飞行控制用无刷直流电动机的优化设计

飞行控制中机电作动系统的发展是全电飞机的重要技术之一,而高速大功率密度的无刷直流电动机是其中的关键部件.为解决无刷直流电动机设计中的非线性优化问题,提出了使用遗传算法进行优化设计.为解决无刷直流电动机多目标优化问题,采用了多目标函数变量加权法,将多目标函数变成单目标函数进行优化计算.在计算中,为达到无刷直流电动机全局优化的目的,采用随机产生离散初始种群及随机交叉操作和变异操作方法.但由于采用随机交叉和变异操作,优化结果始终是发散的.为此采用优秀个体保护策略,加快了优化设计的收敛.在满足技术要求的前提下,通过计算达到了减小电机的体积重量、减小转子转动惯量及机电时间常数、提高无刷直流电动机功率密度的目的.      

基于微小卫星合作博弈的失效航天器姿态接管控制

针对多颗微小卫星接管控制失效航天器姿态运动的问题,提出了一种基于多颗微小卫星合作博弈实现对失效航天器姿态接管控制的方法。首先,面向失效航天器姿态接管控制任务需求,设计了各颗微小卫星的局部目标函数,并在考虑多颗微小卫星与失效航天器所形成组合体的动力学约束、微小卫星控制约束的情况下,建立了多颗微小卫星的合作博弈模型。其次,为实现失效航天器对时变期望姿态轨迹的跟踪,在合理设计期望姿态轨迹的基础上,通过构建组合体增广姿态运动方程,将跟踪期望姿态轨迹的要求描述为微小卫星合作博弈控制问题中的一组约束,并建立了多颗微小卫星控制失效航天器跟踪时变轨迹的合作博弈帕累托最优策略的求解框架。最后,对微小卫星合作博弈控制方法的有效性进行仿真验证,结果表明：该方法能够在不需要进行微小卫星控制分配的情况下,通过多颗微小卫星的合作博弈实现对失效航天器的姿态接管控制。与传统方法相比,这种控制方法可避免进行微小卫星之间的控制分配,能够实现微小卫星能量消耗的全局最优且设计简单便于考虑微小卫星的控制约束。     

卫星天线复合材料框架的铺层优化设计

为了改善卫星天线复合材料框架的结构动力学性能,提出了一种针对卫星天线框架复合材料铺层的两阶段优化设计方法。阶段Ⅰ以各铺层的角度为设计变量进行铺层顺序优化,框架基频的最大化为优化目标,铺层数的最大值为约束条件。其中设计变量用一种多进制码来表示,并将多进制码映射为连续变量,应用粒子群优化(PSO)算法对阶段Ⅰ优化模型进行求解。在阶段Ⅰ优化结果的基础上,阶段Ⅱ主要是优化复合材料的层数,以基频最大化与质量最小化为优化目标建立多目标拓扑优化模型,应用第2代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行求解。为了验证该方法的有效性,对某大型卫星天线复合材料框架进行优化设计,结果表明:该方法能有效地减小天线板复合材料框架的质量,并提高基频。     

基于双层博弈的多臂在轨服务航天器路径规划

针对在轨服务多臂航天器系统高精度的位姿协同要求及其运动过程中的避障约束,提出一种基于机械臂末端（腕关节）和肘关节的双层博弈多臂路径规划方法。研究建立了多臂运动学模型,在博弈论基础上建立多臂的博弈模型;给出了双层博弈的基本算法流程及其纳什均衡解的求解策略;以动目标多臂围捕为场景进行仿真分析,验证所提出算法末端精确跟踪抓取和肘部避障能力的有效性和实用性。所得结果可为多臂在轨服务航天器的智能化路径规划与控制提供新的解决方案。      

基于近似动态规划的目标追踪控制算法

在目标跟踪问题中,针对飞行器控制算法难以适应目标大机动飞行甚至与我方博弈等难度较大任务的问题,提出了基于近似动态规划的目标追踪控制算法。该算法通过使用博弈策略对我方无人机进行训练形成经验,将双方位置等状态作为已知量,滚转方向作为控制量,利用两物体的相对位置得出其特征,并形成近似值函数;最终利用rollout算法进行最优跟踪决策求解,实现对跟踪目标甚至是博弈目标的灵活有效精确跟踪。仿真结果验证了近似动态规划用于控制算法的有效性。      

基于可靠性的CFRP螺栓连接优化设计方法

螺栓连接是复合材料结构的薄弱环节。因此，螺栓连接部位的设计是先进复合材料结构设计的关键之一。将修正特征曲线方法和随机参数统计模型结合，建立了碳纤维增强复合材料（CFRP）螺栓连接失效载荷的概率分析模型，进而以关键影响参数为设计变量，以可靠度指标为约束，以连接结构质量为设计目标，发展了基于可靠性的CFRP螺栓连接优化设计方法。采用正交试验设计方法建立基于可靠性的螺栓连接优化设计计算方案，优化结果表明:关键影响参数X_C为2 450 MPa、t_ply为0.174 mm、E₁₁为225 GPa时的设计方案为螺栓连接最佳设计方案，该方案使得外载荷为17.5 kN时，螺栓连接可靠度由0.998提高到0.999 999以上，同时使得连接结构的质量下降了6.44%。      

