Symplectic multi-level method for solving nonlinear optimal control problem

By converting an optimal control problem for nonlinear systems to a Hamiltonian system,a symplecitc-preserving method is proposed.The state and costate variables are approximated by the Lagrange polynomial.The state variables at two ends of the time interval are taken as independent variables.Based on the dual variable principle,nonlinear optimal control problems are replaced with nonlinear equations.Furthermore,in the implementation of the symplectic algorithm,based on the 2N algorithm,a multilevel method is proposed.When the time grid is refined from low level to high level,the initial state and costate variables of the nonlinear equations can be obtained from the Lagrange interpolation at the low level grid to improve efficiency.Numerical simulations show the precision and the efficiency of the proposed algorithm in this paper.     

非线性轨迹优化问题的保辛自适应求解方法

非线性轨迹优化问题一般是一个非线性最优控制问题。将非线性系统的最优控制问题导入到哈密顿体系的辛几何空间当中,基于对偶变量变分原理提出了求解非线性最优控制问题的一种保辛自适应方法。以时间区段两端协态作为独立变量,在时间区段内采用拉格朗日插值近似状态和协态变量,并利用对偶变量变分原理将非线性最优控制问题转化为非线性方程组的求解,保持了哈密顿系统的辛几何结构。并进一步,提出了基于多层次迭代的自适应算法,提高了非线性最优控制问题的求解效率。数值实验验证了该算法在求解非线性轨迹优化问题中的有效性。     

开放式多体系统动力学仿真算法软件研发(I)DAEs求解算法构架设计

基于开放式工程与科学计算集成化软件平台SiPESC,研发了用于多体系统动力学时程分析的一类通用求解算法构架。该构架的核心思想是算法与数据相分离,整个构架由五个基本类及子类组成。本文重点阐述基本类的抽象过程,利用插件技术设计求解器的构架,进一步应用该构架实现了Newmark方法,HHT(Hilber-Hughes-Taylor)方法,Generalized α方法,Bathe方法及祖冲之类Symplectic方法等微分-代数方程组(DAEs)求解器的开发。研究工作表明,本文所提出的DAEs求解算法构架对多体系统动力学的时程分析具有良好的开放性和通用性,可方便进行各种新的DAEs求解算法的动态扩展。     

大型索网天线机电耦合动力学建模与主动变形控制

索网天线因其折叠收纳比高、质量轻以及口径大等优点,成为众多空间任务的首选天线形式,但反射面精度较低限制了大型索网天线的在轨性能指标。在索网天线竖向张力索中加入压电陶瓷堆(PZT)作动器,通过主动控制提高反射面的形面精度。首先,将张紧的索网天线分为含有作动器的主动索单元和不含作动器的被动索单元,通过压电本构方程、几何方程和哈密顿原理推导出主动索单元的动力学模型,并与被动索单元一起组装得到索网天线的机电耦合动力学模型。然后,根据天线反射面的初始形面误差和所建立的天线机电耦合动力学模型,基于模型预测控制(MPC)方法计算出各作动器的控制输入电压曲线。最后,以一个10m口径的索网天线为算例,验证本文所建立的模型和控制方法的有效性。     

基于哈密顿动力系统新变分原理的保辛算法之一：变分原理和算法构造

提出了哈密顿动力系统的一个新变分原理,并基于此变分原理构造了四类保辛算法。通过新的变分原理定义修正作用量,然后将位移和动量采用拉格朗日多项式近似,并采用高斯积分对时间近似积分得到近似的修正作用量。在修正作用量的基础上,通过选择时间步两端不同的位移或动量作为独立变量,可构造四种不同类型的保辛算法。     

