桥式吊车系统的伪谱最优控制设计

对于桥式吊车系统的最优控制问题,根据实际的工况要求,性能指标有时不一定是标准的二次形式.同时,在实际的控制问题中,状态和控制输入往往会受到一些边界条件和路径过程中的约束.针对这一问题,本文应用Chebyshev伪谱优化算法来处理,它可以处理状态和控制约束的非线性最优化问题以及一个非标准的目标函数.首先对桥式吊车系统模型进行一系列的坐标变换,将其转变为上三角系统形式的误差模型.然后将桥式吊车最优控制问题转化成具有一系列代数约束的参数优化问题,即非线性规划问题.通过求解离散化后的参数优化问题,得到桥式吊车的最优控制律.本文还给出了Chebyshev伪谱最优解的可行性和一致性分析.最后,在仿真研究中验证该控制器的有效性.     

基于Radau伪谱法的非线性最优控制问题的收敛性

在过去的10年里,伪谱方法(如Legendre伪谱法、Gauss伪谱法、Radau伪谱法)逐步成为求解不同领域中非线性最优控制问题的一种高效、灵活的数值解法.本文从最优控制问题解的存在性、收敛性以及解的可行性3个方面对采用Radau伪谱法求解一般非线性最优控制问题解的收敛性进行研究.证明了原最优控制问题的离散解存在、存在收敛到原最优控制问题解上的离散解和离散形式的收敛解是原最优控制问题的最优解.在此基础上,证明了Radau伪谱法的收敛性.本文结论与现有文献相比,去掉了一些必要条件,更适合一般的非线性时不变系统.     

基于高斯伪谱法的高超声速飞行器再入制导研究

针对高超声速飞行器再入标准轨迹制导方法中存在的制导准备周期长、弹上需存储标准轨迹参数、制导鲁棒性较差等缺点,提出一种基于高斯伪谱法与滚动时域控制技术相结合的高超声速飞行器再入预测-校正制导方案;其中,在线高斯伪谱法采用纵/侧向结合、全程一体化的制导算法思路,实现了对高超声速飞行器再入弹道的全程预测制导;同时结合滚动时域控制技术从工程上实现了高超声速飞行器再入制导中对开环制导信息的闭环应用,完成了飞行器预测-校正制导方案;通过对高超声速飞行器再入制导过程进行仿真分析,结果表明应用文章设计的基于高斯伪谱法与滚动时域控制技术相结合的高超声速飞行器再入预测-校正制导方案,飞行器再入过程中具有良好的制导性能。     

火箭返回着陆问题高精度快速轨迹优化算法

针对垂直起降可重复使用运载火箭子级返回着陆问题,提出一种高精度快速轨迹优化算法.算法将凸化技术与伪谱离散方法有机结合,将非凸、非线性优化问题转化为凸优化问题,进而充分利用凸优化求解快速性、收敛确定性以及伪谱法离散精度高的理论基础.在优化精度方面,建立了高保真优化模型,分析了发动机开机/终端时刻值设计对轨迹最优性的影响;采用flip-Radau谱法对连续最优控制问题进行离散,并利用伪谱法的独特离散时域映射,将开机和终端时刻设计为特殊控制变量,提高了优化结果的精度和最优性.在快速性方面,为利用凸优化方法求解非凸问题,基于一种新的信赖域更新策略,提出了改进序列凸化算法,减少了算法迭代次数,提高了算法收敛性能.数值实验验证了算法的有效性.高精度的优化结果和较高的计算速度,使得算法具有发展为在线最优制导方法的潜力.     

基于伪谱法的滑翔轨迹多级迭代优化策略

伪谱法可实时求解具有高度非线性动态特性的飞行器最优轨迹;以X-51A相似飞行器模型为研究对象,采用增量法与查表插值建立纵向气动力模型,伪谱法与序列二次规划算法求解滑翔轨迹最优控制问题;提出使用多级迭代优化策略,为序列二次规划算法求解伪谱法参数化得到的大规模非线性规划问题提供初值,弥补序列二次规划算法在求解大规模非线性规划问题过程中,出现的初值敏感、收敛速度减慢等问题。通过与传统方法求解出的状态量与控制量仿真飞行状态进行对比,证明了多级迭代优化策略的有效性和高效性,该策略在实际工程应用中取得了良好效果。     

求解最优控制问题的Chebyshev-Gauss伪谱法

提出了一种求解最优控制问题的Chebyshev-Gauss伪谱法, 配点选择为Chebyshev-Gauss点. 通过比较非线性规划问题的Kaursh-Kuhn-Tucker条件和伪谱离散化的最优性条件, 导出了协态和Lagrange乘子的估计公式. 在状态逼近中, 采用了重心Lagrange插值公式, 并提出了一种简单有效的计算状态伪谱微分矩阵的方法. 该法的独特优势是具有良好的数值稳定性和计算效率. 仿真结果表明, 该法能够高精度地求解带有约束的复杂最优控制问题.     