改进遗传算法在飞机总体参数优化中的应用

基于飞机总体参数设计中的多目标优化问题,提出了改进的多目标遗传算法.算法围绕Pareto最优解的概念,利用遗传算法的内在并行性,设法求取多目标优化问题的"Pareto前沿".将不同的改进遗传算法应用于同一干线客机总体参数优化设计中,要求巡航升阻比和有效载荷系数两个目标达到最大,并对各种算法所得的结果进行综合分析与比较,结果显示:基于Pareto排序的多目标优化算法(NSGA,Non-dominated Sorting Genetic Algorithm)的Pareto解最优,可以支配改进的向量评价遗传算法(VEGA,Vector-Evaluated Genetic Algorithm)和随机权重遗传算法(RWGA,Random-Weight Genetic Algorithm)的结果;而VEGA和RWGA的结果互有优劣.      

旋翼翼型高维多目标气动优化设计

先进旋翼翼型设计是典型的多设计点、多目标优化问题,常规优化方法已无法满足翼型高维多目标优化设计的要求。基于分解的多目标优化算法（MOEA/D）,建立了考虑高低速升阻特性、力矩特性、阻力发散特性等的旋翼翼型高维多目标优化设计方法,并采用高精度kriging模型以提高优化设计效率。针对旋翼内段、中段翼型进行了5个设计目标的全局优化设计,采用自组织图映射（SOM）方法对最优Pareto解集进行了聚类分析。典型翼型CFD结果分析表明,中段翼型低速力矩系数幅值减小约50.7%,高速最大升力系数提高约6.5%,最大升阻比提高约7.7%,同时阻力发散特性得到改善,内段翼型同样取得了良好的多目标优化效果。研究表明,MOEA/D算法对高维多目标气动优化设计问题具有很好的适应性,能有效提升旋翼高低速气动性能设计的能力。      

模糊-随机混合参数的机构运动可靠度计算方法

在目前机构产品的参数当中普遍存在着模糊变量和随机变量混合的情况,而现有的模糊-随机可靠度求解方法一般针对静态问题进行分析,不能有效描述具有混合不确定性的机构运动时变问题。基于机构运动误差分析,同时考虑失效判据和变量的模糊性,提出了基于改进包络函数的模糊-随机时变机构可靠性建模及计算方法。首先,将模糊判据转化为极限状态方程中的随机变量;其次,利用模糊论中的截集法处理模糊-随机混合变量,建立机构产品的模糊-随机时变可靠性模型;再次,利用改进的包络函数计算机构的运动时变可靠度;最后,结合四连杆机构的运动误差问题,验证了本文方法的可行性,结果表明该方法具有较高的计算精度。      

橡皮液压成形工艺的可靠性稳健优化设计方法

针对当前橡皮液压成形工艺过程中材料特性、工艺参数和其他随机因素都存在的固有波动问题,面向飞机精准制造,提出了一种考虑不确定性的可靠性稳健优化设计方法.该方法基于稳健优化设计和合理的可靠性约束,对比了可靠性稳健优化解和传统优化解相关度量指标,并对2B06-O态铝合金板材橡皮成形典型的曲弯边零件进行了工艺试验验证.结果表明该方法可有效降低质量评价指标对不确定性因素的敏感度,提高了橡皮成形工艺的稳健性和可靠性.     

基于博弈交叉效率DEA的装备设计方案评审

基于数据包络分析构建了可以处理效益型、成本型和固定型3种类型指标的多属性综合评价方法.通过引入交叉效率以使评价对象自评与互评相结合,解决了数据包络分析用于多属性综合评价时评价标准不一致的问题;在此基础上,通过引入博弈交叉效率,采取在其它评价对象提升自身效率的同时,被评对象也不断改善效率的策略,弥补了数据包络分析用于多属性综合评价时评价结果不唯一的缺陷,并提升了评价结果的区分度和合理性.通过算例对该方法进行了验证,并将该方法应用于装备设计方案评审,结果表明其能够较好的解决方案的评价排序和择优问题.     

基于贝叶斯准则的支持向量机预测模型

对实际统计数据中存在的相关性、不确定性和非线性问题,提出贝叶斯支持向量机预测模型方法.构建基于高斯分布的权值分布模型描述信息的不确定性,基于先验概率分布和贝叶斯关系获得后验分布模型,利用极大似然方法和递推迭代算法求解后验分布的最佳参数,从而得到关联向量机.建立起基于参数分布多维时间序列预测模型,将每一步迭代过程中的支持向量机输入作为随机变量,考虑数据不确定性的传递,递推得到贝叶斯支持向量机预测输出.由于贝叶斯支持向量机可以有效反映随机影响及其传递,可以克服数据不确定性和相关性的影响,因此基于贝叶斯支持向量机预测效果更加符合实际.实例表明利用贝叶斯支持向量机预测高科技企业发展趋势与实际发展趋势接近,可以克服数据相关性、不确定性和非线性对信息模型的影响,具有较高的预测精度和预测鲁棒性.     

