Legendre-Gauss拟谱法求解最优控制问题

 提出一种新的求解基于常微分方程(ODE)和微分代数方程(DAE)的最优控制问题的数值方法。本方法基于直接配置法,通过Legendre-Gauss拟谱法同时离散化状态变量和控制变量把最优控制问题转化为一个非线性规划问题。与传统的直接转换法相比,本方法具有精度高、计算量小、结构简单的特点,而且可以求解最优控制“多相”问题。数值结果表明,本方法是一种通用的精度较高的最优控制直接数值求解法,可用于求解ODE/DAE最优控制问题。     

管道曲面构件自动铺丝路径规划

提出了一种基于管道曲面广义螺旋线的铺丝路径生成算法,把芯模曲面的铺丝路径规划问题转化为求解该曲面上的广义螺旋线。利用管道曲面广义螺旋线算法,通过求解初值问题的一阶常微分方程组就可得到精确的位于芯模面上的铺丝路径。该算法具体计算可以利用功能强大的计算软件Matlab中的ODE45函数,该函数是基于自适应的4-5阶龙格-库塔算法,因而可构造具有相对误差以及绝对误差的控制机制的铺丝路径。经过算例验证,该算法操作简单,精度能够满足铺丝技术工艺要求。     

航空发动机状态变量模型的QPSO寻优混合求解法

针对航空发动机控制和故障诊断中的状态变量模型求解存在的系数矩阵精度不高的问题,结合阶跃响应法和拟合法的基础上,提出了一种基于量子粒子群寻优（QPSO）求取发动机状态变量模型的混合求解法。QPSO优化算法求解A,C矩阵使得状态变量模型和非线性模型在动态过程具有较好的吻合,阶跃响应法求取B,D矩阵保证了模型稳态响应一致。利用混合求解法建立了某型涡轴发动机在某一稳态工作点下的小偏离状态变量模型。仿真结果表明,这种方法不仅增强了状态变量模型的求解精度,相对于单纯的拟合法缩短了求解时间,精确的状态变量模型为进一步的故障诊断和控制系统设计提供了条件。     

基于离散伴随方程的三维雷达散射截面几何敏感度计算

针对有限差分法计算雷达散射截面（RCS）梯度效率低，采用高精度雷达散射截面评估时计算代价高的问题，提出了一种基于麦克斯韦积分方程离散伴随方程的RCS梯度高效计算方法。基于伴随方程的梯度计算可以通过一次雷达散射截面求解、一次伴随方程求解获得RCS关于所有设计变量的梯度。其中麦克斯韦积分方程离散伴随方程的形式与原方程基本一致，可以采用矩量法（MOM）及多层快速多极子算法（MLFMA）求解。伴随方程求解计算量与直接雷达散射截面评估基本一致，存储量在直接雷达散射截面评估的基础上增加不明显。通过双椎体模型、导弹模型对基于矩量法、多层快速多极子算法的伴随梯度进行验证，证明了基于伴随方法的RCS梯度计算可以实现复杂外形中RCS梯度的高效、高精度求解，为基于梯度的高精度气动/隐身一体化优化提供了基础。     

基于图像处理思想的自适应网格技术

为了提高激波和旋涡等复杂流动现象的捕捉精度和计算效率,基于图像处理的思想,研究了非结构网格的自适应加密和稀疏算法.将流场计算网格与图像像素类比,借鉴图像处理的方法,提出了一种流场自适应区域的分割算法.该方法能自动对自适应区进行分层,中间区域网格可以达到原来多次自适应的效果,而且提高了生成网格的质量.将算法嵌入到流场求解器中,根据流场求解结果对网格进行自适应,并使用算例进行了验证.     

状态变量模型建立方法

为了克服小扰动方法精度不高、稳态终值响应法动态过程不一致以及传统拟合法的随着维数增加精度下降和拟合时间长等缺点,综合了3种算法（小扰动法、稳态终值响应法和传统拟合法）的优点,设计了基于变尺度法的混合求解方法建立了航空发动机状态变量线性模型。仿真结果表明：建立的航空发动机状态变量线性模型与非线性部件级模型在动态过程响应中吻合良好,而且具有较高的稳态精度,能够保证航空发动机最终稳定值的一致性。     

基于二代小波的轨迹优化节点自适应加密

针对采用直接法求解轨迹优化问题中精度和效率之间的矛盾,提出了基于二代小波轨迹优化节点自适应加密.采用RK(Runge-Kutta)离散方法将原轨迹优化问题转化为非线性规划问题,并采用成熟的非线性规划算法求解.对控制或状态函数进行小波变换得到小波系数,基于小波系数和二分节点的对应关系,根据小波系数的幅值确定下一个迭代步所使用的节点并进行序列优化.算例结果表明:通过设置合适的小波系数阀值,采用较少的时间离散节点即可使优化结果达到预定的精度.与高斯伪谱法软件相比,节点个数大约减少10%,最优指标的精度大约提高1个数量级.      

