飞机总体优化设计的新进展

回顾飞机总体优化设计的传统方法 ,介绍多学科优化方法在飞机设计中的应用状况和最新发展。重点讨论为解决设计变量过多和计算耗费太大问题提出的试验设计和响应面近似法以及带不确定性多学科优化的鲁棒设计方法。提出飞机总体优化设计的一些关键研究领域 :气动—结构、气动—隐身、结构—主动控制等 ,最后展望多学科优化在飞机总体设计中的应用前景     

μ理论在电液负载模拟器中的应用

 研究μ理论在电液负载模拟器中的应用，提出电液负载模拟器的鲁棒控制策略。电液负载模拟器是一个复杂的机-电-液复合系统，且是一个强耦合、时变受控对象。综合考虑参数变化、模型变动和干扰等不确定性的影响，利用μ综合控制理论设计电液负载模拟器的鲁棒力控制器，并通过μ分析使用鲁棒力控制器时系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能。给出使用鲁棒力控制器和经典力控制器时的实验结果，实验结果表明所设计鲁棒力控制器的有效性和优越性。     

H~∞方法在鲁棒飞控系统设计中的应用

首先介绍具有良好鲁棒稳定性和鲁棒性能的 H∞方法 ,然后综述几年来 H∞方法在鲁棒飞控系统设计中的应用研究 ,详细说明 H∞ 鲁棒飞控系统设计问题的形成和求解过程 ,并分析模型 /控制器降阶 ,结构不确定性和非结构不确定性的同时镇定 ,多模型设计等与 H∞方法相配合的设计技术的使用     

多控制面飞行器结构与配平鲁棒气动弹性优化方法

基于遗传算法,提出了一种考虑多控制面飞行器结构参数和配平关系中的不确定性的鲁棒气动弹性优化方法,并在一个带有主动气动弹性机翼(AAW)的复杂小展弦比飞机的结构和控制面传动比的鲁棒设计中得到了应用.以非概率形式来衡量设计变量的不确定性变化,采用单目标函数形式,并引入一个反映目标函数相对变化的额外约束来描述鲁棒优化问题.在...     

μ理论在柔顺力控制中的应用

研究μ理论在柔顺力控制系统中的应用.为模拟空间对接强制校正阶段的推出和拉近过程,提出基于6自由度并联机器人位置内环的柔顺力控制策略.综合考虑参数变化、模型变动和外来干扰等不确定性,利用μ综合控制理论设计鲁棒力控制器.通过μ分析比较鲁棒力控制器和经典力控制器的鲁棒稳定性和鲁棒性能.给出鲁棒力控制器和经典力控制器的实验结果,表明所设计鲁棒力控制器的有效性和优越性.     

弹用涡喷发动机鲁棒性能μ综合控制

针对某型弹用涡喷发动机，分析了具有乘性输入不确定性的被控对象中嵌入加权函数的μ鲁棒性能问题，由具有N-△结构的μ综合框架，给出了控制系统获得鲁棒性能的D-K迭代法，设计了弹用涡喷发动机鲁棒μ控制器。仿真结果表明设计的控制器在全飞行包线内不同的弹道上取得了鲁棒性能。     

考虑气动不确定性的鲁棒机翼颤振抑制

对一柔性机翼颤振抑制的鲁棒控制律设计用作考虑频域气动不确定性的鲁棒气动侍服弹性稳定性分析，提出用最小控制功率使机翼稳定的问题。因此，在鲁棒闭环稳定约束情况下把数字优化用于简单低阶控制装置的范数最小化。通过对结构奇异值的上界和从线性稳定性分析得到的特征值提出约束，在优化问题上强制鲁棒稳定性，用增益调度综合得到的控制装置，并在风洞实验中演示了鲁棒机翼颤振抑制。     

飞机纵向非线性系统的鲁棒输出跟踪控制器设计

研究了单输入单输出非线性不确定系统的鲁棒输出跟踪控制。在标称系统可输入/输出线性化、不确定性项有界且满足广义匹配条件的情况下,可得到系统的高增益鲁棒输出跟踪控制器。鲁棒控制器仅依赖于设计参数和不确定性的界。将该方法应用于飞机纵向高阶非线性动态的控制器设计,并进行了数字仿真。结果表明了该方法的有效性。     

气动伺服弹性系统不确定性建模与鲁棒稳定性

 气动伺服弹性系统在不确定性摄动下的鲁棒稳定性问题对于带有自动控制系统的弹性飞行器是非常关键的。利用线性分式变换形式,考虑参数和非参数不确定性的摄动,如广义刚度、广义质量、广义非定常气动力以及伺服系统的不确定性摄动,由各子系统到整个闭环系统依次建立气动伺服弹性的状态空间模型,并应用结构奇异值μ方法分析了系统的鲁棒稳定性。两个算例表明了该建模方法的方便适用以及μ方法在气动伺服弹性鲁棒稳定性分析中的应用前景。     

