有限推力能量、燃料最优轨道转移控制

应用间接法研究了时间固定下的能量、燃料以及能量-燃料最优有限推力轨道转移控制问题。燃料最优问题因存在奇异性而不易处理,引入能量性能指标可以消除奇异性,应用ε算法寻求解决了燃料最优轨道转移问题。应用极小值原理,设计了最优控制器,应用单值打靶法研究了相应轨迹优化问题转化的两点边值问题。数值结果表明在相同推力、相同轨道转移时间条件下,三种最优控制方式得到的最优轨迹几乎相同;同时也表明给定初始和目标轨道,轨道转移任务消耗的燃料是确定的,推力大小只影响轨道转移的圈数。

基于任务规划的有限推力燃料最优交会

给出了空间交会冲量机动任务规划及基于该任务规划的有限推力燃料最优交会算法。首先,以双冲量空间交会作为问题的初步模型,采用Battin-Vaughan算法对追踪器初始位置和飞行时间的组合进行遍历计算,通过分析特征速度等值线图,进行空间交会的任务规划,为有限推力燃料最优交会提供重要的初值条件。基于任务规划分析,建立了有限推力燃料最优交会的最优控制模型,根据庞特里亚金极值原理将最优控制问题转化为两点边值问题,采用共轭梯度算法进行数值求解。在变轨时间固定、连续变推力的情况下,以总冲最小、满足终端位置和速度约束为指标,对推力大小和方向进行优化。通过数值仿真,得到了一些重要的结论,为工程应用提供了一定参考价值。

求解中途飞越燃料最优转移轨道的同伦方法

提出一种新的同伦方法,用于求解深空探测中对其他天体进行中途飞越的小推力燃料最优转移轨道,克服由于其存在内点约束及不连续Bang-Bang控制所导致的数值优化方法的求解困难。该同伦方法将同伦参数同时嵌入到性能指标和内点约束方程中,将容易求解的无内点约束且控制量连续变化的最优控制问题作为初始问题,求解一系列同伦参数递增所对应的同伦迭代子问题,直到得到原问题的解。该方法能够有效地解决中途飞越所导致的优化变量增加、求解难度增大等难题,能够快速、稳定地求解考虑中途飞越的小推力燃料最优转移轨道。最后,以地球到火星交会并中途飞越小行星和地球到木星交会并中途飞越火星两个任务为例进行数值仿真验证该同伦方法在求解中途飞越的燃料最优问题中的有效性和优越性。

航天器燃料最优编队机动控制的解析方法

针对航天器燃料最优编队初始化、重构等机动展开研究,提出了一种解析控制方法。首先将编队机动问题从状态空间转换到构型参数空间进行分析,其次基于不等式约束分别得到轨道平面内、外运动的燃料消耗下界,进一步获得燃料最优时需要满足的条件和可行的燃料最优编队机动解析解,该解形式简单,计算量小。燃料消耗量取决于相对运动尺寸参数,而最优解的存在性取决于初始状态误差。数值仿真结果验证了所提方法的有效性和准确性。

基于燃料比最优的高炉喷煤设定值多目标优化

为了降低高炉炼铁的能耗,节约成本,将高炉炼铁过程信息、专家经验与智能模型相结合,提出基于燃料比最优的高炉喷煤设定值多目标优化方案。以燃料比最优为优化目标,炉温预测指标为约束条件,喷煤量为决策变量,采用基于K-均值聚类的径向基神经网络建立多目标优化模型,并通过基于NSGA-Ⅱ算法的多目标优化方法,获取尽可能使多个目标同时达到最优的Pareto最优解。结果表明,该优化方案可以在保证炉温良好的前提下,决策出使燃料比达到最优的喷煤设定值,大大降低能耗,节约成本。不仅为高炉实际生产提供操作指导,也为高炉冶炼的优化运行奠定了基础。

火星着陆器动力下降段燃料最优精确着陆轨迹计算与分析

为了利用有限燃料成功完成火星精确着陆任务，本文研究了考虑各种约束的动力下降段燃料最优轨迹优化问题，并进而分析了最优轨迹的特点。针对变推力发动机情况，首先基于推力器幅值、火星地表碰撞、下降倾角等因素描述了动力下降段的燃料最优精确着陆问题，并给出了相应的等效最优化问题；接着将等效最优化问题进行离散化，并最终转换为考虑线性约束和二阶锥约束的最优化问题。最后，计算了典型着陆器燃料最优精确着陆轨迹。通过对轨迹分布的研究发现，最优轨迹可以分为S型和C型两种，且最终均收敛于与探测器初始条件相关的圆锥体内，该结论对于上注路径点的选取以及着陆器自主制导方案的选取都具有重要的参考价值。

