MIDACO on MINLP space applications

A numerical study on two challenging mixed-integer non-linear programming (MINLP) space applications and their optimization with MIDACO, a recently developed general purpose optimization software, is presented. These applications are the optimal control of the ascent of a multiple-stage space launch vehicle and the space mission trajectory design from Earth to Jupiter using multiple gravity assists. Additionally, an NLP aerospace application, the optimal control of an F8 aircraft manoeuvre, is discussed and solved. In order to enhance the optimization performance of MIDACO a hybridization technique, coupling MIDACO with an SQP algorithm, is presented for two of these three applications. The numerical results show, that the applications can be solved to their best known solution (or even new best solution) in a reasonable time by the considered approach. Since using the concept of MINLP is still a novelty in the field of (aero)space engineering, the demonstrated capabilities are seen as very promising.     

空射弹道导弹助推段弹道设计与优化

在弹道优化设计研究中,针对空射弹道导弹弹道优化两点边值问题解析求解困难且对参数敏感的问题,基于将过程优化问题转化为参数优化问题的思想,采用了飞行程序角设计的参数优化方法。根据空射弹道导弹亚声速水平发射的特点,首先基于动力特性设计了其助推段飞行程序角模型,确定了恰当的控制变量参数化结构,在满足飞行过程的多种约束条件下,建立了弹道优化模型,引入序列二次规划法对其进行优化计算,从而实现了对确定优化目标的轨迹快速生成。仿真结果表明,弹道优化计算时间缩短,收敛速度明显提高,可在原有设计基础上,提升优化指标16%,验证了该方法的有效性。     

小型无人机在简化传感器配置下的自主回收控制系统设计

在具备多传感器条件下,借助多传感器信息融合算法可以实现小型无人机的自主回收任务,如何采用少量传感器完成任务是一个重要的研究方向.本文给出一种仅利用单GPS辅以高度表的组合方式来完成小型无人机的自主回收任务.文中以该传感器组合为基础,设计了回收过程中各阶段的控制器结构,并利用序列二次规划(SQP)算法选择了控制律参数,最后利用在Simulink环境下建立的系统数字仿真模型对所设计的控制器结构和控制律参数进行了仿真验 证.仿真结果表明可以完成小型无人机的自主回收任务.     

一种工程实用的跨音速翼型多点优化设计方法

将N-S方程流场分析程序和SQP（序列二次规划）结合起来，发展了一种工程实用的跨音速翼型优化设计方法，用以提高翼型在多个设计点、多种约束条件下的气动性能。由N-S方程计算得到的升力、阻力等气动参数构成目标函数，用数值优化程序对其进行最优化。超临界翼型的设计实例表明，该方法设计质量高，所需机时少，易于实施，有较大的工程应用价值。     

涡轴发动机非线性模型预测控制

 对涡轴发动机进行了非线性模型预测控制(NMPC)研究,设计了非线性模型预测,该控制器主要包括3个方面：预测模型、滚动优化和反馈校正。利用神经元网络模型预测涡轴发动机动态响应过程,得到预测模型;运用序列二次规划(SQP)优化算法进行发动机的在线滚动优化,得到发动机的燃油控制量;根据神经元网络模型与实际发动机对象的输出误差,对控制器的指令信号进行了反馈校正。最后进行了仿真实验,与常规串级PID控制相比较,非线性模型预测控制器的超调量从2.2%降低到0.8%,响应时间从6 s降低到2 s,具有很好的控制品质。     

涡轴发动机加速过程中的寿命延长优化控制

在涡轴发动机加速控制中,同时考虑发动机性能和寿命,优化加速控制策略,设计寿命延长控制.分析了加速过程中的气动稳定性、强度、燃烧稳定性以及功率等限制条件,采用序列二次规划法(SQP)优化算法进行加速控制中的燃油流量优化;根据燃气涡轮第1级静子冷却叶片温度最大值及其叶片型面与端壁的最大温差是影响发动机寿命的主要因素,采用两种寿命延长优化算法,一种是改变涡轮前温度的限制值,另一种是将涡轮前温度和动力涡轮转速同时作为优化目标,根据加权法进行折中.针对某涡轴发动机加载控制过程分别对两种寿命延长控制优化算法进行了仿真,结果表明两种方法均能有效降低涡轮前温度,并对动态性能影响较小,因此优化后的控制策略能有效延长发动机寿命.      

高超声速再入滑翔飞行器多约束轨迹快速优化

为适应高超声速再入滑翔飞行器高动态、多约束的特点,提出了一种快速轨迹优化方法.轨迹优化时将倾侧角控制曲线表示为飞行器能量参数的分段线性函数,从而使纵向轨迹优化问题转化为多维非线性规划问题,并采用序列二次规划(SQP,Sequential Quadratic Programming)方法进行优化求解.横侧向轨迹控制采用偏航角跟踪视线角的方法,设计了视线角误差走廊边界随速度变化的取值,研究了倾侧角反转策略,避免了传统优化中求解倾侧角反转时刻所需的迭代运算.仿真结果表明:该轨迹优化方法在一般高性能微机上生成一条约10 000 km左右的飞行轨迹耗时约5 s,具有较快的优化速度,且精度较高,有一定的工程应用价值 .      

某飞翼布局无人机控制系统重构方法研究

通常是在欧拉坐标系中描述飞机的运动方程,但是当飞机做大幅度的姿态运动时,运动方程的解会出现奇异性.根据某飞翼布局无人机的特点,本文首先建立了基于四元数法的六自由度飞行力学模型.在操纵面的气动数据插值方面,本文用非均匀有理B样条插值法,将插值后的数据进行拟合,得到操纵面气动力系数与舵偏角的关系表达式.在上述基础上,用序列...     

深空机动对运载火箭发射火星探测轨道研究

为解决长征(LM)运载火箭发射火星探测器转移轨道时，因低温入轨级最长允许滑行时间及测控限制，有效发射日期窗口亟需拓展的问题，采用主矢量理论结合序列二次规划算法(SQP)，研究了探测器深空机动(DSM)对优化运载火箭发射火星转移轨道的作用。在发射直接转移火星探测轨道算法基础上，重点研究了包含引力影响球(SOI)内近地及近火飞行段后，采用主矢量获取深空机动最优猜测初值的分析算法，通过直接使用探测器近火点目标轨道参数优化运载火箭发射轨道，研究对比不同优化目标及设计约束下深空机动的分析结果，证实深空机动对降低转移轨道总发射能量需求、拓展发射日期窗口的高效性；该算法已应用于工程设计。     

基于动态优化数据的航空发动机过渡态控制方法

针对一般稳态燃油前馈PID算法在发动机过渡态过程中控制效果差的问题,提出了一种基于动态优化数据的涡轴发动机瞬态控制方法。采用带约束限制的序列二次规划（SQP）优化算法采集包线范围内各点的过渡态参数变化数据作为样本数据,利用稀疏化的最小二乘支持向量机（LSSVM）对样本数据进行训练、测试,将训练得到的LSSVM模型作为前馈与PI构成闭环控制器共同对涡轴发动机进行过渡态控制。通过对民用涡轴发动机部件级模型的包线内某两点不同功率水平进行仿真,结果表明,过渡态过程中动力涡轮转速超调量与下垂量均小于0.4%,稳态误差为0,动力涡轮转速稳定时间小于2s,各参数均未超限,因此,该控制器能有效提高涡轴发动机过渡态控制效果,实现对参数的限制管理。