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超高空、长航时飞艇动力学模型与航迹优化

作　者: 丁洪波
导　师: 桂先洲
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 飞艇 附加质量力 航迹优化 极大值原理 直接配置法 序列二次规划
分类号: V212
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 381次
引　用: 1次
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内容摘要


超高空、长航时飞艇具有很高的民用和军用价值,目前已成为新兴的研究热点。本论文主要研究了超高空、长航时飞艇的动力学模型以及航迹优化的相关问题。对飞艇的航迹优化采用了解析解法和数值解法两种不同的方法。首先对飞艇进行受力分析,着重分析了附加质量力、空气动力以及浮力,分别给出了它们的一种近似的计算模型。推导了飞艇六自由度运动的动力学方程,然后结合运动学方程组,建立了飞艇六自由度运动模型。并根据一定的假设条件,给出了三自由度运动的运动模型。本文研究的飞艇航迹优化指在飞行时间固定的条件下,飞艇在由初始点向目标点运动过程中,通过对飞艇推力的大小和方向的选择,控制飞艇运动航迹,使在一定时间内飞艇到达目标点后消耗的能量最省。根据最优控制理论,结合三自由度运动模型,建立了飞艇航迹优化的优化模型。在此基础上,结合飞艇的运动特点,运用极大值原理,按照先分析飞艇的飞行路径,后分析速度大小的变化规律的思路,推导出飞艇航迹优化的一种近似解析解。数值解法的思路是针对航迹优化这个最优控制问题,将泛函优化转化为参数优化,然后使用非线性规划的方法解这个参数优化问题。最优问题的这个转化过程是通过直接配置法实现的,它采用分段的多项式来代替状态变量和控制变量,从而建立参数优化的优化模型。参数优化是一个包含多个线性和非线性等式以及不等式约束的最优问题,使用序列二次规划(SQP)算法求解能得到较好的结果。最后,分析了使用两种不同的方法得到的计算结果,说明了进行航迹规划的意义。同时通过对用两种不同方法得到的结果的比较,证明了近似解析解误差较小,具有较大的实用价值。

全文目录


摘要  8-9
ABSTRACT  9-10
第一章 绪论  10-14
  1.1 超高空、长航时飞艇  10
  1.2 研究超高空、长航时飞艇的必要性  10-12
    1.2.1 超高空、长航时飞艇的功能  10-11
    1.2.2 国内外发展状况及发展趋势  11-12
  1.3 研究现状  12-13
  1.4 本文的研究内容  13-14
第二章 动力学模型  14-35
  2.1 飞艇结构  14
  2.2 坐标系及坐标系之间的关系  14-16
  2.3 动力学建模需要考虑的因素  16-17
  2.4 空间受力分析  17-25
    2.4.1 附加质量力  17-20
    2.4.2 空气动力和力矩  20-22
    2.4.3 推力  22-23
    2.4.4 重力与浮力  23-25
  2.5 动力学方程  25-29
    2.5.1 质心的线速度  25-26
    2.5.2 质心的加速度  26
    2.5.3 六自由度运动的一般方程  26-29
  2.6 动力学模型的一般表达式  29-30
  2.7 运动学方程  30-32
  2.8 运动方程组  32-33
  2.9 三自由度运动的运动方程组  33
  2.10 关于坐标系的说明  33-35
第三章 航迹优化的数学描述  35-38
  3.1 最优控制问题的一般描述  35-36
  3.2 三自由度运动的航迹优化模型  36-38
第四章 航迹优化的近似解析解法  38-52
  4.1 极大值原理  38-39
  4.2 飞行路径分析  39-50
    4.2.1 特殊条件下的最优飞行路径  40-43
    4.2.2 一般情况下最优飞行路径  43-45
    4.2.3 一种最短路径  45-50
  4.3 飞行速度大小的确定  50-51
  4.4 最优飞行航迹的确定  51-52
第五章 航迹优化数值解法  52-57
  5.1 运动方程组的无量纲化  52
  5.2 直接配置法  52-54
  5.3 数值优化模型  54-55
  5.4 序列二次规划  55-57
第六章 优化结果及两种方法的比较  57-66
  6.1 优化结果  57-62
  6.2 解析解法和数值解法的比较  62-64
    6.2.1 航迹的比较  62-63
    6.2.2 消耗的能量的比较  63-64
  6.3 时间和能量耗费的转换关系  64-66
第七章 总结以及展望  66-68
  7.1 论文的工作总结  66
  7.2 下一步的工作  66-68
附录一 气动系数的计算方法  68-71
致谢  71-72
参考文献  72-76
作者在学期间取得的学术成果  76

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 基础理论及试验 > 飞行力学
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