基于结构奇异值理论的压电柔性结构振动鲁棒控制

基于结构奇异值μ理论,针对含压电作动器和传感器的柔性结构,提出了不确定性振动控制系统的一般分析框架和鲁棒控制器设计方法.考虑了结构的模态参数不确定性和高阶未建模动态,通过引入适当的虚拟输入、输出和相应的加权函数分离出系统的不确定部分,建立适合于鲁棒μ控制器设计的增广系统,用D_K迭代算法求解控制器,以使闭环系统同时满足鲁棒稳定性和鲁棒性能要求.以含一个压电作动器和传感器的悬臂梁为例设计了鲁棒控制器,仿真结果表明对结构振动具有很好的抑制效果.     

大型客机总体设计准则与概念创新

 从研制中国未来具有全球市场竞争力的大型客机为出发点,结合波音和空客下一代大型客机的研究思路以及美国和欧洲近年来围绕大型客机的若干重大研究计划,较深入地分析了在我国的大型客机的研制中实现安全性、经济性、舒适性和环保性总体设计思想的重要性和必要性。在此基础上,就如何建立大型客机综合考虑安全性/经济性/舒适性/环保性设计与评价准则体系,评价思路与方法进行了探索和研究,这对我国大型客机的研制具有借鉴意义。此外,依据详实的数据,分析了2种新概念布局方案,即“BWB-C”型翼布局方案和“大载重浮升式飞机”方案,与目前常规布局方案飞机优缺点,同时分析了应用多学科精细设计方法对于提高大型客机飞机经济性的效果。在此基础上,指出了概念创新和多学科优化精细设计方法大规模应用对于提高大型飞机安全性/经济性/舒适性/环保性的重要意义。     

导弹非线性自适应鲁棒控制系统设计

提出了一种基于全调节RBF神经网络的导弹非线性自适应鲁棒控制系统的设计方法，应用全调节RBF神经网络在线辨识系统中存在的不确定性，利用反演和鲁棒控制技术设计了导弹控制系统，成功地处理了非匹配不确定性，并在虚拟控制中引入了微分阻尼项，有效地改善了系统动态性能。最后，应用Lyapunov稳定性理论推导出RBF神经网络各参数的调节律，并证明了系统状态全局渐近收敛于原点的一个邻域，仿真结果验证了该设计方法的有效性和可行性。     

基于双循环的离心叶轮多学科可靠性优化设计

 针对传统多学科设计优化方法中未能考虑不确定因素的问题,开展基于可靠性的多学科设计优化(RBMDO)方法的研究。以离心式压气机叶轮为对象,综合考虑工作状况和材料参数等随机性因素的影响,利用改进的一次二阶矩(AFOSM)法进行可靠性分析,通过双循环策略将多学科可行优化方法与可靠性分析相结合,合理引入近似技术,建立了基于可靠性的多学科设计优化系统。对某离心叶轮进行多学科可靠性优化设计的算例表明,在满足所有可靠性指标的前提下,该方法可实现离心叶轮综合性能的提高,并有效地缩减设计周期。     

航空齿轮减速器稳健优化设计研究

航空齿轮减速器通常对重量、强度、效率以及可靠性有极高的要求,考虑到其所处工况的随机性、工艺水平的差异性以及材料强度等力学性能参数的波动性,传统的确定性参数优化设计已不能满足工程实际的需求。在传统的确定性优化设计模型的基础上,基于6σ稳健设计基本理论建立齿轮传动系统的多目标稳健设计优化模型,并采用NSGA-Ⅱ多目标优化算法进行求解;以某航空齿轮减速器中单级斜齿圆柱齿轮系统为研究对象进行实例分析。结果表明:本文提出的基于6σ稳健设计理论的齿轮传动系统优化模型充分考虑了不确定性因素对优化的影响,具有一定的工程应用价值。     

涡轮叶片多学科可靠性及稳健设计优化

为了得到一种适用于涡轮叶片复杂结构并同时考虑可靠性及稳健性的多学科设计优化方法,将6sig-ma可靠性及稳健设计优化方法与多学科可行方法(MDF)相结合,采用二阶Taylor展开法进行可靠性及稳健性分析,实现了涡轮叶片多学科6sigma可靠性及稳健设计优化。使用Kriging近似模型并不断提高模型精度,解决了多学科可行方法计算量较大的问题。实例分析表明,与确定性多学科设计优化相比,采用该方法得到的涡轮叶片可靠性及稳健性均有大幅度提高,同时设计目标最优,满足工程应用的要求,验证了该方法在工程应用中的可行性。     

