ОПТИМИЗАЦИЯ ПЕРЕЛЕТОВ ПРИ ОГРАНИЧЕНИЯХ НА НАПРАВЛЕНИЕ ТЯГИ

Содержание

Слайд 2

Отсутствие ограничений на направление тяги

p0, pr, pv, λα – сопряженные переменные
pv –

Отсутствие ограничений на направление тяги p0, pr, pv, λα – сопряженные переменные
базис-вектор Лоудена

Минимизируемый функционал:

Функция Гамильтона:

Уравнения движения:

α − вектор тяги

Оптимальная тяга при

Возможно ограничение:

Слайд 3

ПСИОР

Оптимальная тяга

Функция переслючения

ИРТОМ

m = m(t) – масса КА
N = N(r, t) –

ПСИОР Оптимальная тяга Функция переслючения ИРТОМ m = m(t) – масса КА
мощность тяги
с − скорость истечения

1. Идеально регулируемая тяга ограниченной мощности (ИРТОМ)
2. Постоянная скорость истечения с ограниченным расходом рабочего тела (ПСИОР) или импульсная тяга

Отсутствие ограничений на направление тяги

Слайд 4

Проекция вектора на множество

Проекция (абсолютная) вектора b на вектор a:

Проекция bA вектора

Проекция вектора на множество Проекция (абсолютная) вектора b на вектор a: Проекция
b на некоторое замкнутое множество векторов A есть проекция на вектор a ∈ A , на котором достигается max bTa0.
Матрица Р проектирует b на множество А.

P = a0a0T − проективная матрица

Проекцию bi вектора b на вектор ai ∈ A (i = 1, 2, …) назовем локальной проекцией на множество A , если существует такая окрестность вектора ai , что для любого вектора aε из этой окрестности

Слайд 5

Свойства проекций вектора на множество

Свойства проекций вектора на множество

Слайд 6

Общий случай ограничений на направление тяги

Максимум функции Гамильтона достигается при

Матрица проектирует

Общий случай ограничений на направление тяги Максимум функции Гамильтона достигается при Матрица
вектор pv на множество G

pG = Ppv − проекция pv на G

G

⇒ pG = pv
⇒ pG лежит на границе G
⇒ достаточно проверить

G

При ограничении g = 0 граница множества совпадает с самим множеством.

Ограничения на единичный вектор α0 направления тяги:
α0 ∈ G, G: g = 0 или g ≥ 0, g = g(r, v, t, α0)

Слайд 7

Оптимальная тяга

Ограничения на направление тяги

ИРТОМ

ПСИОР

Отсутствие ограничений

Оптимальная тяга Ограничения на направление тяги ИРТОМ ПСИОР Отсутствие ограничений

Слайд 8

Ограничение типа равенства

− делает систему автономной

Ограничение типа равенства − делает систему автономной

Слайд 9

Ограничение типа неравенства

Граница множества G: k компонент вектора g равны нулю, а

Ограничение типа неравенства Граница множества G: k компонент вектора g равны нулю,
остальные n – k компонент строго больше нуля (1 ≤ k ≤ n)

Двусторонние ограничения разбиваются на два неравенства

g = {g1, …, gn},
G = G1∩ G2 ∩...∩ Gn

Если , то pG = pv

Рассмотрим случай , когда pG на границе G

Границы подмножеств Gi могут пересекаться либо не пересекаться (например, в случае двусторонних ограничений)

Слайд 10

Пусть для каждой пары gi, gj одновременное выполнение равенств
gi = 0, gj = 0
либо возможно лишь

Пусть для каждой пары gi, gj одновременное выполнение равенств gi = 0,
для конечного числа значений α0, либо невозможно.
Способ нахождения оптимального α0 при :

Вычисляются все проекции вектора pv на подмножества Gi

Находятся точки пересечения границ каждой пары подмножеств Gi, Gj

Из всех найденных векторов α0 выбираются принадлежащие пересечению G и среди них находится

Ограничение типа неравенства

Слайд 11

Линейные ограничения типа равенства

G: Bα0 = c B = B(r, v, t),

Линейные ограничения типа равенства G: Bα0 = c B = B(r, v,
c = c(r, v, t)

− проективная матрица (проектирует ⊥ В), I − единичная матрица

− оптимальное направление тяги

ограничение типа равенства дает поверхность конуса при n = 1 или линии пересечения поверхностей круговых конусов при n = 2; матрица ВВТ невырожденна если конусы пересекаются
Ограничение выполнимо лишь при |ci| ≤ |bi|

Слайд 12

Линейные ограничения типа неравенства

G: Bα0 ≥ c B = B(r, v, t),

Линейные ограничения типа неравенства G: Bα0 ≥ c B = B(r, v,
c = c(r, v, t)

Gi: ⇒ α0 внутри (ci > 0) или вне (ci < 0) кругового конуса,

− пересечение круговых конусов.

