基于進(jìn)化算法的飛控系統(tǒng)性能指標(biāo)分配方法研究.pdf

1、性能指標(biāo)分配是飛行控制系統(tǒng)方案頂層設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，將其合理、有效地分配給各部件是飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。工程上，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將性能指標(biāo)分配給各部件，確定各部件的性能參數(shù)，然后對(duì)它們進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用設(shè)計(jì)好的各部件對(duì)飛行控制律進(jìn)行修正，使飛行控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿(mǎn)足要求。這種依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行分配的方式，可能存在很多次的反復(fù)分配、設(shè)計(jì)、修正的過(guò)程。而在無(wú)經(jīng)驗(yàn)可依據(jù)的情況下，通常選擇性能參數(shù)最優(yōu)的部件。以上兩種情況下的性能指標(biāo)分配方式，都

2、大大增加了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和裝備的成本。對(duì)此，本文提出了對(duì)飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的分配方法進(jìn)行研究。
　　由于很難甚至無(wú)法建立精確的飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)分配模型，因此基于數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)優(yōu)化方法無(wú)法用于性能指標(biāo)的分配研究，為此，文中從進(jìn)化算法的角度，基于simulink模型，研究了飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的分配問(wèn)題。首先設(shè)計(jì)了飛機(jī)縱向和橫航向的靜態(tài)飛行控制律，設(shè)計(jì)方法采用特征結(jié)構(gòu)配置法，其次基于此設(shè)計(jì)好的控制律，采用優(yōu)化算法，在滿(mǎn)足一定約束的情

3、況下，分別從單目標(biāo)分配和多目標(biāo)分配的角度，對(duì)縱向和橫航向飛行控制系統(tǒng)的帶寬和精度進(jìn)行優(yōu)化與分配，獲取滿(mǎn)足性能指標(biāo)要求的各子系統(tǒng)或各部件性能參數(shù)的最佳組合，并將分配后的飛行控制系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)和未優(yōu)化系統(tǒng)以及靜態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明，性能指標(biāo)分配后的飛行控制系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)特性；同時(shí)，對(duì)具有表決結(jié)構(gòu)的飛行控制系統(tǒng)的可靠度和冗余度進(jìn)行了優(yōu)化與分配研究，提取了滿(mǎn)足系統(tǒng)可靠度要求的組件單元可靠度和冗余度的最佳組合，并通過(guò)仿真驗(yàn)證

4、了優(yōu)化分配后的效果。主要的工作和研究成果如下：
　　1.首先介紹了典型飛行控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，然后給出了飛行控制系統(tǒng)各部件的傳遞函數(shù)模型，并以控制帶寬為例，提出了以圖形的方式分析各部件性能參數(shù)對(duì)飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響，結(jié)果說(shuō)明，不同的部件對(duì)飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響不盡相同。這進(jìn)一步說(shuō)明了，對(duì)飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)分配進(jìn)行研究的必要性。最后，根據(jù)國(guó)軍標(biāo)的規(guī)定，介紹了飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)選取的依據(jù)。
　　2.提出了一種解決約

5、束非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題的優(yōu)化算法。首先給出了具有約束條件的單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型；為了處理優(yōu)化函數(shù)中的約束條件，引入了增廣拉格朗日乘子法的概念，將有約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行處理；采用人工魚(yú)群算法尋找增廣拉格朗日函數(shù)的最優(yōu)值，并將其用于增廣拉格朗日乘子的更新。同時(shí)，在人工魚(yú)群算法中，為了適應(yīng)不同搜索階段的需要，人工魚(yú)的視距參數(shù)隨增廣拉格朗日乘子法的迭代次數(shù)自適應(yīng)改變。最后，利用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了所提出的混合優(yōu)化算法能

