基于混合遗传算法的多目标动态优化设计

针对多目标动态优化设计中，解空间复杂、目标函数高度非线性、部分目标函数灵敏度容易求得等特点，综合利用多目标优化技术、遗传算法和梯度优化技术，提出了一种新的多目标混合遗传算法。这种算法在“并列选择遗传法”的基础上尽可能多地利用目标函数的灵敏度信息以加速收敛速度，同时通过各目标的重要程度和满意程度来决定相应的子种群大小以达到各目标的协同优化。在探讨了该方法的思想之后，着重研究了其实现步骤和关键技术，最后用一个浸水旋转壳的多目标动态优化设计为例，证明了本文方法的有效性。     

光学遥感卫星总体参数优化设计概念研究

结合传统卫星总体设计和现代优化设计方法 ,提出卫星总体优化设计流程。首先明确任务目标和任务要求 ,然后用模糊多目标优选方法进行总体方案类型优选 ,最后确定了卫星总体参数优化设计的设计变量、约束条件和目标函数 ,并且建立起成本、性能、费效比、可靠性和多目标的优化模型。最后 ,对四个单目标优化和多目标优化的结果进行了比较     

液体火箭发动机离心泵叶轮的多目标优化设计

根据液体火箭发动机系统设计确定的离心泵的性能参数,对泵叶轮的几何参数分别进行了单目标和多目标优化设计。优化目标包括:泵的扬程、效率和轴功率。在多目标优化设计当中,采用超传递近似法对目标之间的重要性进行模糊评价,确定各目标的权值,从而求出优化结果。比较结果表明,多目标优化比单目标优化所得结果更符合工程要求,而对目标的重要性进行评价,所得优化结果更符合设计者的偏好。     

太阳系多目标探测轨道优化设计

将太阳系多目标探测的轨道优化设计问题转换成非线性规划问题,建立了轨道优化模型.针对非线性规划问题解的多峰性,设计了一种融合改进的网格搜索算法和差分进化算法的组合优化算法.利用改进的网格搜索算法以适当的步长寻找理想的发射窗口和各阶段转移时间,产生差分进化的初始群体,进而使用差分进化算法搜索初始群体附近的子空间,通过全局范围内的比较得到较理想的结果.最后以2018 ～2020年太阳系多目标探测为例,面向土星环绕探测任务完成了飞行中途探测太阳系多颗大行星的轨道优化设计.数值仿真结果表明上述算法对太阳系多目标探测轨道优化设计具有较好的通用性和应用参考价值.     

基于NSGA-II算法的航天产品装配公差多目标优化

针对航天产品装配公差优化设计问题,提出一种引入装配成本的多目标优化方案。在考虑航天产品装配过程中成功率低、成本高问题的基础上,建立基于产品成本及质量损失的装配公差的多目标优化数学模型,利用带精英策略的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),以装配功能要求和加工能力为约束条件,对装配公差进行优化求解,得到Pareto最优解集。以某空间站某型号组件为例,验证了该优化方法的有效性。通过建立归一化权重目标函数,获得优化的各组成环装配公差,利用该公差进行组件加工装配,提高了装配成功率,降低了产品加工成本及质量损失。     

基于多学科参数化建模和灵敏度分析的飞行器分级优化设计方法

提出一种将飞行器参数化建模、灵敏度分析与气动/隐身综合优化设计相结合的方法.该方法的流程为:(1)建立面向多学科设计的参数化模型,提取分级参数;(2)对分级参数进行灵敏度分析,筛选设计变量;(3)基于分级优化流程,应用多目标优化算法进行飞行器气动/隐身综合优化设计.以一个四尾翼布局飞行器气动/隐身综合优化设计为例,阐述流程的实现过程,结果表明这种方法具有如下优点:(1)多学科参数化建模为气动和隐身性能分析提供统一的参数化模型;(2)使用灵敏度分析工具对分级设计参数进行筛选,精简优化设计任务;(3)基于分级参数和灵敏度分析进行分级优化设计,优化适应值提高56.1%,耗时减少57.02%.     