约束非线性系统构造性模型预测控制

研究了连续时间约束非线性系统模型预测控制设计.利用控制Lyapunov函数离线构造单变量可调预测控制器,再根据性能指标在线优化可调参数,其中该参数近似于闭环系统的"衰减率".同时,控制Lyapunov函数保证了算法的可行性和闭环系统的稳定性.最后通过数值仿真验证了该算法的有效性.     

基于改进分段Gauss伪谱法的带推力高超声速 飞行器再入轨迹规划

再入轨迹规划是高超声速飞行器领域的热点问题,已吸引了众多国内外专家的关注. Gauss伪谱法以及分段Gauss伪谱法是解决含有多约束轨迹规划问题的一类有效工具.然而,发动机多次点火熄火导致推力不连续以及点火时刻控制输入的连续性要求是带推力高超声速飞行器再入轨迹优化面临的新挑战.本文将问题简化为多脉冲再入轨迹规划问题,基于改进分段Gauss伪谱法生成满足多条件约束的最优再入轨迹.通过设置分段Gauss伪谱法连续性条件,确保飞行器状态与控制输入在分段点处连续衔接.通过无动力自由再入与带推力再入算例对改进分段Gauss伪谱法进行说明,仿真结果也表明,改进分段Gauss伪谱法可有效求解带推力高超声速飞行器再入轨迹规划.     

求解含复杂约束非线性最优控制问题的改进Gauss伪谱法

针对含有复杂约束条件的非线性最优控制问题,提出了一种改进的Gauss伪谱法 (Improved Gauss pseudospectral method, IGPM). 这类问题难以得到解析解,特别是有些问题不存在解析的模型, 一些参数只能通过查表得到,使得传统方法难以求解. 在传统的Gauss伪谱法的基础上,将非线性的终端状态积分约束等价地转化为线性形式,提出了IGPM, 通过协态映射定理可以计算出协态变量,检验最优性,使得IGPM具有间接法一样的精度. 并且给出了初始时刻协态变量和端点时刻控制变量的计算方法. 为了提高解的精度,基于IGPM提出了迭代算法, 最后将该算法应用于求解高超声速飞行器上升段轨迹优化问题,结果表明最优轨迹基本满足路径约束条件和最优性条件.     

基于保辛算法的绳系卫星系统闭环反馈控制问题求解

应用非线性系统滚动时域控制的保辛算法求解绳系卫星系统子星释放和回收过程的闭环反馈控制问题.通过第二类Lagrange方程推导出二体绳系卫星系统的动力学方程;通过拟线性化方法将绳系卫星系统闭环反馈控制问题转化为线性非齐次Hamilton系统两端边值问题的迭代求解;通过保辛算法将线性非齐次Hamilton两端边值问题转化为线性方程组的求解;通过递进更新时间步的状态变量和控制变量,完成绳系卫星系统的闭环反馈控制.数值仿真表明:相对于Legendre伪谱方法,用保辛算法求解绳系卫星系统的闭环反馈控制问题的计算速度和收敛速度较快.绳系卫星系统的开环控制和闭环反馈控制问题数值仿真结果表明:在绳系卫星的初始状态存在偏差的情况下,使用开环控制会导致系统在终端无法达到稳定状态,而使用闭环反馈控制则能在一段时间内抵消初始状态向量偏差对系统产生的影响,最终达到稳定状态.     