基于MADS算法与嵌套网格技术的多段翼型优化设计方法研究

基于MADS算法、嵌套网格技术以及刚性动网格技术,以求解RANS方程为气动特性分析方法,对某大型客机带增升装置的多段翼型着陆构型下的缝道、重叠量和偏转角等参数进行优化设计,结果显示,该方法有较高的优化效率及计算精度。     

联立法求解月面上升段最优轨迹的快速收敛控制技术

为了更好地解决复杂约束下的航天器月面上升段在线轨迹规划问题,提出了一种求解最优轨迹的联立框架。首先利用有限元正交配置法将状态变量和控制变量完全离散化,得到一个非线性规划命题。考虑到命题中含有较多的不等式约束并且会随着有限元的增加而增加,故采用内点算法对非线性规划命题进行求解。离散化后的非线性规划命题的规模大幅度增加,导致了优化计算难度的加大和求解时间的增加,为了便于联立法的在线应用,采用收敛深度控制策略从平衡解的精度和计算效率的角度来改进优化算法的实时性。以某航天器载人返回任务月面上升段场景为算例进行仿真,结果表明基于联立法求得的最优控制量序列得到的飞行轨迹满足轨道根数的精度要求,同时利用收敛深度控制策略可以实现快速收敛控制。     

不可压缩流动的高精度非标准格子玻尔兹曼方法

首先回顾了高精度非标准格子玻尔兹曼方法的发展历程,基于高精度通量重构格式,发展了一种通量重构格子玻尔兹曼方法（FRLBM）。采用两种求解方法：一种是将碰撞项隐式处理,直接求解离散速度玻尔兹曼方程（直接法）;另一种是先执行碰撞步,再求解纯对流方程（分步法）。通过收敛性研究,比较了这两种方法的精度和稳定性。研究结果表明,在小时间步长下两种方法误差近似,都能取得高阶精度;然而当时间步长增大,直接法误差几乎不变,分步法误差出现明显上升。由此表明,当取得近似误差时,直接法可以采用较大时间步长,计算效率更高,且直接法的稳定性略占优。接着通过模拟顶盖驱动方腔流验证了FRLBM捕捉流场细节的能力,并且比较了基于半隐格式的显式方法和一阶、二阶及三阶隐式-显式Runge-Kutta格式的时间离散,在不同雷诺数下的最大允许Courant-Friedrichs-Lewy数,数值结果表明二阶隐式-显式Runge-Kutta格式效果最优。最后数值模拟了圆柱绕流,验证了FRLBM计算复杂外形绕流的可靠性。     

高速粘性内流的高分辨率高精度迎风型杂交格式

本文在有限体积离散和ＬＵ分解的基础上，构造出一个新的隐式迎风型杂交格式，并用于求解定常流动的稳态解。     

二维非定常欧拉方程的有限元解法

本文通过求解时间相关的欧拉方程，对振荡翼型的非定常二维无粘可压缩绕流作了数值模拟。求解方程时采用了有限体积积分的方法，并用ＶａｎＬｅｅｒ逆风通量分裂格式来计算控制体通量。隐式格式的采用，大大提高了计算效率；同时，通过插值使得空间离散达到了二阶精度。另外，本文采用基于非结构三角形网格的动态网格来处理刚性物体的移动，从而顺利地解决了复杂几何外形物体的非定常绕流的问题。文章最后给出了ＮＡＣＡ００１２翼型绕四分之一弦线作简谐俯仰振动的计算结果。一个周期内的瞬时压强分布以及升力和力矩系数都与实验结果吻合良好，     

一种大椭圆轨道卫星星历预报方法

针对大偏心率轨道长时间星历预报,稠密输出星历的低效率问题,提出了一种新的星历预报方法。该方法通过建立卫星摄动力模型,对卫星运动方程进行数值积分来获取卫星星历。该方法的轨道积分器以标准的8阶Adams-Cowell多步法为基础,针对大偏心率轨道的特性,在一个轨道周期的不同时段内采用不同的积分步长,同时引入了用于生成小间隔等间距卫星星历的插值公式。该方法降低了卫星运动方程右函数的计算次数,尤其适用于需要稠密输出卫星星历的情况。以STK(Satellite Tool Kit,卫星工具包)的HPOP(High Precision Orbit Propagator,高精度轨道预报)模型为验证基准,通过数学仿真校验了该方法的有效性和精度。算例表明,该方法在预报精度损失很小的情况下,计算时间远小于标准的多步法和HPOP模型。     

