薄壁结构失稳屈曲荷载预测的GPM方法研究

以工程实际应用为研究背景,注重试验数据变化规律的研究,分析薄壁结构失稳试验曲线的固有特征,提出以曲线的斜率为零确定薄壁结构屈曲荷载的新方法;同时提出了利用灰色多项式拟合曲线割线的斜率建立灰色预测模型的新思路,可解决GM(1,1)模型无法解决的预测值为零或趋于无穷大等禁区内的问题;试验数据分析结果表明,GPM方法是预测这类问题的有效方法之一。

Six-DOF trajectory optimization for reusable launch vehicles via Gauss pseudospectral method

To be close to the practical flight process and increase the precision of optimal trajectory, a six-degree-offreedom（6-DOF） trajectory is optimized for the reusable launch vehicle（RLV） using the Gauss pseudospectral method（GPM）. Different from the traditional trajectory optimization problem which generally considers the RLV as a point mass, the coupling between translational dynamics and rotational dynamics is taken into account. An optimization problem is formulated to minimize a performance index subject to 6-DOF equations of motion, including translational and rotational dynamics. A two-step optimal strategy is then introduced to reduce the large calculations caused by multiple variables and convergence confinement in 6-DOF trajectory optimization. The simulation results demonstrate that the 6-DOF trajectory optimal strategy for RLV is feasible.

基于仿生智能算法的航天器离轨优化方法

航天器变轨是有效提升航天器多样化价值的控制手段,离轨控制能够使在轨航天器返回到进入点,从而完成回收任务。建立了航天器离轨返回模型并描述其任务要求,提出了一种由高斯伪谱法和仿生智能算法组成的混合优化方法,利用高斯伪谱法将多连续优化问题离散化为非线性规划问题,并采用仿生智能算法获得非线性规划问题的全局最优解。最后,通过数值仿真验证了该混合优化方法的有效性,可为航天器变轨和回收提供重要支撑。

基于伪谱法的双摆吊车时间最优消摆轨迹规划策略

在工业生产过程中,桥式吊车系统经常会体现出双摆系统的特性,导致更多欠驱动状态量的出现,增大控制难度.基于此,论文提出了一种针对双摆桥式吊车系统的时间最优轨迹规划方法,可以得到全局时间最优且具有消摆能力的轨迹.具体而言,为方便地构造以时间为代价函数的优化问题,首先对系统运动学模型进行相应的变换;在此基础上,考虑包括两级摆角及台车速度和加速度上限值在内的多种约束,构造出相应的优化问题;然后,利用高斯伪谱法(Gauss-pseudospectral method,GPM)将该带约束的优化问题转化为更易于求解的非线性规划问题,且在转化过程中,可以非常方便地考虑轨迹约束.求解该非线性规划问题,即可得到时间最优的台车轨迹.不同于已有的大多数方法,该方法可获得全局时间最优的结果.最后,通过仿真与实验结果验证了这种时间最优轨迹规划方法具有满意的控制性能.

基于混合规划策略的空间机械臂运动规划研究

为改善自由漂浮机械臂对载体姿态无扰的运动规划的收敛性,提出一种基于Gauss伪谱方法和直接打靶法的混合规划策略。首先建立机械臂系统运动规划的数学模型,用Gauss伪谱方法将运动规划问题转化为带约束的非线性参数优化问题,采用遗传算法初步定位全局最优解,然后将得到的解作为直接打靶法的初值,采用序列二次规划算法求出精确最优解,从而利用Gauss伪谱方法计算量小、直接打靶法精度高的特点,快速获得机械臂对载体姿态无扰的运动规律。数值仿真的结果表明该混合规划策略能够快速求解机械臂系统的无扰运动规划问题,且具有较好的收敛性与鲁棒性。

基于高斯—伪谱法的月球定点着陆轨道快速优化设计

利用高斯伪谱法(Gauss Pseudospectral Method,GPM),对登月飞行器定点软着陆轨道快速优化问题做出了研究。将控制变量和终端时间一同作为优化变量,同时离散控制变量与状态变量,对最优控制问题进行求解。并针对GPM的特点,设计了从求取初值到高精度参数的软着陆轨道优化策略。利用此方法求取了月面着陆可达区域,在此基础上对定着陆点最优轨道进行了设计。仿真结果表明此方法具有较强的鲁棒性和快速收敛性。