基于多目标进化算法的卫星通信星座优化设计

将基于Pareto最优解的多目标进化算法引入星座设计中,提出了一种改进的Pareto最优解多目标进化算法,并应用于带有星间链路的卫星移动通信系统星座优化设计,计算结果表明算法的有效性。     

基于代理模型技术的返回舱外形优化

针对返回舱再入过程中需要满足的复杂气动力热务件,在典型高超声速条件下以升阻比和阻力系数为目标,以驻点热流和容积率为约束条件进行返回舱外形多目标优化设计。气动特性分析采用基于三维Navier-Stokes方程和结构网格的计算流体力学数值仿真（CFD）方法,采用Fay-Riddell经验公式计算驻点热流,采用NSGA－II优化算法进行全局寻优,为了增强多目标优化设计的计算效率,利用Kriging代理模型替代CFD计算,并引入改进的EI函数加点策略,大大减少了构建代理模型时所需的样本点数目。优化计算结果表明,代理模型计算结果与CFD计算结果误差可以控制在7％以内,基于代理模型技术的优化过程可以节省95％以上的计算开销。因此,该方法能够较好地满足初步设计的要求,为返回舱外形优化提供有益的借峪。     

反折式二元超声速进气道研究

X-51A采用带两级压缩楔面的反折式进气道设计方案,这是一体化权衡设计的结果,要求进气道设计综合各方面因素进行多目标优化。从发动机设计角度出发对类似于X-51A的反折式二元进气道进行了研究,合理选择了进气道的设计变量并运用多目标粒子群优化算法（MOPSO）对带两级压缩楔面的反折式二元进气道按总压恢复系数、流量系数及出口马赫数三个目标函数进行了多目标优化设计,计算中性能指标参数评估基于Euler方程求解得到。通过优化计算得到了带两级压缩楔面的反折式进气道相关性能指标参数最优变化关系及结构方案,可为后续进气道与飞行器一体化权衡提供设计参考。     

基于多目标遗传算法的固体火箭发动机面向成本优化设计

多目标优化设计的概念和方法被方法用于面向成本设计，采用一种基于Pareto最优解的多目标遗传算法－－NSGA－Ⅱ算法，以某固体火箭发动机为算例，利用成本模型和工程模型，以产品的性能和成本作为目标函数进行了多目标优化设计，计算结果表明，NSGA－Ⅱ算法得到的非劣解在目标空间分布均匀，算法收敛性和鲁棒性好，基于NSGA－Ⅱ算法的面向成本多目标优化设计方法为产品在方案阶段开展性能和成本之间的权衡分析提供了有效的工具。     

双层规划求解兼顾测量与通信的星间链路设计

通过研究当前GPS下时分多址（TDMA）体制星间链路方案,并在分析星间链路测量和通信新需求的基础上,提出改进的分时体制星间链路方案,保证了测距和通信的同时隙执行。针对兼顾星间测量和通信的星间链路设计这一多目标优化问题,考虑测量与通信之间的依赖关系,构建双层规划模型求解,上层对星间测量进行优化,下层对星间通信进行优化,并分别设计上层启发式星间测量链路贪婪搜索分配算法（RL-HGSA）和下层基于全局“邻域”搜索的星间路由优化算法(ROA-SGN)。仿真算例表明,根据本文模型和算法构建的星间链路,星间测量链路利用率达到100%,星间通信采用最短时间最少跳数(MTMJ)的路由策略更优。     

基于MOEA/D的三锥体拦截器气动外形优化设计

针对由临近空间拦截器飞行环境变化剧烈导致的热流密度过高等问题,提出一种多目标外形优化设计方法,并针对一种新型三锥体临近空间拦截器外形进行优化设计。首先,建立飞行器的气动、弹道、气动热等多学科分析模型,利用高斯-伪谱法计算拦截弹道,利用桥函数法建立气动模型,并利用Fay-Riddle方法估计气动热流密度。然后,以飞行器航程、总热流量和飞行时间为优化目标,采用基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)与伪谱法将该问题转化为一组单目标优化子问题,得到Pareto前沿并进行相关分析。最后,给出一个优于基准值,同时满足性能指标要求的新型外形。结果表明:该优化方法具有可实现性,为未来的飞行器设计提供了新思路。     