⇒ оптимальное направление тяги достигается либо на поверхности i-го конуса, либо на линии пересечения двух конусов

или

Пусть

Слайд 13

Линейные однородные ограничения

− проективная матрица

Bα0 = 0 B = B(r, v, t)

Линейные однородные ограничения − проективная матрица Bα0 = 0 B = B(r,
− матрица ранга 1 (плоскость) или 2 (прямая)

⇒ Оптимальная тяга либо направлена вдоль заданного вектора, либо ортогональна заданному вектору

Слайд 14

Линейные однородные ограничения
типа неравенства

Bα0 ≥ 0 − телесный угол, ограниченный плоскостями

Линейные однородные ограничения типа неравенства Bα0 ≥ 0 − телесный угол, ограниченный
(полупространство, если В строка)

⇒ оптимальное направление тяги достигается либо на i-й плоскости, либо на линии пересечения двух плоскостей

Слайд 15

Примеры линейных однородных ограничений

Примеры линейных однородных ограничений

Слайд 16

Объединение множеств и смешанные ограничения

Приведенные результаты легко обобщаются на:
Объединение ограничивающих множеств G

Объединение множеств и смешанные ограничения Приведенные результаты легко обобщаются на: Объединение ограничивающих
= G1∪ G2∪ … ∪ Gn
Пример: bTα0 ≥ c > 0 или bTα0 ≤ −c

Слайд 17

Уравнения для базис-вектора Лоудена

Уравнения для базис-вектора Лоудена

Слайд 18

Способы вычисления базис-вектора Лоудена

Численное интегрирование совместно с уравнениями движения

На больших интервалах времени

Способы вычисления базис-вектора Лоудена Численное интегрирование совместно с уравнениями движения На больших
приближенные методы могут расходиться

Слайд 19

Метод транспортирующей траектории

Метод транспортирующей траектории (МТТ) – метод приближенного решения задачи оптимального

Метод транспортирующей траектории Метод транспортирующей траектории (МТТ) – метод приближенного решения задачи
перелета с ИРТОМ, основанный на линеаризации траектории перелета около некоторой близкой кеплеровской орбиты (транспортирующей траектории − ТТ)

Модифицированный МТТ:
x, y − векторы состояния КА и транспортирующей траектории,
ξ0, ξ1 − граничные условия,
A − общее решение сопряженного уравнения в вариациях для ТТ (найдено аналитически в явном виде)
Q − подматрица матрицы А
Δ = А1ξ1 − А0ξ0, А0 = А(t0), А1 = А(t1)

Слайд 20

Метод транспортирующей траектории

Матрица QQT вырожденна, однако матрица S является невырожденной на любом

Метод транспортирующей траектории Матрица QQT вырожденна, однако матрица S является невырожденной на
интервале времени

оптимальная тяга

вектор состояния КА

минимизируемый функционал

масса рабочего тела

Любая требуемая точность достигается путем разбиения интервала времени перелета на подынтервалы.

, β = const − неизвестный вектор

Слайд 21

Применение МТТ при ограничениях на направление тяги

В общем случае Р зависит от

Применение МТТ при ограничениях на направление тяги В общем случае Р зависит
pv = QTβ ⇒ β находится из уравнения

и

В случае линейных однородных ограничений Вα0 = 0 матрица Р не зависит от β

⇒ Невырожденность матрицы S1 является достаточным условием осуществимости перелета при данных ограничениях

Слайд 22

Пример: радиальная тяга

где q = {q1, …, q6} = Qr/r

q1 = q2 = 0 ⇒ rank S1≤ 4

Плоский перелет: Δ1 = Δ2 = 0 (полагая Δ = {Δ1, …, Δ6})

Пример: радиальная тяга где q = {q1, …, q6} = Qr/r q1

Уменьшение размерности:
Δ′ = {Δ3, …, Δ6}, q′ = {q3, …, q6}, β′ = {β3, …, β6}

Матрица может быть невырожденной
⇒ условие невырожденности матрицы S1 может не быть необходимым для осуществимости перелета

Применение МТТ при ограничениях на направление тяги

Слайд 23

Численный пример

Рассматривается перелет к Марсу в 2007 г. с тягой ортогональной направлению

Численный пример Рассматривается перелет к Марсу в 2007 г. с тягой ортогональной
на Солнце

Наличие ограничения на направление тяги приводит к плохой обусловленности матрицы S1 при большом числе подынтервалов (более 30−35), т.е. на коротких интервалах времени интегрирования

Имя файла: ОПТИМИЗАЦИЯ-ПЕРЕЛЕТОВ-ПРИ-ОГРАНИЧЕНИЯХ-НА-НАПРАВЛЕНИЕ-ТЯГИ.pptx
Количество просмотров: 103
Количество скачиваний: 0