溫 杰,周 歡,叢戎飛,丁智堅,張 旭

(1.中國工程物理研究院 總體工程研究所,四川 綿陽 621999;2.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 空天技術(shù)研究所,四川 綿陽 621000)

0 引言

高馬赫數(shù)飛行器因具備高機動、快速打擊優(yōu)勢成為目前各軍事大國競相研究的熱點[1-2],準平衡飛行段彈道優(yōu)化是突破敵方反導攔截系統(tǒng)的關(guān)鍵。高馬赫數(shù)飛行器準平衡飛行過程中不僅要考慮動壓、過載、熱流率等約束限制,還需要對多禁飛區(qū)(自然環(huán)境、政治軍事因素形成的)進行規(guī)避[3]?，F(xiàn)有針對禁飛區(qū)的研究成果相對較淺,主要通過彈道優(yōu)化或設(shè)計橫向制導邏輯規(guī)避禁飛區(qū)。

在彈道優(yōu)化方面,高馬赫數(shù)飛行器準平衡飛行段彈道優(yōu)化問題具有較高的非線性和復雜度,經(jīng)典變分法和Pontryagin極小值原理難以高效求得最優(yōu)解,因此通常用直接法進行求解[4]。直接打靶法是直接法中典型的代表方法,其通過離散控制變量,將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題[5],具有通用性好、易實現(xiàn)等優(yōu)點。但直接打靶法的收斂性能依賴于終端時刻和控制量初末時刻猜想值,在工程實際應用中初值難以預估,需要進行相應的改進[6]。在橫向制導邏輯方面,方法主要包括觸角法[7]、傾側(cè)角符號反轉(zhuǎn)法[8]、人工勢場法[9]等,其通過在線設(shè)計制導策略來規(guī)避禁飛區(qū),但并未考慮終端時刻性能指標的最優(yōu)性(如最遠航程等)。

遺傳算法是一種模擬自然選擇和生物進化過程搜索全局最優(yōu)的方法[10-11],因其具有較強的魯棒性,對初值不敏感,對于大型、復雜非線性系統(tǒng)的全局優(yōu)化問題具有良好的性能,在彈道優(yōu)化領(lǐng)域得到了廣泛的應用。如Cai等[12]利用遺傳算法優(yōu)化了以航程為目標函數(shù)的預測模型的飛行路徑;Dancila等[13]提出一種基于遺傳算法的新型飛行軌跡優(yōu)化方法,選擇優(yōu)化標準為總成本最小,候選軌跡定義為橫向和縱向兩部分;Ergezer[14]開發(fā)了一種新的多目標遺傳算法來解決路徑規(guī)劃,優(yōu)化目標為軌跡長度、完成任務所需的時間以及耗能。但需要強調(diào)的是,遺傳算法中適應度函數(shù)的選取直接關(guān)系到收斂速度以及是否能尋找到最優(yōu)解[15],文獻[16]在適應度函數(shù)中引入自適應調(diào)節(jié)機制,設(shè)計了一種適應度函數(shù)可隨種群迭代次數(shù)增加而自適應調(diào)整的自適應遺傳算法,以此來增加種群多樣性,進一步快速、準確的逼近全局最優(yōu)解。

基于以上分析,本文中將控制量初末時刻值納入優(yōu)化設(shè)計變量,以終端約束中復合約束項(如速度和高度等)為判斷條件,提出一種基于改進直接打靶法和自適應遺傳算法的混合優(yōu)化算法,并應用到高馬赫數(shù)飛行器準平衡飛行段彈道優(yōu)化問題中。通過仿真計算控制量及狀態(tài)量,評估彈道性能,得出結(jié)論。

1 準平衡飛行段彈道優(yōu)化問題

1.1 高馬赫數(shù)飛行器運動學模型

忽略地球自轉(zhuǎn)以及曲率影響,將地球假設(shè)為平面,分別在彈道坐標系和地面坐標系建立動力學方程和運動學方程,得到3自由度高馬赫數(shù)飛行器質(zhì)心運動方程組簡化模型[17]:

(1)

式(1)中:V(t)為飛行器速度,θ(t)和ψv(t)分別為彈道傾角和彈道偏角;y(t)為高度,x(t)和z(t)分別為縱程和橫程;m(t)為飛行器質(zhì)量,g為重力加速度,α(t)為攻角,γv(t)為速度傾斜角。αB為平衡攻角,βB為平衡側(cè)滑角;YB和ZB分別為αB、βB所對應的平衡升力和平衡側(cè)向力,X為阻力,計算表達式如下