平动点Halo轨道航天器保持的多目标优化

针对日地系统平动点附近Halo轨道航天器保持任务,考虑航天器的能量消耗与轨道保持精度需求,采用多目标优化方法设计了改进时变控制器用于航天器Halo轨道保持任务。首先,基于圆形限制性三体模型推导了航天器的相对动力学方程并基于此设计了线性时变控制器。然后,采用多目标优化方法对时变控制器参数进行优化,得到满足航天器能量消耗与轨道保持精度之间平衡的Pareto最优解。最后,通过对考虑模型与环境干扰情况的数值模拟,结果表明多目标优化方法对平动点Halo轨道航天器保持任务达到低能能耗与高精度目标,具有一定的应用价值。     

最优轨迹规划方法及其平动点航天器编队均衡耗能重构应用

由于均衡耗能航天器编队能够提高整体航天器编队服役时间,针对平动点航天器编队重构的均衡耗能最优轨迹规划问题,提出一种以状态、协态和控制三类变量插值为核心的求解非线性最优控制问题的新方法。基于连续时间表达的非线性最优控制问题通过变分原理转化为非线性方程组的求解,并进一步推导非线性方程组显示格式的Jacobi矩阵提高非线性方程组的计算效率。本文方法既满足最优控制理论的一阶必要条件又具有较大的收敛域;同时,不需要对协态初值准确猜测,避免了大规模非线性规划问题的求解。通过对中心航天器位置固定和无中心航天器两种情况的数值模拟,结果表明,本文方法对航天器编队重构轨迹规划问题能够达到均衡耗能的目标,具有一定的应用价值。     

Parametric variational solution of linear-quadratic optimal control problems with control inequality constraints

A parametric variational principle and the corresponding numerical algo- rithm are proposed to solve a linear-quadratic （LQ） optimal control problem with control inequality constraints. Based on the parametric variational principle, this control prob- lem is transformed into a set of Hamiltonian canonical equations coupled with the linear complementarity equations, which are solved by a linear complementarity solver in the discrete-time domain. The costate variable information is also evaluated by the proposed method. The parametric variational algorithm proposed in this paper is suitable for both time-invariant and time-varying systems. Two numerical examples are used to test the validity of the proposed method. The proposed algorithm is used to astrodynamics to solve a practical optimal control problem for rendezvousing spacecrafts with a finite low thrust. The numerical simulations show that the parametric variational algorithm is ef- fective for LQ optimal control problems with control inequality constraints.     

对称分析法

数学中的对称性 ,随处可见 .它不仅是一种审美标准 ;而且是一种探索工具 ,在解数学题 ,特别是一些竞赛题时 ,若能分析和挖掘题中的对称因素 ,并利用对称性设计相应的解法 ,往往能避开一些难点 ,使问题得以顺利解决 .这种通过分析对称性解题的方法叫做对称分析法 .下面通过具体的素材展示对称分析法的力量和美 .1　一个问题中存在对称性可提供减少工作量的办法例 1　设 0 <ａ <1 ,0 <ｂ <1 ,0 <ｃ <1求证 :ａｂｃ(1 -ａ) (1 -ｂ) (1 -ｃ)≤ (14) 3.分析　由于左式是对称式 ,所以只要证明ａ(1 -ａ)≤ 14即可 .因ａ和 1 -ａ都为正数 ,所以ａ(1 …     

显示控制模拟实验系统的总体设计

显示控制管理分系统作为第三代战斗机综合航电系统的核心分系统,采用综合显示和集中控制的方式完成飞行员与飞机之间的人机交互功能。针对院校缺乏实装难以满足综合航电专业教学需求的现实问题,论述了显示控制模拟实验系统的功能需求,搭建了基于TCP通信的总体框架,分析了显示控制模拟设备的集成方案,以构建逼真的半实物操作环境;分析了模拟实验系统软件的总体结构、主控、界面管理、画面显示与管理、通信、设备功能仿真等模块的设计,以及反映教学需求实验项目的开发,为进一步的软件代码实现奠定了基础,也为其他机型航电模拟训练系统的研制提供了切实可行的技术途径。