基于de算法的再入飞行器横向机动能力研究

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1、文章编号：1003-6199(2011)04-0103-05?■摘要：再入飞行器横向机动能力分析可以描述为一个具有多约束的最优控制问题，不便于求解。本文将控制量攻角和倾侧角同时离散化，把约束最优控制问题转化为约束参数优化问题；推导攻角的取值范围，缩小搜索空间，降低问题的复杂性；用改进的约束DE算法求解该优化问题。以X-33为例对算法进行仿真验证，仿真结果表明所提算法能够很好的处理约束，且优化结果的鲁棒性较好。■关键词：再入飞行器；机动能力；轨迹优化；差分进化；约束优化？中图分类号：V412.4+4文献标识码：A??••StudyonLateralManeuverCapacityof

2、ReentryVehicleBasedonDECHANGSong?tao,WANGYong?ji,ZHANGDa,SUMao?(KeyLaboratoryofMinistryofEducationforImageProcessingandIntelligentControl,DepartmentofControlScienee?andEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Lateralmaneuvercapacityanalysisofreentryvehicl

3、ecanbeformulatedtoamulti?constraintsoptimalcontrolproblemwhichisdifficulttosolve・Wetransformtheinfinitedimensionaloptimalcontrolproblemtoparameteroptimizationwhichisfinitedimensionalbydiscretizecontrolparameters.Inordertosimplifytheproblem,wefigureoutthecontrolparameter'sscopebyprocessconstrai

4、nts.Tohandleconstraints,weproposedaparameterlessconstraintshandleprocessincorporatedtoDE.ItisvalidatedbyareentryvehicleX-33,simulationresultsindicatedthatthealgorithmiseffectiveandrobust・Keywords:reentryvehicle;maneuvercapacity;trajectoryoptimization;differentialevolution(DE);constraintoptimal

5、■1引言？评估再入飞行器的机动能力非常重要，是飞行器总体设计和规划的重要组成部分。飞行器的横向机动能力分析可以描述为一个非线性、具有控制约束、状态约束以及终端约束的最优控制问题。最优控制问题基于变分法、庞特里亚金极大值原理或动态规划方法进行求解。由于再入轨迹优化的复杂性，很难求得解析解，通常将其转化为参数优化问题，用数值方法进行求解。求解最优控制问题的数值方法通常可分为两大类：间接法和直接法。？间接法［1,2］将最优控制问题转化为两点边值问题，再选取合适的数值方法进行求解，满足一阶最优必要条件，求得的解比较精确。由于协态变量没有明确的物理意义，很难估计协态变量的初值，且收敛半径小，

6、很难求解。？直接法将最优控制问题转化为参数优化问题，运用非线性规划方法进行求解。常用的参数转化方法有:配点法和伪谱法。配点法［3］将控制量和状态量离散化,将状态方程转化为代数方程约束加在离散节点上;把性能指标、约束转化为代数方程，这样就把最优控制问题转化为参数优化问题。伪谱法［4］采用正交多项式插值的方法离散状态量和控制量，适合于状态变化平缓的轨迹优化。？由于确定性优化算法容易陷入局部极值点，近年来一些学者用智能优化算法求解了轨迹优化问题［5-7］。差分进化算法(DifferentialEvolution,DE)是由Stron和Price［8］提出的一种简单、高效的元启发式智能优化

7、算法。DE算法采用种群进行进化，鲁棒性较好，已经成功地应用于很多工程问题中。本文首先将再入飞行器最大横向机动能力求取(本质上是轨迹优化问题)转化为参数优化问题；利用过程约束条件,求得了控制量攻角的取值范围，缩小了搜索空间，减小了问题的复杂性；对基本DE算法进行改进，加入约束处理方法，对轨迹优化问题进行求解。并以X-33为例对所提算法进行仿真验证。2问题描述？2.1模型？再入飞行器的三自由度运动方程组为:??r?‘=v?sin?Y?0?'=v?cos?y?sin?W/r