(2)

式(2)中:Cx、Cy為阻力系數(shù)和升力系數(shù),q=0.5*ρ*V2,其中ρ為高馬赫數(shù)飛行器所處高度的空氣密度,S為飛行器參考面積。

1.2 約束條件

1) 控制約束

為保證飛行器穩(wěn)定飛行,控制量攻角α和速度傾斜角γv要限制在一定的范圍內(nèi):

(3)

2) 過程約束

① 熱流率、動壓、過載約束。一般而言,高馬赫飛行器在準平衡飛行過程中必須滿足熱流率、過載、動壓等硬約束,公式表示如下

(4)

② 禁飛區(qū)約束。禁飛區(qū)是因自然環(huán)境、政治軍事因素形成的不允許飛入的區(qū)域,本文中禁飛區(qū)選取典型規(guī)則形狀圓柱形,中心點為(xi,yi,zi),半徑為ri,具體表達式如下

(5)

設(shè)L(x(t),t)是飛行器到禁飛區(qū)的最短距離,則禁飛區(qū)約束可表示為L(x(t),t)≥εn,其中εn為無窮小正常量[3]。

3) 終端約束。為滿足中末制導交接班需求,需對準平衡飛行段終端時刻的高度、速度、彈道傾角設(shè)定約束

(6)

式(6)中:yf、Vf、θf分別為終端時刻的高度、速度和彈道傾角;ydf、Vdf、θdf分別為預定的終端時刻的高度、速度和彈道傾角;εh、εv、εθ分別為3個約束量的誤差上界。

1.3 目標函數(shù)

一般而言,目標函數(shù)根據(jù)具體任務選定,一般可分為最大航程(最大縱程/最大橫程)、飛行時間最短、終端時刻速度最大等。本文中選擇最大航程(最大縱程/最大橫程)為優(yōu)化目標,目標函數(shù)形式如下

minJ=-Ldf

(7)

式(7)中:Ldf為飛行器的航程。

1.4 問題描述

基于以上分析,高馬赫數(shù)飛行器準平衡飛行段彈道優(yōu)化問題可描述為:在滿足質(zhì)心運動方程組式(1)、控制約束式(3)、過程約束式(4)、式(5)、終端約束式(6)的條件下,尋找控制量攻角α和速度傾斜角γv最優(yōu)時間序列使得目標函數(shù)式(7)最小。更一般性的最優(yōu)控制問題描述如下:尋找控制變量u(t),使得Bolza型性能指標(即Mayer型和Lagrange型的組合)最小,如式(8)所示:

(8)

且滿足質(zhì)心運動方程組約束式(9):

(9)

邊界條件約束式(10):

φ(x(t0),t0,x(tf),tf)=0

(10)

以及不等式約束(過程約束)式(11):

C(x(t),u(t),t)≤0

(11)

2 改進直接打靶法——自適應遺傳算法

2.1 改進直接打靶法

直接打靶法是一種僅離散控制變量的方法,描述運動軌跡的狀態(tài)變量需要根據(jù)參數(shù)化后的控制變量對運動方程組數(shù)值積分獲得,對于高馬赫數(shù)飛行器準平衡飛行段彈道優(yōu)化問題,一般選擇四階龍格庫塔法(Runge-Kutta)進行求解,以保證數(shù)值計算的精度和穩(wěn)定性。需要注意的是,直接打靶法對初值要求較高,算法的精確性往往依賴于初值猜想的準確程度,可能產(chǎn)生局部極小的問題,為此,對直接打靶進行改進,將控制量初末時刻值一并納入優(yōu)化設(shè)計變量,以終端約束中復合約束項(如速度和高度等)為判斷條件,將彈道結(jié)束時刻作為終端時刻,以此達到降低對初值敏感的目的。

1) 時間變量離散

在彈道優(yōu)化問題中,一般選擇單調(diào)變化物理量為參考自變量,直接打靶法中一般選擇對時間進行離散,得到離散時間序列T,如式(12)所示:

t0=t1

(12)

本文中以終端約束中復合約束項(如速度和高度等)為判斷條件,則tN可取一個較大的值,如tN=1 000 s,可令終端約束單調(diào)變化量結(jié)束時刻為tk=tf。

2) 控制變量離散

以離散節(jié)點處的控制變量為設(shè)計變量,得到離散控制序列U,如式(13)所示:

[u1,u2,…,uk-1,uk=uf,…,uN-1,uN]

(13)

