统SQP算法求得的目标值更接近最优情况，且约束偏差最校相比于多级迭代优化策略与传统SQP算法，H-SQP算法的求解时间与迭代次数介于二者之间，约束误差远小于传统SQP算法，略高于多级迭代优化策略，但求得的目标航距是三种方法中最远的，也是最接近最优值的。
西南科技大学硕士学位论文46变而变化的情况；空气流量捕获模型主要描述了不同马赫数情况下，空气捕获面积随攻角变化的关系。四个模块界面布局基本相同，以冷流基准模型可视化界面为例，如图5-7所示。编号“①”处展示的是基准模型的维度视图，在下拉列表中选择不同的参数对，下方的点图会根据所选内容自动更新；编号“②”处展示的是基准模型的数据详情，设置不同的马赫数和油气比，下方的数据表格会自动筛癣刷新相应数据；编号“③”处显示的是在马赫数与油气比相同、雷诺数不同的情况下，飞行器,,LDmCCC气动系数随攻角变化的情况。图5-7冷流基准模型可视化界面5.3.2基于伪谱法的仿真飞行飞行仿真主要是基于伪谱法进行飞行器上升段、巡航段、滑翔下降段轨迹计算以及可视化展示。界面由纵向气动力模块切换到飞行仿真模块后，需要先进行飞行参数设置，对用户输入的飞行参数进行验证后传到服务器端进行轨迹计算。飞行参数输入框如图5-8所示。图5-8飞行参数设置
【参考文献】：
期刊论文
[1]一体化飞行器面向控制的建模与弹道规划[J]. 黄俊,刘知贵,刘志勤,王庆凤,张勇. 弹箭与制导学报. 2020(01)
[2]基于同伦方法的地月系L2点小推力转移轨道优化[J]. 潘迅,泮斌峰. 载人航天. 2019(01)
[3]基于预置动压的高超声速飞行器上升段轨迹设计[J]. 孙佩华,刘燕斌,陈柏屹. 飞行力学. 2017(05)
[4]应用伪谱法的运载火箭在线制导方法研究[J]. 张志国,余梦伦,耿光有,宋强. 宇航学报. 2017(03)
[5]火箭垂直回收着陆段在线制导凸优化方法[J]. 张志国,马英,耿光有,余梦伦. 弹道学报. 2017(01)
[6]基于Gauss伪谱法的制导炸弹最优弹道研究[J]. 庞威,谢晓方,孙涛,郑力会,孙海文. 南京理工大学学报. 2017(01)
[7]高超声速飞行器模型及控制若干问题综述[J]. 张超凡,宗群,董琦,田栢苓,叶林奇. 信息与控制. 2017(01)
[8]基于伪谱同伦算法的编队飞行任务设计研究[J]. 岳晓奎,段逊. 上海航天. 2016(06)
[9]基于导航点改进Gauss伪谱法规划滑翔导弹航迹[J]. 牛晓洁,李邦杰,舒健生,潘乐飞,杨奇松. 弹道学报. 2016(04)
[10]Gauss伪谱法的再入可达域计算方法[J]. 王涛,张洪波,李永远,汤国建. 国防科技大学学报. 2016(03)
博士论文
[1]空天飞行器轨迹规划与控制研究[D]. 蔡伟伟.国防科学技术大学 2015
[2]高超声速滑翔式再入飞行器轨迹优化与制导方法研究[D]. 雍恩米.国防科学技术大学 2008
硕士论文
[1]控制约束下的高超声速飞行器爬升轨迹设计与优化[D]. 孙佩华.南京航空航天大学 2017
[2]求解非线性方程组的一种新方法—指数同伦法[D]. 夏林林.四川师范大学 2014
[3]关于序列二次规划（SQP）算法求解非线性规划问题的研究[D]. 石国春.兰州大学 2009
本文编号：3504500
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