基于PSO的预测控制及在聚丙烯中的应用

输入输出受限非线性系统的预测控制问题，可以看作是一个难以直接求解的约束非线性优化问题。针对预测控制在解决此类优化问题时，存在易收敛到局部极小或者非可行解，对初始值敏感等缺点，提出了一种基于微粒群优化方法的非线性预测控制算法。采用微粒群优化算法（PSO）作为模型预测控制的滚动优化方法，在线实时求解最优控制律。将PSO与序贯二次规划（SQP）算法进行对比仿真实验，求解两个标准函数优化问题，结果表明PSO能够快速有效地求得全局最小点，而SQP则很容易陷入局部极小点。将该算法应用于丙烯聚合反应过程的温度控制中，仿真结果显示了该方法的有效性。     

基于动态规划的约束优化问题多参数规划求解方法及应用

结合动态规划和单步多参数二次规划, 提出一种新的约束优化控制问题多参数规划求解方法. 一方面能得到约束线性二次优化控制问题最优控制序列与状态之间的显式函数关系, 减少多参数规划问题求解的工作量; 另一方面能够同时求解得到状态反馈最优控制律. 应用本文提出的多参数二次规划求解方法, 建立无限时间约束优化问题状态反馈显式最优控制律. 针对电梯机械系统振动控制模型做了数值仿真计算.     

离散约束系统最优控制中的内点法

对于带约束的力学系统的最优控制,约束系统离散力学最优控制（Discrete Mechanics and Optimal Control for Constrained Systems,DMOCC）采用了“先离散,后变分”的方法,结合离散零空间法,能很好地保持系统的物理特性,其模型方程可表示为非线性等式约束的优化问题,通常采用标准序列二次规划（Sequence Quadratic Program,SQP）算法求解。由于约束条件的规模大,SQP算法的计算效率不高。相对于SQP,内点法具有收敛性好、稳定性强的特点。在对DMOCC约束条件的特点进行分析之后,将内点法用于DMOCC的数学模型进行数值计算,能有效提高计算效率。曲柄滑块的数值仿真证明了在数值精度一致的情况下,内点法具有效率上的优势。     

基于变结构控制的固定前置角制导律设计

弹载合成孔径雷达（SAR）的方位成像能力受飞行导弹的观测角影响,其末制导段采用前侧视工作方式。因此,必需合理设计制导律使前侧视条件成立。为了保证末制导段弹目间具有合适的夹角,采用变结构控制方法设计了一种固定前置角制导律,该制导律能够解决合成孔径雷达导引头对于前置角约束的问题。在制导律设计过程中,首先建立了弹目相对运动关系模型和具有终端角度约束时的视线角变化模型;在此基础上采用变结构控制的方法设计了固定前置角制导律;进而,对该固定前置角导引律进行了性能分析,得出了其一般攻击特性;最后,通过弹道仿真论证了其正确性与有效性。     

基于Volterra模型的预测控制及应用

由于工业实践的需要,非线性预测控制近年来受到广泛地关注.Volterra模型是一类特殊的非线性模型,非常适合描述工业过程中的无记忆非线性对象.传统的基于Volterra模型的控制器合成法及迭代计算预测控制器法计算量大,且不便于处理控制约束.非线性模型预测控制求解是典型的非线性规划问题,序列二次规划(sequential quadratic program,SQP)算法是求解非线性规划问题常用方法之一.针对Volterra非线性模型预测控制求解问题,本文将滤子法与一种信赖域SQP算法相结合,提出一种改进SQP算法用于基于非线性Volterra模型的带控制约束的多步预测控制求解,并分析了所提方法的收敛性.工业实例仿真结果证实了所提方法的可行性与有效性.     

自由时间最优控制问题的一种控制向量参数化方法

针对自由时间最优控制问题,提出一种控制向量参数化（CVP）方法.通过引入时间尺度因子,将自由时间最优控制问题转化为固定时间问题,并将终端时刻作为优化参数.基于CVP方法,最优控制问题被转化为一个非线性规划（NLP）问题.建立目标和约束函数的Hamiltonian函数,通过求解伴随方程获得目标和约束函数的梯度,采用序列二次规划（SQP）方法获得问题的数值解.对于控制有切换结构的优化问题,给出了一种网格精细化策略,以提高控制质量.补料分批反应器最优控制问题的仿真实验验证了所提出方法的有效性.     

考虑参数优化的BTT导弹三维非线性制导律

针对BTT（bank-to-turn）导弹制导过程中的通道耦合问题,设计了一种考虑制导参数优化的新型的三维非线性制导律.首先,采用旋量描述方法构建弹目视线方位模型,采用矢量描述方法构建弹目视线角速度模型,从而得到了导弹制导的三维非线性模型;然后,将制导律分为制导控制项和耦合补偿项.基于制导控制项最优设计相应的目标函数.同时,在不损失制导信息的情况下,将制导模型转化为线性形式;最后,分别针对无终端约束和有终端约束情况,基于二次型最优方法得到了三维制导律.该制导律既解决了通道解耦,其制导参数又满足一定物理意义下的最优性.仿真结果验证了本文所设计制导律的有效性.     