多约束条件下高超声速滑翔飞行器轨迹优化

研究了考虑航路点、禁飞区、热流、动压、过载、控制量以及终端状态等多种约束条件下高超声速滑翔飞行器轨迹优化设计问题。分析了采用一般Gauss伪谱方法进行高超声速滑翔飞行器轨迹优化设计存在的主要问题,为此,提出了轨迹分段优化策略,将轨迹优化的一般最优控制问题转换为多段最优控制问题,进而将各段轨迹按Gauss伪谱方法进行离散化,将连续多段最优控制问题转换为非线性规划问题进行求解。以多约束条件下最大射程轨迹优化为例进行仿真分析,结果表明分段优化方法能够较快地设计出满足各种约束条件的优化轨迹。

战斗机隐蔽接敌轨迹优化方法

针对空战对抗的隐蔽作战需求,对战斗机隐蔽接敌方法进行研究。基于战斗机雷达反射截面积的动态特性建立雷达探测威胁模型,以空战态势参数为状态建立接敌引导模型,以给定目标发现概率为暴露阈值进行威胁约束,以最小化接敌过程中累积被发现概率为性能指标,将战斗机隐蔽接敌问题建立为隐蔽性约束下的最优控制问题模型。为保证算法的实时性和有效性,引入滚动时域控制策略进行在线优化,并采用高斯伪谱法进行数值求解。仿真实验表明,通过路径约束和性能指标双重约束,能有效增强战斗机接敌的隐蔽性,算法实时性能满足战斗机控制的需求。

基于Gauss伪谱法的飞机最优目标瞄准控制

为实现战对抗时对逃逸目标的最优瞄准,提出了一种基于高斯伪谱法(GPM)的控制方法。建立了考虑敏捷性、多约束的飞机动态方程,推导了两阶段目标瞄准条件表达式,并设计优化指标,在此基础上将飞机最优瞄准概括为带约束终端时间未知的多阶最优控制问题。利用高斯伪谱法将此连续的边值最优控制问题离散并转化为等价的非线性规划(NLP)问题,通过遗传算法(GA)解算其初值,并应用序列二次规划(SQP)算法求解。仿真结果表明:所设计的控制方法能有效实现对目标的瞄准,满足武器发射条件。

快速避障三维最优轨迹规划研究

针对无人作战飞机自主化任务需求,提出了一种"人在回路上"的UCAV自主任务规划解决方案;针对该方案中的UCAV快速自主轨迹规划需求,提出了基于高斯伪谱法的快速轨迹规划解决方案。该方案在充分考虑UCAV的气动力特性、发动机推力特性及大气环境特性的基础上建立了高精度的UCAV模型,详细分析并构建了比较真实的UCAV飞行包线约束模型和三维战场环境约束条件,在此基础上,构建了基于最优控制理论框架的UCAV轨迹规划模型;最后,详细分析并实现了采用GAUSS伪谱法求解该问题的实现过程。仿真结果表明,该方法能以较高的精度和速度生成满足各种复杂约束要求,连续并且真实可行的最优轨迹。

基于Gauss伪谱法的空空导弹最优中制导律设计

研究Gauss伪谱法在空空导弹最优中制导律设计中的应用。建立空空导弹中制导律设计问题最优控制模型,首次提出采用Gauss伪谱法求解最优中制导律设计问题的思路,详细阐述了求解流程,通过仿真算例验证了求解方法的有效性,并同比例导引、打靶法等传统方法进行了对比。仿真结果表明,综合考虑性能指标、计算精度、计算效率等因素,Gauss伪谱法具有明显优势,Gauss伪谱法求解结果和求解效率与配点个数密切相关。研究结果为空空导弹中制导律设计提供理论参考。

考虑风场条件的一类平流层飞艇返回过程建模与航迹规划研究

对一类气囊内外压差恒定的平流层软式飞艇,在考虑大气密度、温度变化以及大气风场的基础上,建立了飞艇三维空间运动的动力学模型;并针对能量消耗最少和航行时间最短两个指标函数,利用高斯伪谱法设计了飞艇从平流层返回地面的航迹,并对飞艇飞行高度、速度以及推力等状态变化进行分析研究.

目标威胁规避约束下战斗机引导控制优化方法

基于最优控制理论对威胁规避约束下战斗机引导控制方法进行研究.以空战态势参数为状态建立战斗机引导模型,以引导的快速性和经济性为性能指标,将战斗机引导问题建模为具有非线性状态约束和路径约束的最优控制问题,以武器攻击包线来描述目标火力威胁,并将威胁规避约束转化为引导过程的空战态势约束问题,为保证引导算法的实时性和有效性,引入滚动时域控制策略进行在线优化,并采用高斯伪谱法进行数值求解,基于典型作战场景进行仿真,结果表明所提出的引导控制方法能在保证引导安全性的前提下实现战斗机的最优引导.

