飞机拦阻过程的非线性最优控制

论文摘要

为使舰载机在较短滑跑距离内被拦停,工程师们设计了飞机拦阻系统这一重要的舰载设施。拦阻系统控制律设计和实现直接影响飞机所受过载、拦停距离和阻拦索张力,进而决定了拦阻效果。因此,在研发拦阻系统时,需要确定较好的降速曲线和有效的控制方法。国外拦阻技术研发较早,也较为成熟,但可查寻到的资料,特别是全文非常少。国内工程师和学者正在研制自己的拦阻设备,相关研究尚处于起步阶段。本文建立了含阻拦索线弹性变形的飞机拦阻过程非线性动力学模型,应用最优化理论对飞机和阻拦索接触之后的降速曲线进行了优化,并采用反馈线性化闭环跟踪优化后的降速曲线。与基于能量分析的优化和控制方法相比,本文提出的方法维持恒定加速度的能力更强,因而这种直接以模型为基础进行优化和控制的效果更好。结果表明,在阻拦过程快结束时,考虑阻拦索的变形结果和不考虑这一因素的结果存在很大的差别。数值实验证明,反馈线性化可弥补非线性最优化在实际应用中耗时的缺陷,从而使实现控制系统的可行性大大提高。这种将控制目标设计和控制实施分成先后两步执行的方法可使同一套拦阻系统适用于不同类型的飞机情形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 飞机拦阻系统的发展简史
• 1.2 早期国外学者的研究
• 1.3 近期国内学者的研究
• 1.4 动机和本文的主要研究内容
• 第二章 高斯伪谱方法简介
• 2.1 最优控制的一般形式和连续 Bolza 问题
• 2.2 连续 Bolza 问题的高斯伪谱离散化
• 2.3 NLP 问题的KKT 条件
• 2.4 连续 Bolza 问题的一阶最优化条件
• 2.5 高斯伪谱离散化的必要条件
• 2.6 伴随状态估计
• 2.7 边界上控制变量的计算
• 2.8 小结
• 第三章 建模和开环轨迹优化
• 3.1 考虑阻拦索线弹性变形的模型
• 3.2 寻求开环最优轨迹
• 3.3 分析和比较
• 第四章 反馈线性化下的闭环跟踪
• 4.1 引言
• 4.2 布鲁诺夫斯基标准型[47]
• 4.3 闭环跟踪仿真
• 4.3.1 反馈线性化
• 4.3.2 系统稳定化
• 4.3.3 误差修正回路设计
• 4.3.4 跟踪仿真过程
• 4.3.5 跟踪结果分析
• 4.4 某些参数不准确时的拦阻效果
• 4.4.1 飞机质量偏差对拦阻的影响
• 4.4.2 飞机接触速度对拦阻的影响
• 4.5 一种可能的适应性拦阻策略
• 第五章 工作总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 问题和进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录