7.3.2 氢／锂混合能源无人机能源系统紧耦合管理与控制数学仿真实验
1.实验目的
（1）了解紧耦合能源管理与控制的实施方法，理解紧耦合与松耦合能源管理的区别，体会紧耦合能源管理的优势。
（2）熟悉紧耦合能源管理最优控制问题的建立方法，了解非线性规划问题的求解方法，学习使用高斯伪谱法求解工具。
7.3.2节实验参考程序
2.实验内容
氢燃料电池／锂电池混合动力无人机紧耦合能源管理仿真。
3.实验设备及软件
本实验所需的主要设备包括计算机、MATLAB软件、最优控制问题求解工具包，详见表7-3。
表7-3 本实验所选用设备及软件
4.实验过程
1）建立仿真模型
根据7.1节和7.2节的模型分析，考虑无人机在二维铅垂面内的爬升过程，分析无人机的受力情况，如图7-20所示。
飞机抬头以爬升角γ和迎角α爬升飞行，其受力主要由升力L、阻力D、重力W和来自螺旋桨的拉力T组成。假设推力线与机身纵轴一致，由牛顿第二定律可推导在其飞行过程中的质心运动方程和刚体转动方程如下：
图7-20 飞行过程受力分析
式中，h——爬升高度；
v——飞行速度；
m——无人机质量。
考虑到在飞行过程中能源与飞行平台状态之间的耦合关系，建立最少氢耗爬升的紧耦合最优控制模型，详见7.2.2.2节。无人机的质量和气动参数如表7-4所示。假定电池容量Q b＝2 Ah，电池内阻特性和螺旋桨气动特性参数曲线如图7-21所示。
表7-4 无人机的质量和气动参数
图7-21 电池内阻特性和螺旋桨气动特性参数曲线
（a）锂电池开路电压和内阻随SOC的变化曲线；（b）螺旋桨拉力系数和扭矩系数
2）建立仿真边界约束
假设燃料电池无人机由离地10 m爬升至指定高度并转平，爬升过程各边界约束取值如表7-5所示。
表7-5 边界约束取值范围
3）安装GPOPS-II求解工具包
下载工具包，再解压到工作文件夹，打开MATLAB，运行gpopsMatlabPathSetup.m文件，即可完成安装。
4）编写求解程序
首先，编写主体程序main.m，包括提供初始和终止边界条件、限制变量范围、设置状态和控制变量边界、给出初始猜测值、配置求解器，以及调用GPOPS2函数等；然后，编写模型函数，以及求解过程的模型约束。
5）求解与分析
将main.m文件和其他模型函数文件放置在同一文件夹下，运行main.m文件，即可得出仿真结果；然后，进行状态量和控制量的数据分析。
5.讨论与思考
（1）实验过程如何体现能源系统与飞行平台之间的紧耦合特征？
（2）请进一步仿真分析爬升目标高度对能源管理结果的影响。