最优控制理论与航空航天应用

课程编码：180215082501P3004H 英文名称：Optimal Control Theory with Aerospace Applications 课时：40 学分：2.00 课程属性：专业课 主讲教师：高扬等

本课程以航空航天应用为背景讲授最优控制理论，旨在帮助研究生掌握最优控制理论基础知识和方法，认识和理解航空航天飞行器最优控制问题，掌握典型的飞行器最优控制问题求解方法，了解飞行器最优控制的前沿研究工作。课程分为四个部分：飞行器最优控制基础知识，离散与连续系统最优控制，飞行器轨迹优化，飞行器导航、制导与控制。前两部分较为基础，后两部分着重于航空航天飞行器最优控制方法。要求选课同学具有良好的高等数学、线性代数基础知识、飞行器动力学和控制理论基础知识，具有较好的程序编写能力。

高等数学、线性代数、优化算法基础、航空航天飞行动力学基础、现代控制理论。

第一章 飞行器最优控制基础知识
第1节 航空航天飞行器最优控制概述 3学时 高扬
第2节 无约束/约束参数优化问题及数学规划法 3学时 刘伟
第3节 动态系统最优控制问题变分法 3学时 刘伟
第二章 离散与连续系统最优控制
第1节 极大/极小值原理，动态规划 3学时 高扬
第2节 线性二次型问题 3学时 刘伟
第3节 LQR最优控制设计与仿真 3学时 刘伟
第三章 飞行器轨迹优化
第1节 飞行轨迹优化问题 3学时 高扬
第2节 有限推力航天器轨迹优化问题 3学时 高扬
第3节 飞行器轨迹实时优化 3学时 刘伟
第4节 大气再入、动力下降着陆轨迹最优控制问题 3学时 刘伟
第四章 飞行器导航、制导与控制
第1节 最优滤波方法，随机最优控制 3学时 刘伟
第2节 线性二次型高斯控制LQG，模型预测控制 3学时 刘伟
第3节 机器学习最优控制方法最新研究进展 2学时 刘伟
第4节 总结与测试 2学时 高扬

高扬，男，研究员，博士生导师。1974年生。先后在北京航空航天自动控制系（1997），中国科学院遥感卫星地面站（2000），美国密苏里大学获得学士（2003）获得学士、硕士和博士学位。长期从事航天动力学、导航与控制学科应用基础研究，曾受到国家自然科学基金青年和面上项目、863及重点研发项目、中科院重点部署项目等支持，已发表学术期刊论文40余篇。参与了我国载人航天工程任务，负责实施了我国天宫二号空间实验室（2016.9-2019.9在轨）综合精密定轨专项，实现了低轨大型载人航天器厘米级精密定轨。所取得的预先研究和工程研制成果获得省部级科技进步奖（2017年一等1项、2019年二等1项），获得2020年度国务院政府特殊津贴。高扬研究员是中国力学学会全国空间轨道设计竞赛（2009-至今）的主要组织和推动者，共同编著出版了《纪念全国空间轨道设计竞赛十周年》一书，2017年参与创办了我国航天领域首份国际英文期刊《Astrodynamics》担任共同主编，组织举办2022年第28届航天飞行动力国际研讨会。近5年来，率先阐明地月空间战略意义及DRO应用价值，开展了地月空间探索与利用的预先研究和关键技术攻关，推动中科院先导专项“地月空间DRO探索研究”的立项和实施，担任该专项飞行任务总体设计项目负责人和专项首席科学家。
刘伟，男，副研究员 硕士生导师。1988年生。本科（2006）、硕士（2010）毕业于北京理工大学；2015年至2020年攻读中国科学院大学博士学位。2013年至今在中国科学院空间应用工程与技术中心工作。现为中国科学院空间应用工程与技术中心副研究员。2020年入选中国科学院青年创新促进会会员。
主要研究方向为空间复杂系统运动控制的理论与方法，已获得7项预研课题资助，包括国家自然青年科学基金项目、中科院空间先导专项、载人航天领域预研项目、中科院国防科技创新基金等，担任3项载人航天工程型号任务的动力学与控制主管设计师。突破了若干“高精度”建模、制导与控制技术难题，支持了空间高微重力悬浮、空间引力波探测、小行星采样返回、地月空间DRO探索研究等任务。在天舟一号货运飞船主动隔振项目中，负责了主动隔振平台的控制方法研究、算法设计与系统测试，最终在轨实现了μg微重力水平，隔振性能达到国际先进水平，荣获2019年军队科技进步二等奖（本人排名第三）。相关研究成果已应用于中国空间站多个实验平台，包括高微重力实验柜、流体物理实验柜、超冷原子实验柜等，对于改善载荷微重力环境和提高空间站应用效益具有重要价值。在本领域发表学术论文20多篇、授权国家发明专利9项。