面向水下阀门开闭的水下机械手轨迹规划仿真

为了实现水下机械手自主旋转水下阀门自动控制优化设计,研究了水下机械手的轨迹规划。水下机械手自主旋转水下阀门过程分为接近、旋转两部分。在机械手接近阀门的规划轨迹中,引入梯度投影法(GPM)优化关节角,并提出了一种新的配置GPM优化因子方案;在机械手旋转启闭阀门轨迹规划中,使用五次多项式完成关节空间轨迹优化并形成末端的圆形轨迹,结合几何法和欧拉角法求解运动学逆解;在Matlab中完成仿真,证明了GPM比加权最小范数法更好的关节角优化效果,实现较高的末端轨迹精度;验证了圆形轨迹和逆运动学理论的合理性。

正交各向异性有限变形下材料的粘塑性力学行为的研究

给出正交各向异性有限变形下的统一粘塑性理论中的 Walker模型的本构表达并成功地利用参数控制法(GPM方法 )对其进行数值计算 ,推导出 Walker模型的隐式应力积分过程。在计算的基础上 ,研究了温度、应变率对材料的应力应变关系的影响 ,以及蠕变 ,应力松弛 ,热恢复及循环塑性这些高温下材料的粘塑性力学行为。

Rosenbrock方法求解多延时微分方程的GP_m-稳定性(英文)

研究了用Rosenbrock方法求解多延时微分方程数值解的稳定性.对于线性模型方程,分析了Rosenbrock方法的GPm-稳定性,并证明Rosenbrock方法是GPm-稳定的当且仅当它是A-稳定的.

高超声速伸缩式变形飞行器再入轨迹快速优化

针对高超声速变形飞行器再入轨迹优化问题,研究了一种基于改进高斯伪谱法(Gauss pseudospectral method,GPM)的快速优化方法。首先,针对一种采用伸缩式机翼的高超声速变形飞行器,建立了将展长变形量扩展成为控制变量的再入轨迹优化模型。其次,采用GPM将轨迹优化问题转化为非线性规划(nonlinear programming,NLP)问题,并基于NLP偏导数的稀疏性推导目标函数梯度和约束Jacobian矩阵的高效计算方法。最后,优化求解了变形飞行器的最大横向航程、再入可达区、最大终端速度和最小飞行时间。仿真结果表明,推导的梯度计算方法可有效提高优化求解效率,变形飞行器相对于固定外形飞行器的性能更加优越,最大横向航程、可达区覆盖范围、最大终端速度和最小飞行时间等指标均有显著提升。

基于微分几何的蛇板系统动力学建模与运动规划

研究了蛇板系统的动力学建模与运动规划问题,提出一种遗传算法与Gauss伪谱法相结合的混合优化策略.首先,基于微分几何中的Riemann(黎曼)流形与仿射映射理论,建立蛇板系统在其构型流形上的Euler-Lagrange(欧拉-拉格朗日)方程.蛇板的构型空间对应流形空间,速度空间对应流形切空间,力矩空间对应流形余切空间,惯量矩阵提供了流形空间上的一个Riemann度量.构造适当的基底描述蛇板系统的许可速度,可以使蛇板系统的运动方程得到简化.然后,利用Gauss伪谱法将蛇板系统运动规划问题离散为非线性规划问题,利用序列二次规划算法求解蛇板系统的运动轨迹与最优控制输入,其中,Gauss伪谱法的初值通过遗传算法得到.最后,通过数值仿真,蛇板系统的运动轨迹与实际情况吻合,最优控制输入也能很好地满足约束条件,验证了该混合优化策略的有效性.

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。

基于自适应伪谱法的升力式飞行器火星进入段快速轨迹优化

针对升力式火星飞行器定点着陆任务的轨迹优化问题,给出了基于自适应伪谱法的快速优化算法.综合考虑探测器火星大气进入过程中的动力学约束、边界约束、路径约束以及控制约束条件,利用自适应伪谱法将轨迹优化问题转换为离散的非线性规划问题,采用序列二次规划算法进行求解,得到性能指标最优的进入轨迹.通过仿真验证,给出了实现火星进入过程燃料消耗最优的状态量和控制量轨迹.仿真结果表明,在Matlab中采用自适应伪谱法,能够在800 s内采用267个配点,给出近似精度为10-6的火星进入过程中消耗能量最优的参考轨迹.