時間節(jié)點之間的控制量通過插值函數(shù)ψi(t)獲取,因此,連續(xù)空間的控制變量做如下近似

(14)

式(14)中:ui為網(wǎng)格節(jié)點處的控制變量。

3) 狀態(tài)變量離散

高馬赫數(shù)飛行器初始狀態(tài)是已知的,即Xi,在通過優(yōu)化算法得到離散控制序列U的前提下,可通過數(shù)值積分的方法,經(jīng)過多次迭代積分,即可得到與時間序列對應的狀態(tài)變量序列X:

[X1,X2,…,Xk-1,Xk=Xf,…,XN-1,XN]

(15)

其中,在高馬赫數(shù)飛行器的彈道優(yōu)化中,數(shù)值積分一般選用四階龍格庫塔法(Runge-Kutta)以保證計算精度。式(15)中:Xk=Xf為終端時刻tf對應的終端狀態(tài)。

4) 最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化

令設(shè)計變量集合如式(16)所示:

Y=[X1,u1,t1,X2,u2,t1,…,Xk-1,uk-1,tk-1,Xf,uf,tf]

(16)

式(8)所示的性能指標可以表示如下:

(17)

式(10)所示的邊界條件可表示為

g1(Y)=0

(18)

式(11)所示的過程約束可表示為

g2(Y)≤0

(19)

綜合式(17)—式(19),可以得到,通過改進直接打靶法彈道優(yōu)化問題已經(jīng)轉(zhuǎn)化為經(jīng)典的非線性規(guī)劃問題,如式(20)所示:

(20)

2.2 自適應遺傳算法

遺傳算法是一類借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機制的搜索全局最優(yōu)的方法,解決了眾多復雜工程問題(如多目標優(yōu)化等),在科學研究及工程實踐中得到了廣泛的應用[14,18]。遺傳算法經(jīng)種群初始化編碼,通過選擇、交叉、變異操作,實現(xiàn)優(yōu)勝劣汰不斷向最優(yōu)性狀進化。自適應遺傳算法在遺傳算法的基礎(chǔ)上,可在適應度函數(shù)、交叉概率、變異概率等幾個方面進行改進?？紤]遺傳算法中適應度函數(shù)的選取直接關(guān)系到收斂速度以及是否能尋找到最優(yōu)解,故本文中主要針對遺傳算法的適應度函數(shù)作出如下改進:① 適應度函數(shù)隨著種群迭代次數(shù)的增加而自適應調(diào)整,以增加種群多樣性,進一步快速、準確的逼近全局最優(yōu)解。② 適應度函數(shù)進行對數(shù)變換,縮小性能指標和終端約束條件之間參數(shù)量級差距,使其更好的反應個體的優(yōu)劣。③ 引入多目標分層規(guī)劃方法,將多個目標按重要程度分成多個優(yōu)先層次,以保證終端時刻滿足終端約束的同時使性能指標最優(yōu)。

具體步驟如下:

1) 種群初始化編碼

自適應遺傳算法首先需要進行初始化編碼,將所求問題可行解表示為遺傳空間的染色體或個體。本文中首先在控制約束范圍內(nèi)構(gòu)造控制量數(shù)據(jù)集,基于改進直接打靶法按照式(12)選取若干時間點,每個節(jié)點時刻的控制量攻角和速度傾斜角構(gòu)成的2個一維數(shù)組α=(α1,α2,…,αN-1,αN)、γv=(γv1,γv2,…,γvN-1,γvN)作為彈道個體的染色體,選擇這種編碼有幾下優(yōu)點:

① 控制約束式(3)可以自動滿足;

② 在3自由度彈道中,當控制量攻角和速度傾斜角歷程確定后可直接得到完整的彈道,若選取其他參數(shù)如彈道傾角、高度等為控制量,在迭代時都需要計算出攻角和速度傾斜角,增加了計算的時間和復雜度。

2) 插值函數(shù)

在給定的氣動數(shù)據(jù)中攻角數(shù)量是有限的,需要經(jīng)過插值得到更多的數(shù)據(jù)量,另外僅有節(jié)點時刻攻角值是不夠的,需進行插值計算。插值的方法主要有線性插值、多項式插值、樣條插值等。本文中采用三次樣條插值,原因如下:

① 控制約束式(3)可以自動滿足;

② 算法易實現(xiàn),與線性插值相比,插值誤差小于線性插值;使用樣條會比使用高階多項式更容易評估,不會受到龍格現(xiàn)象的影響;

