一种新型的挠性航天器作动器布局优化方案

针对挠性航天器振动抑制中的作动器优化配置问题,综合考虑闭环系统的可控度和作动器的电缆长度,提出一种新型的复合优化指标,在完成振动抑制的同时,有效缩减作动器电缆长度,减小航天器能量损耗及电磁干扰;在此基础上,采用遗传算法,完成作动器安装位置的快速寻优。本文采用实际尺寸的挠性帆板有限元模型,通过大量的数值仿真,验证了所提方法的有效性     

单向电永磁作动器结构优化与动态特性分析

针对电磁作动器的使用要求,设计出一种具有能耗低、吸力大及响应快等特点的新型单向电永磁作动器。结合有限元仿真软件,利用有限元法研究作动器的结构参数如铁芯齿形结构、平面结构、无永磁结构、铁芯的倾斜角度及衔铁位移（气隙厚度）等因素对作动器电磁吸力和响应速度的影响。结果表明,电磁吸力随着作动衔铁位移的增加而大幅度减小;倾角结构的铁芯设计能使作动器性能达到最佳,且铁芯的倾斜角度为50°时,电磁吸力有最大值3071N。     

电动静液作动器框图建模与控制

功率电传作动系统是未来飞行控制的发展方向,它取消了传统的中央液压油源.电动静液作动器是功率电传系统的执行机构,在作动器端把电能转化为局部液压能,兼具传统液压系统和直接电力驱动作动器的优点.根据其元部件数学方程,建立非线性框图子模型,构造了一种定排量变转速电动静液作动器,完善了补油回路和摩擦特性的描述.通过考察作动器稳定性、静态刚度和动态性能指标,对单环比例、积分、微分(PID,Proportion Integration Differentiation)、多环PID、全状态反馈控制等方法进行了设计及比较分析.仿真结果表明,结合动态压力反馈策略的全状态反馈控制器能有效改善系统的动、静态性能.     

一体化电液作动器容错结构设计

一体化电液作动器(EHA, Electrical Hydrostatic Actuator)是功率电传(PBW, Power by Wire)飞控操纵系统的一部分,为了保证整个飞控系统的可靠度,必须采用多余度结构配置.飞控系统分别从可靠度、任务成功率、余度和故障管理水平以及性能、重量等角度提出了EHA的设计指标要求,并按照设计指标要求,对EHA各个组成部分的失效率进行了计算.根据计算结果,针对一种可行的EHA容错结构,分别计算了由于EHA故障导致的任务中断率(PMA, Probability of Mission abort)和失控率(PLOC, Probability of Loss of Control).计算结果表明此种结构形式能够满足飞控系统对作动器可靠度的要求.最后根据选用的可靠度模型,设计出具有容错能力的多余度作动系统,并对此容错结构进行了详细阐述.      

电液复合调节作动器的精确线性化建模与控制

针对经典泵控电液作动器固有频率低的问题,对原系统增加了一个新设计的总压力控制阀,它可保证作动筒两个工作腔的压力之和始终为一常数并使两腔压力可控,从而使泵控系统达到和阀控系统相当的固有频率.这种改进型作动器称为EHCA(Electro-Hydraulic Compound regulating integrated Actuator).针对存在的相乘非线性控制问题,通过分析EHCA和总压力控制阀的工作原理,设计了基于精确线性化方法的滑模控制器,并分析了电机转速和变量泵排量在不同工况下的控制量大小配合问题.分析和仿真证明,该设计思想是有效实现高效率、节能和快响应的电液组合作动器方案.     

基于模型的数字式电液作动器智能控制方法

本文针对数字式电液作动器的位置控制展开研究,提出了一种基于模型的算法,能够实时的对数字式电液作动器系统的状态进行预测,根据预测的状态完成位置控制。在阀脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)方法和脉冲数量调制(Pulse Number Modulation, PNM)方法的基础上,改进了数字阀系统的控制方法。建立了完整的数字式电液作动器系统的模型,通过软件联合仿真得到作动器的控制结果。最终结果表明：采用基于模型的算法,能够使得作动器的追踪精度达到0.5mm。与传统方法相比,此方法逻辑简单,可行性强,控制效果较好。     

平板型电磁作动器优化研究CSCD

本文针对卫星隔振系统中的电磁作动器输出力矩精度问题,设计从构型和控制两个方面对其输出精度进行优化。针对单个电磁作动器输出精度进行优化,设计永磁体与主作用线圈的相对位置的构型,确保动子运动过程中,磁场作用下的主作用线圈长度不变,从而提高作动器的输出精度;针对两个电磁作动器加工和安装误差带来的输出力矩不对称的问题,设计力矩补偿函数,确保两个电磁作动器输出力矩相等,从而保证隔振系统的隔振精度。     