Successive Chebyshev pseudospectral convex optimization method for nonlinear optimal control problems

This article aims at proposing a successive Chebyshev pseudospectral convex optimization method for solving general nonlinear optimal control problems (OCPs). First, Chebyshev pseudospectral discrete scheme is used to discretize a general nonlinear OCP. At the same time, a convex subproblem is formulated by using the first-order Taylor expansion to convexify the discretized nonlinear dynamic constraints. Second, a trust-region penalty term is added to the performance index of the subproblem, and a successive convex optimization algorithm is proposed to solve the subproblem iteratively. Noted that the trust-region penalty parameters can be adjusted according to the linearization error in iterative process, which improves convergence rate. Third, the Karush–Kuhn–Tucker conditions of the subproblem are derived, and furthermore, a proof is given to show that the algorithm will iteratively converge to the subproblem. Additionally, the global convergence of the algorithm is analyzed and proved, which is based on three key lemmas. Finally, the orbit transfer problem of spacecraft is used to test the performance of the proposed method. The simulation results demonstrate the optimal control is bang-bang form, which is consistent with the result of theoretical proof. Also, the algorithm is of efficiency, fast convergence rate, and high accuracy. Therefore, the proposed method provides a new approach for solving nonlinear OCPs online and has great potential in engineering practice.     

On the convergence of nonlinear optimal control using pseudospectral methods for feedback linearizable systems

We consider the optimal control of feedback linearizable dynamic systems subject to mixed state and control constraints. In contrast to the existing results, the optimal controller addressed in this paper is allowed to be discontinuous. This generalization requires a substantial modification to the existing convergence analysis in terms of both the framework as well as the notion of convergence around points of discontinuity. Although the nonlinear system is assumed to be feedback linearizable, the optimal control does not necessarily linearize the dynamics. Such problems frequently arise in astronautical applications where stringent performance requirements demand optimality over feedback linearizing controls. We prove that a sequence of solutions obtained using the Legendre pseudospectral method converges to the optimal solution of the continuous‐time problem under mild conditions. Published in 2007 by John Wiley & Sons, Ltd.     

基于Gauss 伪谱法的导弹过渡段控制律设计

针对滑翔段到巡航段的过渡段控制问题,在考虑地球自转和冲压约束及巡航段初始状态约束条件下,建立了导弹控制律设计模型． 运用Gauss 伪谱法将最优控制问题转换为非线性规划问题,利用SNOPT 对非线性规划问题进行求解． 仿真结果表明Gauss 伪谱法对导弹滑翔段到巡航段的过渡段最优控制律求解是有效的。     

CG伪谱法在欠驱动航天器姿态机动最优控制中的应用

使用Chebyshev-Gauss(CG)伪谱法研究带动量轮和推力器的欠驱动航天器姿态最优控制问题.基于欧拉姿态角和动量矩定理导出两类航天器姿态运动模型,采用Clenshaw-Curtis积分近似得到性能指标函数中的积分项,应用重心拉格朗日插值逼近状态变量和控制变量,将连续最优控制问题离散为具有代数约束的非线性规划(NLP)问题,通过序列二次规划(SQP)算法求解.数值仿真结果表明,对两类欠驱动航天器的姿态机动最优控制均能达到设计控制要求,得到的姿态最优曲线与验证得到的曲线几乎完全重叠.     

Combination of non-classical pseudospectral and direct methods for the solution of brachistochrone problem

In this paper, we propose a combination of non-classical pseudospectral and direct methods to find the solution of brachistochrone problem. The method converts the optimal control problem of brachistochrone, into a sequence of quadratic programming problems. To this end, the quasilinearization method is used to replace the nonlinear optimal control problem into a sequence of constrained linear-quadratic optimal control problems; then each of the state variables is approximated by a weighted interpolation function based on the non-classical orthogonal polynomials. The method gives the information of the quadratic programming problems explicitly (the Hessian and the gradient of the cost function). Using this method, the solution of the brachistochrone problem is compared with those in the literature.     

Parallel Optimal Control for Weakly Coupled Nonlinear Systems Using Successive Galerkin Approximation

This technical note presents a new algorithm for the closed-loop parallel optimal control of weakly coupled nonlinear systems with respect to performance criteria using the successive Galerkin approximation (SGA). By using the weak coupling theory, the optimal control law can be obtained from two reduced-order optimal control problems in parallel, but the resulting problem is difficult to solve for nonlinear systems. In order to overcome the difficulties inherent in the nonlinear optimal control problem, the parallel optimal control laws are constructed in terms of the approximated solutions to two independent Hamilton-Jacobi-Bellman equations using the SGA method. One of the purposes of this note is to design the closed-loop parallel optimal control law for the weakly coupled nonlinear systems using the SGA method. The second is to reduce the computational complexity when the SGA method is applied to the high-order weakly coupled systems.