求解非定常N-S方程的一种自适应时间步长的罚函数有限元方法

 本文提出了一种求解速度-压力变量形式的非定常不可压N-S方程的数值方法。其中采用罚函数的Galerkin有限元进行空间离散,改进了梯形法的时间积分格式并结合自适应时间步长技术使计算效率最优。文中对圆柱突然启动到Re=100和200时的流场进行了数值模拟,所得到的Karman涡街的诱发过程是满意的。     

贴体曲线坐标系中恢复函数的一种构造方法及应用

本文在结构网格下，从三点迎风紧致逼近出发提出了一种适合于有限体积离散的恢复函数生成办法，在光滑区它具有三阶精度，并且在捕捉激波时有较高的激波分辨率。典型的几个内流算例表明：用该方法得到的恢复函数去计算数值能量时能得到与实验数据较接近的数值解。     

一种无条件稳定的时域推进法与有限元混合分析瞬态热传导问题

本文将一种新的无条件稳定的时域推进法与有限元结合,用于分析瞬态热传导问题。根据微-积分型热传导控制方程,对时间变量在小区闻内插值积分,变初-边值问题为一系列离散时刻的边界值问题,再应用有限元法求解之。由于推进中的每一时刻的解,都严格满足原给定的初始条件,就消除了累积误差的影响。此外,这种时域推进法对时间变量的数值积分也优于数值微分。因而,与现行的基于微分型控制方程,采用时-空有限元模型同时离散,再逐步求解的直接积分算法相比,计算精度可大大提高。不难预料,当求解较长时间后的瞬态值时,本算法的优越性会更加明显。     

Multiple-constraint cooperative guidance based on two-stage sequential convex programming

An improved approach is presented in this paper to implement highly constrained cooperative guidance to attack a stationary target. The problem with time-varying Proportional Navigation (PN) gain is first formulated as a nonlinear optimal control problem, which is difficult to solve due to the existence of nonlinear kinematics and nonconvex constraints. After convexification treatments and discretization, the solution to the original problem can be approximately obtained by solving a sequence of Second-Order Cone Programming (SOCP) problems, which can be readily solved by state-of-the-art Interior-Point Methods (IPMs). To mitigate the sensibility of the algorithm on the user-provided initial profile, a Two-Stage Sequential Convex Programming (TSSCP) method is presented in detail. Furthermore, numerical simulations under different mission scenarios are conducted to show the superiority of the proposed method in solving the cooperative guidance problem. The research indicated that the TSSCP method is more tractable and reliable than the traditional methods and has great potential for real-time processing and on-board implementation.     

基于改进粒子群算法辨识Volterra级数的目标机动轨迹预测

目标机动轨迹预测是空战态势感知和目标威胁评估的重要前提。针对传统目标机动轨迹预测模型复杂度大、预测精度低等问题，结合目标机动轨迹时间序列的混沌特性，提出一种基于相空间重构理论和Volterra泛函级数的目标机动轨迹预测模型。该模型首先采用0-1检测法验证了目标机动轨迹时间序列具有混沌特性；其次，利用C-C法确定嵌入维数和时间延迟，对目标机动轨迹时间序列进行了相空间重构；然后，引入Volterra泛函级数预测模型，为了克服高阶Volterra核函数求解复杂的难题，提出一种混沌变异自适应粒子群算法，构建一种基于改进粒子群算法辨识的Volterra级数预测模型，并将其应用于目标机动轨迹预测；最后，将所提算法与卡尔曼滤波算法以及机器学习算法进行单步和多步预测对比，同时将改进粒子群算法与其他智能算法进行性能比较。仿真结果表明：所提预测模型具有良好的单步和多步预测性能，改进的粒子群算法具有参数辨识精度高、收敛速度快的优点。     

同伦方法及飞机非线性平衡状态确定

运用同伦方法的基本思想研究飞机非线性平衡状态的求解。首先给出不同伦微分方程组的构造方法及解曲线跟踪算法的实现方法，然后针对目前典型同伦算法的不足，给出一种新的同伦算法。并对飞机运动的六自由度非线性方程组平衡解的实例计算，证实这一算法的可行性和有效性，以及在速度和精度上较之某些传统方法的巨大优越性，成功地克服了工程实际中非线性方程传统解法通常存在局部收敛的局限性。