基于单学科可行法的多学科可靠性设计优化

 近年来对多学科系统中不确定性的研究逐渐增多。针对该问题的计算复杂性,利用序列优化及可靠性评估（SORA）框架,提出用单学科可行（IDF）方法来求解多学科可靠性设计优化（RBMDO）问题。此方法将可靠性分析和多学科设计优化分离开来,分为确定性多学科设计优化和可靠性分析两个问题顺序执行,以提高计算效率。可靠性分析和优化的过程都采用多学科设计优化中高效的方法——IDF方法。最后通过例子验证此方法的有效性,算例结果表明,采用基于IDF的方法,学科1和学科2所用的函数计算次数分别减少了28.9%和25.0%。     

飞行器多学科耦合伴随体系的现状与发展趋势综述

多学科耦合伴随方法具有多学科耦合灵敏度计算量与各个学科设计变量个数均基本无关等优点,是一个值得关注的发展方向。面向气动、电磁、声学、结构、红外等与飞行器设计息息相关的学科,针对多学科耦合伴随方法的优势、现状、难点以及未来发展趋势开展研究与论述,系统性地分析了单一学科、多学科伴随方法的核心内容、关键技术与发展现状,对边界条件处理、交叉学科雅克比推导以及大型稀疏矩阵存储处理、求解等关键技术进行系统讨论,针对典型的关键环节和基础科学问题,给出了研究思路与解决方案,并进一步展望了多学科耦合伴随理论与应用发展趋势。希望能够为从事多学科伴随优化方法与应用的研究人员提供有意义的参考,促进多学科耦合灵敏度这一基础科学问题以及基于高保真度分析手段的多学科优化（MDO）技术的发展。     

Uncertainty analysis and design optimization of hybrid rocket motor powered vehicle for suborbital flight

In this paper, we propose an uncertainty analysis and design optimization method and its applications on a hybrid rocket motor(HRM) powered vehicle. The multidisciplinary design model of the rocket system is established and the design uncertainties are quantified. The sensitivity analysis of the uncertainties shows that the uncertainty generated from the error of fuel regression rate model has the most significant effect on the system performances. Then the differences between deterministic design optimization(DDO) and uncertainty-based design optimization(UDO) are discussed. Two newly formed uncertainty analysis methods, including the Kriging-based Monte Carlo simulation(KMCS) and Kriging-based Taylor series approximation(KTSA), are carried out using a global approximation Kriging modeling method. Based on the system design model and the results of design uncertainty analysis, the design optimization of an HRM powered vehicle for suborbital flight is implemented using three design optimization methods: DDO, KMCS and KTSA. The comparisons indicate that the two UDO methods can enhance the design reliability and robustness. The researches and methods proposed in this paper can provide a better way for the general design of HRM powered vehicles.In this paper,we propose an uncertainty analysis and design optimization method and its applications on a hybrid rocket motor(HRM)powered vehicle.The multidisciplinary design model of the rocket system is established and the design uncertainties are quantified.The sensitivity analysis of the uncertainties shows that the uncertainty generated from the error of fuel regression rate model has the most significant effect on the system performances.Then the differences between deterministic design optimization(DDO)and uncertainty-based design optimization(UDO)are discussed.Two newly formed uncertainty analysis methods,including the Kriging-based Monte Carlo simulation(KMCS)and Kriging-based Taylor series approximation(KTSA),are carried out using a global approximation Kriging modeling method.Based on the system design model and the results of design uncertainty analysis,the design optimization of an HRM powered vehicle for suborbital flight is implemented using three design optimization methods:DDO,KMCS and KTSA.The comparisons indicate that the two UDO methods can enhance the design reliability and robustness.The researches and methods proposed in this paper can provide a better way for the general design of HRM powered vehicles.     

摆动喷管控制导弹回路成形自动驾驶仪设计

针对摆动喷管控制防空导弹存在的伺服气动弹性问题,利用鲁棒回路成形方法在导弹的纵向通道设计了自动驾驶仪。首先,建立了考虑一阶弹性振动影响的纵向小扰动线性化模型;然后考虑到控制系统设计中存在的导弹自身以及外界干扰等不确定因素的影响,采用回路成形的方法,根据系统性能指标的要求,选取了系统期望回路成形函数,构造了防空导弹纵向自动驾驶仪回路成形设计框架,给出了鲁棒回路成形控制增益K∞;最后,对其进行了数字仿真。仿真结果表明,所设计的系统具有良好的鲁棒稳定性和鲁棒性能。     

一种高效的基于可靠性的多学科设计优化方法(英文)

Design for modem engineering system is becoming multidisciplinary and incorporates practical uncertainties; therefore, it is necessary to synthesize reliability analysis and the multidisciplinary design optimization （MDO） techniques for the design of complex engineering system. An advanced first order second moment method-based concurrent subspace optimization approach is proposed based on the comparison and analysis of the existing multidisciplinary optimization techniques and the reliability analysis methods. It is seen through a canard configuration optimization for a three-surface transport that the proposed method is computationally efficient and practical with the least modification to the current deterministic optimization process.