风洞模型支撑机构有限元模型修正与确认

风洞模型支撑机构有限元建模对预测风洞试验中的结构动力学响应至关重要。然而采用模态试验修正有限元模型需要多轮迭代优化,随着修正参数的增多,数值优化耗时将呈指数化增长。为解决上述问题,联合ABAQUS、MATLAB搭建iSIGHT结构有限元模型修正平台,基于此平台开展某模型支撑机构有限元动力学模型修正,根据试验设计变量对响应的贡献量,筛选灵敏度较高的修正变量;构建前4阶频率差和振型相关性为多目标函数,使用近似建模得到修正变量和目标函数的响应面模型,采用多目标优化方法NSGA-II开展模型修正;修正后的模型前4阶频率差均在10%以内,振型相关性均大于0.8。对修正模型开展动力学响应确认,使用结构模态动力学响应与锤击试验响应作对比,结果显示,修正模型满足工程需求,可用作下一步复杂载荷作用下的结构动力学响应预测。     

行星际Halo轨道转移的多目标优化设计

研究了星历约束下不同太阳—行星系统Halo轨道间转移的多目标优化设计问题。分析了直接和间接两种转移方式的特点,并引入伪流形技术加快了Halo轨道的逃逸和捕获速度。构建了两种转移机制的多目标优化模型。对于直接转移方式,采用伪流形双向拼接策略实现了转移轨道的构建;对于间接转移方式,通过近拱点庞加莱映射与双曲超速匹配完成了转移轨道的拼接。进一步,采用多项式样条函数对伪流形进行逼近,提高了伪流形的计算效率。两种转移机制的轨道优化设计都可以归结为简单的多变量无约束优化问题,采用非支配快速排序遗传算法NSGA-II求解。对地球—火星Halo轨道间的转移进行了多目标优化设计,校验了本文方法的有效性。     

基于遗传算法和空间推进方法的高超声速进气道优化设计研究

将遗传算法（单目标遗传算法GA和多目标遗传算法NSGA-Ⅱ、NCGA）与高效、高精度的卒间推进方法——SSPNS（Single-sweep Parabolized Navier-Stokes Algorithm）流场计算方法相结合，对二维高超声速进气道进行了气动优化设计研究。在单目标优化设计中以巡航点（Ma=7．0）的总压恢复最大为设计目标，多目标设计中则在巡航点分别考察了总压恢复最大-压升最大两目标模型、总压恢复最大-压升最大-阻力系数最小三目标模型。优化设计结果表明，单目标设计使得总压恢复有明显提高；多目标优化设计所得的Pareto最优前沿为设计者提供了可靠的设计依据。为了兼顾巡航点和加速爬升段的综合忭能，采用多目标优化方法对进气道进行了多点优化设计，并开展了基于等动压弹道的设计点选择问题初步研究。计算结果表明，若将设计点选在Ma=6．5左右，则进气道的综合性能较好。     

亚轨道飞行器的固液火箭发动机的高维多目标设计优化

为完成应用在亚轨道飞行器上的固液火箭发动机系统设计优化,且考虑到系统设计优化问题的复杂性以及采用单目标优化难以获得全局最优解,建立了固液火箭发动机系统设计的4目标设计优化模型,采用非支配排序遗传算法获得超空间Pareto 解集。利用基于变偏好区间的超径向可视化技术对超空间Pareto解集进行直观地分析,提高最优解选择的效率。最终获得了全局最优的固液火箭发动机系统设计方案,验证了建立的优化模型的准确性和相比于单目标优化的优势,论证了固液火箭发动机应用在亚轨道飞行器上切实可行以及变偏好区间超径向可视化技术处理超空间Pareto解集的高效性。     

柔性航天器姿态机动轨迹设计及跟踪控制

针对柔性航天器姿态机动的“快速性”及“稳定性”矛盾,研究了一种优化与控制综合的姿态机动轨迹设计与跟踪控制方法。首先,考虑柔性航天器姿态机动过程中既快又稳的需求,建立姿态机动的多目标多约束条件,优化获得姿态机动轨迹,在满足快速性基础上,最大限度提高稳定性;其次,设计新型的快速鲁棒输入成形器(FRIS),与传统输入成形器相比,FRIS具有更短的作用时间及更强的鲁棒性,能够有效抑制柔性附件振动,为姿态机动的“快速性”及“高精度”奠定基础;最后,设计新型自适应连续终端滑模控制器(ACTSMC),避免增益过估计,提高控制精度,实现对期望姿态轨迹的有限时间快速高精度跟踪控制。数值仿真校验了所提方法的有效性。