③ 通過樣條插值得到的攻角是一條光滑的曲線,不是線性插值的折線,利于飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計。

3) 適應度函數(shù)

(21)

式(21)中:R1=(cd)λ,fi(x)為違反第i個終端約束的懲罰函數(shù)項,pi為第i個終端約束懲罰項的權(quán)重系數(shù),c、λ、?均為常數(shù),d為迭代次數(shù)。J為彈道優(yōu)化目標函數(shù)項,q為相應的權(quán)重系數(shù),K為常數(shù)(保證適應度為正即可)。經(jīng)數(shù)值仿真驗證,取c=0.5,λ=?=2是比較可行的方案。另外在綜合適應度函數(shù)中,終端約束項之間經(jīng)過對數(shù)處理差距較小,因此主要調(diào)節(jié)下一層級性能指標權(quán)重系數(shù)q即可。

4) 選擇操作

從種群中選擇優(yōu)勝個體,淘汰劣質(zhì)個體的操作叫做選擇。選擇操作的目的是將優(yōu)化個體直接遺傳給下一代或者通過配對交叉產(chǎn)生新個體再遺傳給下一代,通常選擇輪盤賭法,設(shè)種群規(guī)模為Q,其中個體i的適應度為Fi,則第i個個體被選擇的概率如式(22)所示:

(22)

5) 交叉操作

交叉操作是體現(xiàn)自適應遺傳算法全局搜索能力強的核心步驟,其根據(jù)交叉概率將兩個染色體交叉組合,以期望父代優(yōu)秀個體優(yōu)秀特征遺傳給子代,產(chǎn)生新的優(yōu)秀個體。本文中選用實數(shù)交叉法,即第k個染色體ak和第l個染色體al在j位的交叉操作為

(23)

式(23)中:b為[0,1]的隨機數(shù)。

6) 變異操作

變異操作的目的有2個,一是增強自適應遺傳算法的局部尋優(yōu)能力,二是維持種群多樣性,以防止未成熟收斂現(xiàn)象。第i個個體的第j個基因aij變異操作為

(24)

式(24)中:amax、amin分別為基因aij的上界和下界;f(g)=r2(1-g0/Gmax)2,r2是一個隨機數(shù),g0是當前迭代次數(shù),Gmax為最大進化次數(shù),r是[0,1]的隨機數(shù)。

2.3 混合優(yōu)化算法

綜前文所述,本文中提出的高馬赫數(shù)飛行器準平衡飛行段彈道優(yōu)化方法為混合優(yōu)化算法,即改進直接打靶法-自適應遺傳算法,主要包含以下步驟:

1) 利用改進直接打靶法將原彈道優(yōu)化問題(原動態(tài)最優(yōu)控制問題)轉(zhuǎn)化為非線性規(guī)劃問題;

2) 在控制約束范圍內(nèi)構(gòu)造控制量攻角α和速度傾斜角γv數(shù)據(jù)集;

3) 將初始狀態(tài)X0作為輸入,將控制量初末時刻值一并納入優(yōu)化設(shè)計變量,利用自適應遺傳算法優(yōu)化改進直接打靶法中離散點處的控制量,并通過三次樣條插值對控制量-時間歷程平滑處理,以終端約束中復合約束項(如速度和高度等)為判斷條件,基于四階龍格庫塔法(Runge-Kutta)進行數(shù)值積分,經(jīng)過若干次迭代計算出最優(yōu)控制u*,同時可以得到狀態(tài)變量曲線最優(yōu)軌跡X*。

算法思路框圖如圖1、圖2所示。

圖1 改進直接打靶法求解思路

圖2 自適應遺傳算法流程圖

3 仿真算例與分析

3.1 仿真相關(guān)參數(shù)

飛行器和地球基本參數(shù)如表1所示?？刂萍s束如表2所示。過程約束如表3所示。邊界約束(初始狀態(tài)和終端狀態(tài))如表4所示。

表1 仿真基本參數(shù)

表2 控制約束

表3 過程約束

表4 邊界約束(初始狀態(tài)和終端狀態(tài))

自適應遺傳算法主要參數(shù)如表5所示。

表5 自適應遺傳算法主要參數(shù)

本文中設(shè)計的自適應遺傳算法主要針對遺傳算法中適應度函數(shù)進行改進,其他參數(shù)可在以下范圍內(nèi)進行設(shè)定:種群規(guī)模:20～100;迭代次數(shù):100～500;交叉概率:0.4～0.99;變異概率:0.000 1～0.1[19]。為防止早熟,一般采用增大變異率或增加種群數(shù)量的方式來解決,故變異率可選范圍內(nèi)的最大值,種群數(shù)量可以適當?shù)脑黾?迭代次數(shù)選擇范圍內(nèi)最低值以減少計算量,交叉操作是體現(xiàn)自適應遺傳算法全局搜索能力的核心,可取較大值,具體如表5所示。