大范围轨道机动的燃料消耗优化方法

针对航天器大范围轨道交会提出了二冲量燃料最省机动方案的数值寻优算法及多冲量机动方案的啸声境遗传算法。利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确小生境遗传算法。利用共面圆\椭圆轨道间的转移实例对两种算法正确性进行了验证,通过仿真实验,比较了大范围交会轨道机动中不同冲量次数对总燃料消耗的影响,分析得出了非共面轨道交会机动时燃料最省的指导性方案。

一类最省燃料优先的多圈飞行脉冲交会

通过分析采用多圈飞行Lambert解的双脉冲交会的特征速度与转移轨道半长轴的关系,指出其最优解实际上是2N+1条满足时间约束的转移轨道中燃料较省的,而非最省燃料轨道.提出将双脉冲交会的首次脉冲矢量分解成方向相同的两次脉冲,使得追踪器在特定的滑行轨道飞行N圈以消耗多余的转移时间,利用剩余的转移时间沿最省燃料轨道与目标交会.几何上证明了这种交会的特征速度与最省燃料转移相同,并且给出了解的存在性条件.通过仿真验证了这种交会比采用多圈飞行Lambert解的双脉冲交会更省燃料,解的存在性对转移时间的长度要求更低.

能量最优与燃料最优Lambert交会问题

Lambert双脉冲交会问题是航天工程中轨道转移和在轨交会等领域的重要问题,而能量最优和燃料最优Lambert交会问题是针对典型应用背景和工程需求衍生的一类Lambert优化问题。针对能量最优与燃料最优Lambert双脉冲交会问题提出一种基于矢量形式的解析计算方法,给出能量最优和燃料最优Lambert交会问题的矢量形式解析解,同时对2种最优交会问题求解的性质与特点进行了分析对比。仿真结果验证了计算的正确性及燃料最优轨道相比能量最优轨道燃料消耗较少的事实。

基于高斯伪谱法和有限差分结合的飞行器燃料最优轨道转移优化

为解决最优轨道短时快速转移优化问题,将高斯伪谱法和有限差分法相结合,求解最优控制的直接法和间接法,提出基于Lambert边值求解的初值范围,加快高斯伪谱法的收敛速度。并利用伪谱法得到的协态变量初值带入有限差分求解两点边值问题的精确解。仿真结果表明,对于短时间轨道转移,同伪谱法相比,改进方法的控制过程稳定无误差,精度更高。

时间与燃料约束的参数自主寻优变轨滑模控制

航天器相对运动轨控采用滑模控制具有较好的抗扰能力,但参数设置复杂。为贴近工程实际,引入燃料最优约束和寻优算法,提出一种综合考虑时间、燃耗以及误差的参数自主寻优滑模控制。首先,基于线性相对运动方程与指数趋近的滑模控制,建立相对运动滑模控制器模型,并由能量最优的轨迹规划器给出收敛约束时间,实现高效机动;然后,分析滑模控制器中可调参数与时间、误差的约束条件,制定了参数量级寻优规则;最后,通过惯性权值改进的粒子群算法,将误差允许范围内的最少燃料消耗作为寻优评价标准,输出最优量级与系数组合的控制参数,实现滑模的最优控制。仿真表明,使用粒子寻优器得到的参数组合,可使滑模偏差控制器在规定时间内通过最小燃料消耗令位置与速度误差稳定收敛,增加航天器在轨寿命。

航天器最优受控绕飞轨迹推力幅值延拓设计方法

针对航天器燃料最优可变周期绕飞轨迹的求解问题,提出了一种以推力幅值为延拓参数的延拓方法.问题求解从最为简单的双脉冲绕飞轨迹出发,首先利用有限推力替代脉冲推力,设定推力序列为"开—关—开",然后逐步减小推力幅值,最终得到最小推力绕飞轨迹;此后,再逐步增加推力幅值,结合主矢量曲线判断最优推力开关序列,将最小推力解延拓至有限推力以及脉冲推力燃料最优解.该方法通过对推力幅值的延拓,实现了有限推力bang-bang控制与脉冲推力燃料最优绕飞轨迹优化问题的一并求解,同时避免了最优控制问题中协态变量的随机猜测.慢速与快速绕飞算例的优化结果验证了所提出方法的有效性.