6、夠有效地處理具有約束條件的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題。
　　3.提出了一種新穎的用于解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的自適應(yīng)差分進(jìn)化算法。為了克服傳統(tǒng)分解方法在多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題中的缺陷，引入了Tchebycheff方法，利用該方法將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題分解成多向量的單目標(biāo)優(yōu)化子問(wèn)題，并用差分進(jìn)化算法對(duì)優(yōu)化子問(wèn)題進(jìn)行求解；同時(shí)，為了克服經(jīng)典差分進(jìn)化算法選擇恰當(dāng)?shù)目刂茀?shù)和變異策略耗時(shí)、計(jì)算量大的問(wèn)題，引入了基于概率匹配的自適應(yīng)差分變異策略，差分算法的尋優(yōu)規(guī)模采用基于

7、概率選擇的自適應(yīng)尋優(yōu)方法。最后采用多目標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試函數(shù)，驗(yàn)證了所提出的自適應(yīng)差分進(jìn)化算法可以有效地解決多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，得到的Pareto最優(yōu)解具有更好的種群多樣性和分布均勻性。
　　4.基于混合人工魚(yú)群算法的飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)分配方法研究。首先給出了飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)分配的結(jié)構(gòu)圖以及分配流程，然后基于飛行控制系統(tǒng)帶寬和精度優(yōu)化分配的數(shù)學(xué)模型，利用特征結(jié)構(gòu)配置方法設(shè)計(jì)了飛行控制系統(tǒng)的靜態(tài)控制律；在滿(mǎn)足一定約束的條件下，基于simu

8、link模型，利用混合人工魚(yú)群算法對(duì)飛機(jī)縱向和橫航向的控制帶寬和精度分別進(jìn)行了優(yōu)化與分配；最后通過(guò)和靜態(tài)飛行控制系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)以及性能指標(biāo)未分配的系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行仿真對(duì)比，驗(yàn)證了性能指標(biāo)分配后的飛行控制系統(tǒng)具有更好的動(dòng)態(tài)特性。同時(shí)，文中提出了對(duì)兩種條件下的具有表決結(jié)構(gòu)的飛行控制系統(tǒng)的可靠度和冗余度進(jìn)行了優(yōu)化與分配研究，通過(guò)仿真對(duì)比分析，結(jié)果說(shuō)明，在資源有限的情況下，需要決策者合理、有效地配置各子系統(tǒng)的冗余度，保證系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)能夠可靠、安全

9、地工作。
　　5.基于多目標(biāo)自適應(yīng)差分進(jìn)化算法的飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)分配方法研究。利用Tchebycheff方法將飛行控制系統(tǒng)性能指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)換成多向量的單目標(biāo)優(yōu)化子問(wèn)題，其中的權(quán)重因子表示目標(biāo)函數(shù)間的關(guān)系?；诘谖逭略O(shè)計(jì)好的控制律，在滿(mǎn)足約束條件下，利用第四章所提出的多目標(biāo)自適應(yīng)差分進(jìn)化算法對(duì)飛機(jī)縱向和橫航向飛行控制系統(tǒng)的帶寬和精度進(jìn)行了優(yōu)化與分配，并提出了自適應(yīng)懲罰函數(shù)法處理多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題中的約束條件。最后，將性能指

10、標(biāo)分配后的系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)和靜態(tài)飛行控制系統(tǒng)的響應(yīng)以及未分配的系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比，仿真結(jié)果表明，性能指標(biāo)分配后的系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)無(wú)超調(diào)，且響應(yīng)超前于靜態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)，并能快速地穩(wěn)定于期望輸出。同時(shí)，在考慮表決器失效率和不考慮表決器失效率的情況下，以使系統(tǒng)的可靠度最大，成本最小為目標(biāo)，對(duì)具有表決輸出結(jié)構(gòu)的飛行控制系統(tǒng)的可靠度和冗余度進(jìn)行了優(yōu)化與分配，同時(shí)對(duì)表決器失效率如何影響系統(tǒng)的可靠度進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果說(shuō)明，表決器的可靠度顯著影響飛行控制系