為了驗證構(gòu)建的改進直接打靶法-自適應遺傳算法的魯棒性,將實際飛行過程中氣動參數(shù)視為不確定性較為合理[20]。不失一般性,在原氣動參數(shù)的基礎(chǔ)上,引入正態(tài)分布白噪聲,具體公式如下

(25)

3.2 最遠縱程彈道優(yōu)化

在以最遠縱向航程為目標的彈道優(yōu)化問題中,縱向航程對應x的變化,則性能指標如式(26)所示:

J0=min(-L0)=min(-x(tf))

(26)

利用原算法(即直接打靶法-遺傳算法,需要不斷試測初值,另外適應度函數(shù)需進行對數(shù)變換,否則較難收斂)、構(gòu)建的混合算法:改進直接打靶法-自適應遺傳算法以及在此基礎(chǔ)上引入白噪聲進行仿真,結(jié)果如圖3—圖17所示。

圖3 最佳適應度變化曲線

圖5 彈道傾角變化曲線

圖6 彈道偏角變化曲線

圖7 縱程變化曲線

圖8 高度變化曲線

圖9 橫程變化曲線

圖10 攻角變化曲線

圖11 速度傾斜角變化曲線

圖12 高度-縱程變化曲線

圖13 熱流率變化曲線

圖14 動壓變化曲線

圖15 過載變化曲線

圖16 規(guī)避禁飛區(qū)俯視圖

圖17 規(guī)避禁飛區(qū)三維立體圖

3.3 最遠橫程彈道優(yōu)化

在以最遠橫向航程為目標的彈道優(yōu)化問題中,橫向航程對應z的變化,則性能指標如式(27)所示:

J0=min(-L0)=min(-z(tf))

(27)

利用原算法(即直接打靶法-遺傳算法,需要不斷試測初值,另外適應度函數(shù)需進行對數(shù)變換,否則較難收斂)、構(gòu)建的混合算法:改進直接打靶法-自適應遺傳算法以及在此基礎(chǔ)上引入白噪聲進行仿真,結(jié)果如圖18—圖32所示。

圖18 最佳適應度變化曲線

圖19 速度變化曲線

圖20 彈道傾角變化曲線

圖21 彈道偏角變化曲線

圖23 高度變化曲線

圖24 橫程變化曲線

圖3和圖18給出了種群中最佳適應度值隨迭代次數(shù)變化的過程,由圖可知,原遺傳算法對應的適應度函數(shù)在40代左右趨于收斂,構(gòu)造的自適應算法對應的最佳適應度值在初期變化較大,隨著迭代次數(shù)的增加而逐漸收斂,在10代左右已經(jīng)趨于平穩(wěn),后期在60～90代左右混合算法優(yōu)化控制量最佳適應度函數(shù)值有些許變化,但變化較小,相較于原遺傳算法收斂速度較快。這表明利用自適應遺傳算法對控制變量尋優(yōu)具有較好的收斂效果。

需要說明的是,原算法(直接打靶法-遺傳算法)是通過大量試測初值得到的,在大部分情況下由于對初值敏感,往往得不到規(guī)避禁飛區(qū)的軌跡。而構(gòu)造的混合算法將控制變量初末時刻值納入優(yōu)化設(shè)計變量,以終端約束中單調(diào)變化量(如速度)作為軌跡結(jié)束時刻的判斷條件,初值不需要不斷試測,效率較高。從圖10—圖11、圖25—圖26中,可以看出,構(gòu)建的混合算法:改進直接打靶法-自適應遺傳算法在以最遠縱程/最遠橫程為性能指標的仿真中,控制約束在規(guī)定的范圍內(nèi);圖13—圖15、圖28—圖30中,過程約束中一般約束項熱流率、過載、動壓也在約束范圍內(nèi);圖16—圖17、圖31—圖32中,能直觀看出,混合算法能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)避多禁飛區(qū),滿足了實際需求。