基于力的电动静液作动器阻抗控制

阻抗控制作为一种柔顺控制方式,能够实现力与位置的协同控制,在作动系统需要与外部环境发生接触的应用中具有一定优势。在集成、高效的电动静液作动器(EHA)上实现基于力的阻抗控制具有良好的应用前景,其中核心问题是EHA力伺服控制器的设计。针对阻抗控制中外部负载特性不确定,EHA部分结构参数时变等问题,采用定量反馈理论(QFT)的方法对力伺服控制器进行设计。在对EHA数学模型及参数进行分析的基础上,通过QFT方法将被控对象的不确定范围与系统性能设计指标相结合,并以定量的方式在Nichols图上形成边界,在使标称对象的开环频率特性曲线满足各边界约束条件的同时完成力伺服控制器的设计。通过不同外部负载条件下的力伺服控制实验以及静、动态阻抗控制实验对EHA的力伺服控制器与阻抗控制系统进行了验证。实验结果表明:通过QFT方法设计得到的力伺服控制器对外部环境具有较强的鲁棒性,从而确保了EHA阻抗控制的成功实现。     

电动静液作动器的非线性变阻尼积分滑模控制

对于电动静液作动器(EHA),传统滑模控制器存在加速度信息难以获取,参数不易整定和控制信号抖振等问题,从而造成控制器很难应用于实际。针对以上问题,利用奇异摄动理论对EHA数学模型进行合理的降阶,从而使控制器设计避免了使用加速度信息。在此基础上,利用降阶模型设计了一种新型非线性变阻尼积分滑模控制器(NSMC),该控制器可根据位置控制误差实现系统阻尼比由欠阻尼到过阻尼的自适应调节,能有效提高位置阶跃调节性能。设计了一种基于滤波器的不确定项估计器对EHA中存在的参数不确定性和外部扰动进行实时估计并补偿。滑模面积分项的引入和不确定项估计器的使用,一方面使控制器中无需使用切换函数,实现了EHA的无抖振滑模控制,另一方面使系统整个动态过程完全表现为滑动模态,从而可根据EHA控制指标直接整定滑模面参数,大大简化了参数整定过程。同时利用Lyapunov稳定性理论对整个闭环系统和滑模面的稳定性进行了详细分析。分别与PI控制器、传统滑模控制器(SMC)和传统变阻尼滑模控制器(DVSMC)进行了详细的仿真分析比较,仿真结果表明NSMC能有效提高EHA位置跟踪性能和增强对参数不确定性和外部扰动的鲁棒性。     

双余度电静液作动器力均衡控制

随着多电飞机技术的发展,电静液作动器(EHA)被更多地用于机载作动系统。双余度电静液作动器(DREHA)更易于实现余度控制,推进EHA在飞机上的应用。本文给出了一种新型DREHA的结构组成,并对其工作原理和固有的力纷争现象进行了分析。理想情况下,通过流量补偿进行修正,力纷争会消失。由于实际系统的参数不可能与仿真模型完全一致,通过人为引入两通道参数误差,复现实际的力纷争。针对上述力纷争现象,基于两通道左右腔压差提出了差值力补偿力均衡控制策略和交叉耦合力均衡控制策略,以减小力纷争。MATLAB和AMESim联合仿真结果表明,本文所设计的力均衡控制器能大大减小力纷争峰值,同时提高系统的响应速度。     

基于自适应模拟退火遗传算法的最优Lambert转移

主要研究了航天器采用Lambert二脉冲变轨的优化问题。对于初始位置、目标位置和转移时间都不固定的Lambert二脉冲转移,由于多变量以及方程本身的复杂性,采用传统的优化方法效率低甚至无法求解.采用了自适应遗传算法(AGA),寻求多变量的最优解.同时结合模拟退火算法,得到了自适应模拟退火遗传算法(ASAGA),该算法既具有全局搜索能力,又改善了一般遗传算法的局部寻优能力.通过仿真,比较了遗传算法和自适应模拟退火遗传算法的寻优结果,表明两者寻求最优转移的有效性,以及自适应模拟退火算法具有更强的寻优能力.      

高超声速飞行器尾喷管的优化设计

以喷管上壁折转角、下壁长度、舵面长度及其折转角为设计变量,结合遗传算法和特征线法对高超声速飞行器尾喷管进行了优化设计,并对设计变量进行了参数研究.结果表明,所采用的优化设计方法计算效率高且比较准确,特别适合于高超声速飞行器尾喷管的优化设计;所采用的4个设计参数均能有效地影响尾喷管的气动性能,其中喷管上壁折转角和舵面折转角分别对喷管的升力和推力的影响相对明显,对其进行均衡选择方能得到最优的结果.      

压电自适应桁架结构主动控制模型及实验

为提高结构对外部环境的抗干扰能力,构造了压电柔性自适应桁架结构,并对其主动控制进行了研究.由传感器、作动器与柔性梁组成压电自适应桁架结构.基于自适应结构的机电耦合理论,在测量位移的情况下,采用改进的二次积分力反馈控制方法研究了空间压电柔性自适应桁架结构的振动主动控制问题.建立了压电柔性自适应桁架结构主动控制实验系统,并对这类自适应结构进行了实时计算机振动主动控制实验研究.实验研究表明柔性自适应桁架结构能够改善结构的动力学特性,对外界的干扰具有良好的自适应性.     

