基于遗传编程的航天器有限推力逼近轨迹规划

通过引入基函数的概念,提出了采用遗传编程求解有限推力航天器逼近非合作目标最终逼近段轨迹规划问题的方法。该方法将推力器开关状态定义为基函数,以多个基函数分别乘以开关状态持续时间再求和作为推力器开关的历程函数;将历程函数转换为遗传编程的树型结构,将消耗燃料的质量作为适应度函数,并将规避障碍物和终端逼近精度等约束条件以罚函数的形式添加到适应度函数中;利用遗传编程的模拟自然进化理论的全局寻优机制求解,最终得到最优逼近轨迹方案。某航天器在有限推力下逼近非合作目标的轨迹规划结果表明:整个逼近过程推力器仅开关5次,大大降低了对开关频率的要求,同时,规划结果比采用高斯伪谱法时逼近时间降低了30.09%,燃料消耗降低了4.18%。      

区间多目标线性优化的功效系数求解方法

针对工程领域中普遍存在的具有不确定参数的多目标优化问题,提出了一种基于功效系数的区间优化模型及求解方法.通过引入增补变量,将含有区间参数的目标函数化为参数确定的形式.建立以功效系数为基础的评价函数,将原多目标优化问题转化为单目标优化问题,然后分别在区间约束条件的最好情况和最差情况下求解,得到设计变量的最优解区间和目标函数的最优值区间.通过工程算例,与传统概率方法的优化结果相比较,验证了所提出优化模型及方法的有效性.     

UKF参数估计在三体Lambert问题中的应用

为了快速精确地求解三体Lambert问题,提出了一种新的基于无损卡尔曼滤波(UKF)参数估计的数值求解算法,该算法由初值猜测和精确解求解两部分组成.首先,基于地月系统二体模型,通过简单迭代求解三体Lambert问题的初值.然后,将三体Lambert问题对应的两点边值问题转化为参数估计问题,通过UKF滤波算法求解,可得到收敛的精确解.该算法是基于概率估计理论的,不仅避免了传统数值方法推导相关梯度矩阵的复杂性,而且降低了三体Lambert问题对初值精确度的要求,从而显著降低了三体Lambert问题求解的难度.数值仿真表明,该方法求解效率较高,具有良好的鲁棒性,与微分修正算法、二阶微分修正算法对比具有更大的收敛域.      

基于子目标进化的高维多目标优化算法

多目标优化问题是工程应用中的常见问题,已有的方法在解决3个目标以上的高维优化问题时效果欠佳.如何进行有效的个体选择是求解高维多目标优化问题的关键.针对该问题,提出了求解高维多目标优化问题的子目标进化算法.从理论上证明了多目标优化问题Pareto非支配解的求取,可通过子目标函数值排序,先行选择进化种群中部分非支配解;然后,根据排序信息有选择性地比较进化种群中的元素,减少了比较次数,从而快速获得非支配解集.同时,提出归一化函数差值的Minkowski距离"k近邻"距离计算方法,在进化过程中应用到密度函数中,加速了收敛速度.同当前求解高维多目标优化的算法,在对标准测试函数的计算性能上进行比较,统计结果显示了所提算法在性能上的优势.      

基于遗传算法的双余度无刷直流电机优化设计

针对航空电作动系统用双余度无刷直流电机的方案寻优问题,提出了一种基于遗传算法的优化设计方法.通过分析航空作动系统的特点和性能要求得出电机优化设计的目标函数和约束条件.建立电机的电磁和热路模型,得到目标函数和约束条件的解析方程.其中,在电磁模型的建立过程中,采用解析方法得到气隙磁密和反电势系数表达式;在热路模型的建立过程中,采用Bertotti分立铁耗法计算铁心损耗,并利用热路法求解电机各部分的温升.通过遗传算法对电机重量全局寻优.计算结果表明:在满足性能要求的前提下,优化设计方案合理,电机重量减小了13.3%,验证了该优化设计和建模方法的有效性.      

一种地月转移轨道中途修正的制导算法

针对地月转移轨道中途修正问题,提出了一种求解修正速度增量的制导算法。该算法由初值设计和精确解求解两部分组成。首先,利用伪状态理论,通过简单迭代设计中途修正的初值,并通过Vinti预报方法修正了地球扁率的影响。然后,在求解精确解时,提出了一种基于伪状态理论的状态转移矩阵解析算法。该算法通过设计高精度的初值,降低了求解地月转移轨道中途修正问题的难度,而且避免了传统数值方法计算状态转移矩阵的复杂性。数值仿真结果表明,该算法可有效求解中途修正问题。     