基于智能优化算法和有限元法的多线圈均匀磁场优化设计

针对多线圈均匀磁场优化设计中的高阶求导及优化结果可信度评估问题,提出一种基于智能优化算法和有限元法相结合的多线圈均匀磁场优化设计方法。首先,确定待优化参数,并以磁场偏差率作为目标函数;然后,采用智能优化算法对目标函数进行寻优;最后,基于优化得到的结构参数,建立相应的有限元仿真模型,检验优化结果的可信度。以2组亥姆霍兹线圈的结构参数优化为例,仿真结果表明,本文方法求得的最优参数优于传统的求导方法寻优得到的参数,且经过有限元法检验后,该优化结果的可信度得到了确认。      

Optimization design of satellite separation systems based on Multi-Island Genetic Algorithm

The separation systems are crucial for the launch of satellites. With respect to the existing design issues of satellite separation systems, an optimization design approach based on Multi-Island Genetic Algorithm is proposed, and a hierarchical optimization of system mass and separation angular velocity is designed. Multi-Island Genetic Algorithm is studied for the problem and the optimization parameters are discussed. Dynamic analysis of ADAMS used to validate the designs is integrated with iSIGHT. Then the optimization method is employed for a typical problem using the helical compression spring mechanism, and the corresponding objective functions are derived. It turns out that the mass of compression spring catapult is decreased by 30.7% after optimization and the angular velocity can be minimized considering spring stiffness errors. Moreover, ground tests and on-orbit flight indicate that the error of separation speed is controlled within 1% and the angular velocity is reduced by nearly 90%, which proves the design result and the optimization approach.     

基于均方根容积粒子的SMC-PHD算法

传统的序贯蒙特卡罗概率假设密度(SMC-PHD)算法采用状态转移密度作为重要性采样函数.当目标非线性运动时,少数粒子将具有较大的权值,导致估计精度低、结果发散.针对上述问题,提出了一种基于均方根容积卡尔曼滤波(SCKF)和统计门限技术的重要性采样函数设计方法.在重要性采样函数估计时,首先利用SCKF对重要性采样函数的均值和协方差阵进行预测,而后利用统计门限技术提取与重要性采样粒子相关联的量测.通过相应的权值对所提取的量测进行合并,更新重要性采样函数的均值和协方差阵.在此基础上将设计的重要性采样函数应用于SMC-PHD的强度预测和更新,最终实现多目标状态和数目的估计.实验表明,本算法在非线性多目标跟踪中具有精度高、估计结果稳定的优点.      

直觉模糊制造知识驱动的公差稳健优化设计

鉴于各类制造因素在表述方式、度量方法及其与成本的关系等方面均存在一定的模糊性和可变性,基于直觉模糊集理论和稳健设计原理,提出了直觉模糊制造知识驱动的公差稳健设计方法.首先,从工艺装备价值、零件可加工性、加工工艺属性、产品属性、人员技术水平等5个方面建立直觉模糊制造知识集,研究了知识元素构成和元素水平划分;然后,建立了包含目标层、准则层和知识层的制造成本评估指标体系,采用多级直觉模糊综合评判法计算制造成本因子φ,与传统模糊综合评判相比,更符合真实评判逻辑;最后,结合成本-公差模型和装配模糊质量损失函数,建立了公差的模糊稳健优化模型.该方法符合面向制造的设计理念,综合考虑了各类制造知识对公差设计的影响,航空油箱装配的实例分析表明了该方法可行,且具有好的灵活性和鲁棒性等优点.     

多种失效模式履带车辆扭力轴可靠性稳健设计

履带车辆扭力轴通常存在多种失效模式,因此对其进行灵敏度设计分析时需要充分考虑不同失效模式的影响。提出一种多失效模式机械零件可靠性灵敏度分析的数值方法,运用随机摄动理论和四阶矩技术,求得各个失效模式状态函数的前四阶矩和可靠性指标,有效解决了结构随机变量参数分布未知时,不同失效模式下构件可靠度的计算问题。根据机械零件发生一种失效模式即整体失效的具体特点,研究含相关性的不同失效模式机械零件的可靠度计算方法。结合灵敏度分析的梯度算法,推导出关于随机变量均值和方差的灵敏度计算公式,进而根据灵敏度的分析结果,提出多种失效模式下多目标优化的可靠性稳健设计模型。数值算例表明,本文方法可以高效迅速地估计多失效模式下机械构件的可靠性灵敏度。最后还对其进行了可靠性稳健优化设计研究。