T型尾翼动气动弹性优化设计

T型尾翼构型复杂,操纵面多,在动气动弹性的有限元建模和颤振特性设计中,需要修改的参数多,颤振分析复杂,设计人员面临很大的困难.通过在设计过程中引入优化方法,能够有效的解决这些问题.依据遗传算法和敏度优化算法的特点,针对固有振动和颤振优化设计的不同要求,将两种优化方法进行混合和递进应用,形成不同的优化设计方法.建立固有振动频率和颤振阻尼对结构参数的敏度公式,设计两种不同优化问题的数学模型.将优化方法应用于某T型尾翼的结构动力学优化设计,提高了设计速度,保证了设计精度,固有振动频率误差保证在3%以内.在保证质量最小的要求下,使颤振速度得到提高,并为实际结构的设计提供一定指导.      

飞机方案多目标优化的Pareto遗传算法

基于多目标优化问题Pareto最优解的概念,提出了一种求解非劣解集的多目标遗传算法,重点讨论了算法实现中非劣解集的筛选和适应度的计算.将该算法应用于假想的干线客机方案优化设计,要求巡航段升阻比和有用载荷系数两个目标最大,对优化结果进行了分析比较.研究结果显示出MOGA(Multi-Objective Genetic Algorithms)对飞机方案多目标优化设计具有良好的应用前景.      

Model predictive control for close-proximity maneuvering of spacecraft with adaptive convexification of collision avoidance constraints

This study investigated model predictive control (MPC) for close-proximity maneuvering of spacecraft. It is essential for a designed MPC to effectively handle collision avoidance between the servicer spacecraft and the client spacecraft, especially while the client is rotating. The rotating motion of the client leads to dynamic changes in the collision avoidance constraints, which increases the difficulty of optimizing the control input in the MPC framework. Therefore, this study presents a method to improve the performance and computational efficiency of MPC for rendezvous and docking with a nonrotating or rotating client. An ellipsoid is adopted to model the client’s keep-out zone (KOZ). Given the spherical KOZ of the servicer, an expanded ellipsoid is introduced to describe the KOZ for the center of mass of the servicer and modeled as a nonlinear constraint. The linearization method for reference points located at the expanded ellipsoid is adopted to convexify the nonlinear constraints. The reference points are adaptively determined according to the positions of the servicer, client, and expanded ellipsoidal KOZ. The resulting hyperplanes are then used to describe the collision avoidance constraints. By utilizing the aforementioned strategies, combined with the calculated reference points, an adaptive convex programming algorithm suitable for real-time implementation of MPC is derived. The performance of the proposed method is demonstrated through numerical simulations.     

高超声速飞行器滑行航迹优化

针对高超声速飞行器滑行的密度模型、动力学模型、空气动力模型和作为输入的攻角,将弹道问题转化为最优控制问题,采用极大值原理求得航程最大的一阶必要条件,采用多次变区间的遗传算法、非线性单纯形法和邻近极值法的组合优化策略来求解此两点边值问题,首先用多次变区间的遗传算法和单纯形方法求得全局航程最大,然后用邻近极值法得到合适的初值满足所有终端约束,通过对一高超声速飞行器的算例进行了优化计算,得到了最优弹道和优化算法的收敛曲线,并与升阻比最大飞行方案进行比较可知,最优控制方案求得的航程大于升阻比最大飞行方案的航程.      

固体火箭发动机成本与性能双目标优化设计

为求解某运载火箭上面级固体推进剂火箭发动机多属性价值优化问题,建立了发动机主要部件的参数成本模型,研究了一种改进的Pareto多目标遗传算法--IPGA算法,测试函数的计算结果表明,该算法收敛性优于NSGA-Ⅱ算法.以运载火箭末速度增量最大和发动机制造成本最低作为目标函数,采用IPGA计算得到了壳体材料分别为APMOC和碳纤维时的Pareto非劣解集,采用理想点法得到非劣解集中费效比变化的拐点,计算结果表明,以该点为满意解设计方案可以使该运载火箭的有效载荷提高7.6%,并使发动机的成本降低.     

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.      

预应力钢丝缠绕缸体结构轻量化关键技术

针对等静压设备的预应力钢丝缠绕缸体结构的缠绕方法、强度和稳定性理论,定义了一种基于等剪应力缠绕的预应力大型结构轻量化设计模型.结合工作内压为300MPa、缸体内径为500mm的缸体设计实例,利用多岛遗传算法成功地得到了最优化解.质量由传统设计的9.03t减轻到8.53t,减少了5.5%.经专家系统软件和有限元软件验证,方案符合结构强度、刚度条件,预紧态结构不屈服,设计不失稳,并满足内径尺寸大于500mm等设计要求,方案可行.分析表明,该优化模型合理,多岛遗传算法收敛效果好.该方法适用于大吨位、超高温超高压等静压设备的缸体缠绕结构优化问题.