直接再入大气的月地转移轨道设计

针对从月球停泊轨道出发直接再入大气的月地转移轨道设计问题,提出了一种数值求解算法。该算法由初值设计和精确解求解两部分组成。首先,根据轨道设计的相应约束,采用伪状态理论,通过简单迭代求解高精度的初值。然后,考虑精确的动力学模型,通过数值积分计算真实轨道和状态转移矩阵,并利用微分修正方法搜索精确解。该算法通过设计高精度的初值,降低了月地转移轨道的设计难度。数值仿真表明:该算法求解效率高,具有良好的鲁棒性。      

基于GPS的三维姿态确定系统研究

论述了基于GPS姿态确定的原理、方法、步骤。首先，利用最小二乘平差校准基线，得到基线的准确长度及相互间的几何关系；随后，可以利用这些约束条件加速模糊度求解过程，适于实时应用。通过估计基线向量得到姿态粗解，以粗解为初值进行迭代最小二乘平差，最后得到最终的姿态解。通过一个实验系统验证，给出了实验结果。     

参数不定区间估计的对偶线性规划方法

将参数不定区间估计(PIE)问题变换成一组对偶线性规划(DLP)问题,提出了求解这组DLP问题的改进单纯形方法.该方法利用变量间的对偶关系,直接计算初始基本可行解,省去了初始基本可行解的搜索步骤.此外,在确定旋入和旋出变量时都采用了目标值最大减少规则,减少了旋转迭代次数.针对由PIE问题所导出的全部DLP问题都具有相同的目标函数和约束矩阵,给出了单搜索过程求解全部DLP问题的联合单纯形法.仿真结果说明了所给算法的计算效率.      

麻花钻钻尖锥面刃磨参数优化求解

麻花钻锥面刃磨方法有4个刃磨参数,当给定外缘转点的结构圆周后角、横刃斜角、锋角这3个结构参数时,后刀面的形状并不唯一.为了获得唯一的后刀面廓形,必须增加一个辅助参数.可供选择的补充参数有尾隙角、横刃后角、周边后角、切深后角等.这样,当给定一个补充参数后,4个设计参数就可以决定4个刃磨参数.然而单独使用某一个补充参数,就忽略了其余参数的影响.采用优化的方法来求解刃磨参数,将各个补充参数和刃磨参数的实际可调范围作为约束条件,就可以得到满足一定要求的最优解.     

地球同步轨道卫星混合推进转移轨道特性分析

以地球同步轨道卫星转移轨道设计为背景，针对全化学推进燃料消耗大和全电推进转移时间长的问题，开展了化学 电混合推进转移轨道优化设计与特性分析。首先，讨论了轨道倾角和近地点幅角变化对混合推进转移轨道的影响。研究表明，在混合推进优化设计中需要将轨道倾角作为优化变量之一。然后，以近地点半径、远地点半径、轨道倾角为优化变量生成搜索网格，得到过渡轨道集。针对每条过渡轨道，构建化学推进转移段和电推进转移段。其中化学推进段采用单圈兰伯特转移解算，电推进段采用混合法优化。最后，以燃料消耗和转移时间为指标，在搜索域内开展解算分析，研究了混合推进轨道在整个搜索域内的变化趋势。该方法可以提供具有不同燃料消耗和转移时间的混合推进转移解集，拓宽了解空间，可供轨道设计人员根据任务约束灵活选用。     

飞行器姿态角解算的全角度双欧法

为了实现飞行器超机动飞行情况下姿态角的连续解算,将传统双欧法进行了改进.通过引入判别函数使得数值模拟过程中正反欧拉角能一一对应,克服了欧拉方程的奇异性,消除了传统双欧法须限定俯仰为 的限制,从而将正反欧拉角取值范围扩展到了全角度,实现了飞行器的任意姿态角连续解算.采用改进的双欧法数值模拟了飞机斤斗飞行动作,时间积分采用了变步长龙格库塔方法,结果表明该方法简单有效,能得到连续的高精度解.      

环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面设计及修正方法

为提高环面蜗轮滚刀的切削性能及滚齿效率,将滚刀的容屑槽设计成螺旋槽,减小刀齿两侧前角的绝对值,均衡两侧刃的切削条件。根据齿轮啮合理论和环面蜗杆成形原理,以滚刀基本蜗杆分度环面螺旋线的导程角和前刀面曲线的导程角互余为依据,提出一种由圆柱产形面变传动比展成环面蜗轮滚刀螺旋槽前刀面的方法;计算得到滚刀分度环面处的前角近似为0°,而刀齿左侧的前角从齿顶到齿根由正值变为负值,右侧前角从齿顶到齿根由负值变为正值,并且正前角和负前角的绝对值较大。进一步对滚刀前刀面进行修正,将修正后的滚刀模型导入VERICUT软件中,测量其前角,验证设计方法的正确性。结果表明,该方法能够解决滚刀两侧前角绝对值较大的问题,各刀齿左右两侧的前角控制在-0.6°~0.5°之间。      