圖25 攻角變化曲線

圖26 速度傾斜角變化曲線

圖27 高度-縱程變化曲線

圖29 動壓變化曲線

圖30 過載變化曲線

圖31 規(guī)避禁飛區(qū)俯視圖

圖32 規(guī)避禁飛區(qū)三維立體圖

最后,在考慮模型不確定性因素的情況下,即氣動系數(shù)引入正態(tài)分布的白噪聲后,最佳適應度函數(shù)曲線在20～30代左右已經(jīng)趨于收斂,自適應遺傳算法對控制變量尋優(yōu)仍具有較好的收斂效果,相應的控制約束、過程約束(熱流率、過載、動壓及多禁飛區(qū))等仍能滿足相應的要求,驗證了構(gòu)建的混合算法具備一定的魯棒性。

為了更直觀反應構(gòu)建的混合算法滿足終端約束,建立如表6、表7所示。

表6 終端約束條件對應的終端狀態(tài)(性能指標:最遠縱程)

表7 終端約束條件對應的終端狀態(tài)(性能指標:最遠橫程)

從圖4、圖5、圖7、圖8和圖19、圖20、圖23、圖24以及表6、表7可以看出,在以最遠縱程/最遠橫程為性能指標的仿真中,混合算法能夠滿足終端約束條件,且相較于原算法性能指標最遠縱程/最遠橫程數(shù)值更大,更接近全局最優(yōu)解,驗證了通過引入多目標分層規(guī)劃方法以保證在終端時刻滿足終端約束的同時使性能指標最優(yōu)的有效性。另外,在考慮氣動參數(shù)受到干擾的仿真中,終端約束仍能滿足要求。

綜上所述,構(gòu)造的基于改進直接打靶法和自適應遺傳算法得到的最優(yōu)性能指標(最遠縱程/最遠橫程)軌跡滿足控制約束、過程約束(動壓、過載、熱流率及禁飛區(qū))以及終端約束條件,能夠規(guī)避多禁飛區(qū),說明了構(gòu)建的混合算法的有效性。其次,相較于原算法(直接打靶法-遺傳算法),混合算法不需要不斷試測初值,收斂速度較快,性能指標更優(yōu),能夠快速、準確的逼近全局最優(yōu)解。最后,在考慮模型不確定因素,即氣動參數(shù)受到正態(tài)分布白噪聲干擾時仍能滿足要求,說明了構(gòu)建的混合算法具備一定的魯棒性。

4 結(jié)論

高馬赫數(shù)飛行器準平衡飛行段彈道優(yōu)化方法是高馬赫數(shù)飛行器研究中主要的關(guān)鍵技術(shù),考慮飛行過程中面臨包含多禁飛區(qū)等復雜約束限制,提出了一種基于改進直接打靶法和自適應遺傳算法的混合優(yōu)化解決方案。

1) 通過對直接打靶法改進,將控制量初末時刻值一并納入優(yōu)化設(shè)計變量,以終端約束中復合約束項(如速度和高度等)為判斷條件,將彈道結(jié)束時刻作為終端時刻,以此降低了對初值的敏感程度。

2) 為進一步快速、準確逼近全局最優(yōu)解,對遺傳算法的適應度函數(shù)進行了三點改進,構(gòu)造了可隨種群迭代次數(shù)增加而自適應調(diào)整的對數(shù)形式的綜合適應度函數(shù),建立了新的自適應遺傳算法。

3) 基于建立的自適應遺傳算法優(yōu)化改進直接打靶法中離散點處的控制量,通過三次樣條插值對控制量-時間歷程平滑處理,并利用四階龍格庫塔法(Runge-Kutta)進行數(shù)值積分,經(jīng)過若干次迭代計算出最優(yōu)控制時間序列,同時得到了能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)避多禁飛區(qū),滿足約束條件且保證航程最遠的理想軌跡。

試驗表明,建立的混合優(yōu)化算法不需要不斷試測初值,相較于原算法(直接打靶法-遺傳算法)收斂速度更快,性能指標最遠縱程/最遠橫程數(shù)值更大,最接近全局最優(yōu)解。另外,考慮實際飛行過程中模型存在的不確定性因素,在氣動參數(shù)中引入了正態(tài)分布白噪聲,結(jié)果表明準平衡飛行過程中各類約束條件仍能滿足要求,說明了構(gòu)造的混合算法具備一定的魯棒性。在應用方面,構(gòu)建的混合優(yōu)化算法本質(zhì)上是一種優(yōu)化方法,不僅適用于高馬赫數(shù)飛行器準平衡飛行段彈道優(yōu)化,也適用于一般的飛行器彈道優(yōu)化問題,為下一步研究不確定性量化的魯棒彈道優(yōu)化問題提供一定的參考價值。