小卫星编队在轨释放方案优化设计

随着空间站等大型航天器的发展,小卫星在轨释放技术的应用也越来越广泛。提出了一种小卫星在轨释放后与母星形成预定编队的方案。首先在二体假设下,基于Hill方程设计了小卫星的释放速度及其在常推力条件下的机动方案,使之与母星形成空间圆或水平圆等编队构形。其次,在燃料最优的原则下对设计方案作了进一步的优化,并分析了摄动因素的影响。最后应用数值方法验证了方案设计的正确性。论文提出的方案工程上易于实现,可为我国小卫星编队技术提供一定的参考。

卫星在降交点地方时不变的最优轨道转移研究

卫星在运行时要求降交点地方保持不变,而在卫星变轨前后降交点地方时不变情况下要用有限推力燃料达到最优异面轨道转移问题。针对降交点地方时不变、有限推力等难点,利用虚拟目标卫星的概念,建立了轨道转移的相对运动模型,提出了保证降交点位置不变的变轨初始条件;基于极小值原理将燃料最优变轨问题转化为两点边值问题,并采用共轭梯度法进行数值求解。针对变轨时间固定、连续推力情况,以总冲最小、满足各种约束为指标,进行了异面转移轨道的优化设计验证。仿真结果验证了卫星轨道转移策略和算法达到最优转移。

基于粒子群优化的月球捕获制动方法研究

在给定燃料下,探测器被月球引力捕获并精准进入绕月轨道是月球探测任务中需要考虑的重要问题之一。针对固定推力制动策略,以最终绕月轨道偏心率以及最终绕月轨道近心点高度为约束,以燃料消耗为性能指标,使用粒子群算法进行月球捕获过程的轨道优化,仿真整个捕获制动过程。结果表明,在粒子群优化算法框架下,使用固定推力方向制动策略进行捕获制动,得到的捕获轨道能够很好的满足所有终端状态约束,并且能够优化燃耗。此外,采用的固定推力方向制动策略易于实现,对控制系统要求较低。将粒子群优化算法应用到固定推力方向捕获制动策略中,可避免复杂的方程分析,整个系统简单有效,具有一定的工程实用性,可为我国月球探测轨道设计提供参考。

卫星伴随飞行的最优控制策略研究

伴随飞行技术在卫星编队、相互观测等活动中具有重要应用。为实现卫星对同一轨道面内,相对距离较远的近圆轨道目标飞行器形成相对椭圆伴飞,本文按照燃料最优原则,利用Hill方程推导得到稳态椭圆伴随飞行条件。以此为依据计算控制量,结合工程实际,对控制量进行线性规划,在规定时间完成半长轴、偏心率及两飞行器相对相位兼顾调整,最大程度节省燃料,实现对目标飞行器伴飞。

连续推力最优轨道规避

应用非线性规划方法研究了连续推力时间最优和燃料最优航天器规避问题。航天器空间飞行中,为了避免与其他航天器或空间碎片相撞,需采取措施实施规避策略。由于航天器最优规避问题是典型的具路径约束的轨迹优化问题,间接法即应用极大值原理难于处理。考虑航天器推进系统为固定比冲发动机,用改进的轨道根数描述航天器动态,在给定最大推力幅值和中间过渡轨道时,将规避问题划分为转移和返回两个阶段,然后应用非线性规划方法统一考虑时间最优和燃料最优航天器最优规避问题。数值仿真结果表明,最优规避任务能够完成;在时间最优或燃料最优规避情形时,航天器均以最大推力工作,且时间最优规避时消耗燃料最少。

基于高斯伪谱法的空天飞机上升段最优轨迹设计

针对复杂多约束条件下空天飞机上升段燃料最优轨迹优化问题,提出一种基于高斯伪谱法的上升段轨迹优化策略.依据发动机的推力特性将上升轨迹合理分段,使原最优控制问题转化为多段最优控制问题后,采用高斯伪谱法进行并行优化计算.数值仿真结果表明采用这种轨迹优化策略能够满足组合动力系统工作模态转换时对飞行状态的约束条件,可以在较短的时间内完成高精度的上升段轨迹优化任务,从而验证了该方法的有效性.

基于间接法的最优小推力逃逸轨道设计

目前,小推力逃逸轨道优化的大部分研究限于平面内逃逸或对发动机模型做无约束简化处理。通过在性能指标中引入一个待定参数,采用间接法将系统两点边值问题的待定参数约束在多维单位球里;同时结合同伦思想和曲线拟合技术,由短时间无约束平面内燃料最优逃逸问题开始,逐步求解长时间有约束平面外燃料最优逃逸问题。数值仿真结果表明该方法收敛性好,能求解复杂逃逸问题,是一种高效的逃逸轨道设计方法。

基于脉冲初值的小推力转移轨道优化研究

针对小推力转移轨道优化过程往往忽略初值多样性的现状,研究了基于不同脉冲初值的小推力转移轨道优化问题。基于直接法的离散思想建立了小推力转移轨道优化模型,提出了基于粒子群和序列二次规划的组合优化算法,以地球1∶1共振近地小行星2016HO3交会任务为例,将3种典型的脉冲轨道作为初值设计了燃料最优小推力转移轨道。仿真结果表明:3种初值轨道优化得到了2个小推力转移发射窗口,两者燃料消耗差距不超过6%。不同的初值对小推力轨道的整体性能指标影响较小,但开关机时刻和推力方向的变化会产生较大差异,从而得到不同的最优控制曲线。