挠性航天器姿态机动时间最优控制研究

针对挠性航天器单轴姿态快速机动的控制问题,将系统的模型处理成非约束模型,采用极小值原理求解了问题的时间最优控制律,并结合边值条件推导了时间最优控制的切换时间应满足的充要条件.利用切换时间所满足的非线性方程组分析和证明了时间最优控制的对称性及满足的条件:在不考虑阻尼系数时,问题的时间最优控制是机动时间上的对称函数.利用这个规律,对刚体+1阶挠性模态的时间最优姿态机动问题进行了解析求解.针对挠性模态阶次较高时难以求解非线性方程组的问题,将模型离散化,把问题处理成一系列受约束的最小二乘优化问题来求解,数学仿真表明了该方法的有效性.     

磁悬浮飞轮用电磁轴承低纹波开关功放的实现

针对磁悬浮飞轮用两电平脉宽调制开关功放输出电流纹波大的缺点,提出了一种新颖的三电平脉宽调制开关功放.通过对两种开关功放输出电流纹波的理论估算,得出三电平脉宽调制开关功放可以大大降低电流纹波,进而实现开关功放的低纹波损耗.提出了一种基于SIMULINK的电路原理性仿真方法,该方法所建模型能准确地反映实际系统的特性,为开关功放的设计和调试提供指导.通过对两种开关功放的仿真和实验进行对比,最终表明仿真和实验结果相吻合,仿真和实验均验证了三电平脉宽调制开关功放对减小输出电流纹波的可行性、有效性.      

基于切换多胞的飞行器变增益输出反馈控制

现代飞行器包线范围不断扩大,飞行器模型参数在飞行包线内呈现大范围变化的特点.针对包线范围参数时变飞行器的稳定性分析与输出反馈镇定问题,提出了基于切换多胞系统的飞行器模型描述方法.结合切换多胞Lyapunov函数与平均驻留时间方法,给出了保证飞行器包线范围渐近稳定的稳定性判据与静态输出反馈形式的变增益镇定控制器综合方法.将所提方法应用于高机动性飞行器的全包线飞行控制器设计,仿真结果表明:该设计方法可放宽对飞行器工作点的平均驻留时间约束,具备较低的设计保守性;所得变增益控制器可消除传统切换控制器的输出跳变现象,具有良好的瞬态响应特性.     

进化策略在火箭发动机静态特性研究中的应用

建立了全流量补燃循环发动机的静态特性的数学模型.描述静态特性的数学模型是由一组非线性方程组成的.采用基于进化策略的进化算法求解全流量补燃循环发动机的静态特性方程,将该模型的非线性方程组求解问题转化为求带有约束的极小值的优化问题,建立了进化策略计算模型.讨论了进化策略算法在进化计算过程中使用的变异算子、重组算子和选择算子的设计,以及对约束条件的处理方法.数值计算的结果表明,利用基于进化策略的算法可以在较大范围内进行全流量循环液体火箭发动机的静态特性研究.     

基于切换系统的变体飞行器鲁棒自适应控制

针对变体飞行器变形过程的控制问题,将切换系统理论与多变量自适应控制理论相结合,提出了一种基于切换系统的鲁棒自适应控制器设计方法。首先,建立了变体飞行器纵向短周期线性切换模型,描述了飞行器的整个变形过程;然后,设计了一种改进的鲁棒自适应控制律,抑制了各类干扰和不确定性对系统的影响,实现了切换系统对参考模型的良好跟踪;最后,提出了一种基于模型依赖驻留时间（MDDT）的切换控制律,保证了变体飞行器在变形切换过程中的稳定性,利用Lyapunov函数方法证明了本文方法最终一致有界。仿真验证表明,在存在外部干扰和各类不确定性的情况下,本文方法能保证飞行器在变形过程中精确跟踪参考模型,且具有较好的抗干扰能力。      

无陀螺下基于修正罗德里格参数的星体姿态确定

介绍了修正罗德里格参数(MRP),分析比较了姿态表示参数修正罗德里格参数和四元数的算法特点。通过仿真计算,比较了当卫星受一阶马尔柯夫干扰力矩作用和CCD星敏感器为唯一星载角运动传感器时,分别用修正罗德里格参数和四元数作为姿态表示参数,采用UKF(Unscented Kalman Filter)估计卫星航向、姿态及相应角速率的滤波效果。结果表明,用修正罗德里格参数法的姿态解算精度比用四元数法的姿态解算精度高,且计算效率明显优于四元数算法,计算量仅相当于四元数算法的一半,这是由于四元数的规范化条件(即模值为1),在姿态确定中会导致误差协方差阵奇异,而修正罗德里格参数虽然不是全局非奇异的,但是可以通过切换方法解决奇异性问题。