机械臂最优运动规划问题的混合求解

提出一种基于GA和SQP求解机械臂最优运动规划问题的混合算法．首先采用B样条函数逼近关节运动轨迹，将最优控制问题转化为有约束的非线性规划问题，然后引入基于种群的GA算法，给出全局最优解的初始估计；最后利用序列二次规划(SQP)得到高精度全局最优解．仿真结果表明该方法优于单纯的GA或SQP方法。     

小推力轨道转移快速优化设计

在研究电推进系统中,为满足小推力转移轨道高精度在线生成的要求,伪光谱方法在电推进小推力轨道转移优化设计中的应用。首先对小推力航天器轨道转移最优控制问题模型进行无量纲化处理,以提高优化算法求解精度。然后采用基于勒让德-高斯-兰伯特配置点的勒让德伪光谱方法,将最优控制问题离散成约束参数优化问题,再利用适于求解大尺度非线性规划问题的TOMLAB/SNOPT优化软件包进行求解。通过数值仿真计算,求解生成了满足各类约束条件的小推力转移轨道,并利用余向量映射定理及极小值原理验证了所得轨道转移控制量的最优性。结果表明,勒让德伪光谱优化算法具有对初始猜测值不敏感、收敛速度快、精度高等优点。     

弹载SAR俯冲段斜视成像算法

弹载SAR在俯冲段具有较大的下降速度和加速度,这使得距离徙动校正(Range cell migration correction,RCMC)变得困难,并且由于导弹在攻击目标前需要有一定的转弯机动时间,弹载SAR还往往工作在斜视模式下,此时常规的SAR成像算法不再适用.本文提出了一种弹载SAR俯冲段斜视成像算法,该方法在建立弹载SAR回波信号模型的基础上,首先在距离频域-方位时间域校正距离走动的主要部分,然后结合级数反演思想,推导出SAR回波信号的二维频域表达式,在距离频域-方位多普勒域进行剩余的距离走动和距离弯曲的校正,最后完成二维脉冲压缩,得到聚焦的图像.运算量的定量分析和实验仿真的结果验证了该算法的可行性和有效性.     

基于信赖域二次规划的非线性模型预测控制优化算法

针对非线性预测控制如何在有限时域内有效的求解非凸非线性规划这一关键问题, 本文采用序列二次规划方法, 将非线性规划转化为一系列二次子规划求解. 首先根据非线性规划联立方法将系统状态和控制量同时作为优化变量, 得到以控制量步长为优化变量, 只包含不等式约束的子二次规划问题, 并用它取代原SQP子规划, 减小了子问题的规模; 随后采用基于信赖域二次规划的方法求解子规划问题, 保证每次迭代的可行性; 同时采用一种能够保持SQP问题Hessian矩阵稀疏结构的更新方法, 也在一定程度上降低了算法的复杂程度.最后的仿真结果表明了该方法的有效性.     

飞行器上升段轨迹的优化设计

针对飞行器上升段轨迹优化求解困难的问题,提出一种基于正交配点的优化求解方法。该方法以第二类切比雪夫正交多项式的零点作为系统控制变量和状态变量的离散点,利用拉格朗日插值多项式对状态和控制变量进行拟合。通过对多项式的求导将动力学微分方程约束转化为代数约束,从而把无限维的最优控制问题转化为一个有限维的非线性规划(Nonlinear Programming,NLP)问题。随后,利用序列二次规划(Sequential Quadratic Program-ming,SQP)方法求解转化后的NLP问题,获得最优的飞行轨迹。最后,飞行器上的仿真结果验证了所提方法的有效性。研究成果可为飞行器的制导控制提供可行的飞行轨迹,有一定的工程应用价值。     

Smooth time-optimal tool trajectory generation for CNC manufacturing systems

An optimization approach is proposed in this paper for generating smooth and time-optimal path constrained tool trajectory for Cartesian computer numerical control (CNC) manufacturing systems. The desired smooth time-optimal trajectory generation (STOTG) problem is formulated as a general optimal control problem. And axis jerk (derivative of acceleration with respect to time) constraints are introduced into this problem to remove discontinuities of the acceleration profiles. The desired smoothness of the trajectory can be accomplished by adjusting the values of jerk constraints. A control vector parameterization (CVP) method is applied to convert the optimal control problem into a nonlinear programming (NLP) problem which can be solved conveniently and effectively. The third derivative of the path parameter with respect to time (pseudo-jerk) and jerk act as optimization variables. The pseudo-jerk is approximated as piecewise constant, thus for at least second-order continuous parametric path, the resulted optimized trajectory with respect to time is also at least second-order continuous. Sequential quadratic programming (SQP) method is used to solve the NLP problem, through which numerical solution is obtained. Non-smooth (i.e. without considering jerk constraints) time-optimal trajectory generation (non-STOTG) problem is also considered in this paper for the purpose of comparison. Solutions of time-optimal trajectory generation (TOTG) problems for two test paths are performed to verify the effectiveness of the proposed approach.     

基于SQP/GA混合优化算法的双容水箱非线性预测控制

为了计算控制序列，非线性模型预测控制可以转换为一个带约束的非线性优化过程．本文分析了三种约束处理方案，根据遗传算法的特点，将等式约束用于状态量计算，在搜索空间降维的同时消除遗传算法难以求解的等式约束．对双容水箱进行遗传算法和序列二次规划仿真试验和实际控制，结果表明遗传算法对控制量的优化效果优于序列二次规划．为克服遗传算法耗时较长、优化结果存在随机抖动的缺点，结合序列二次规划提出一种混合优化算法，仿真和实控结果表明其可行性和有效性．     

基于形状规划理论的小行星探测方法

小推力轨迹优化过程的控制率设计是典型的非线性动力学最优控制问题。针对具体的问题背景,直接优化算法和间接优化算法已被广泛应用。为了简化问题的优化模型,采用形状规划理论来模拟小推力的作用轨迹,将动力学最优控制问题转化成多项式的参数优化。结合小行星群的探测,利用粒子群优化与微分进化混合优化算法进行全局优化,为满足精度要求,再采用模式搜索局部优化算法进行二次优化。     

基于伪谱法的滑翔轨迹多级迭代优化策略

伪谱法可实时求解具有高度非线性动态特性的飞行器最优轨迹;以X-51A相似飞行器模型为研究对象,采用增量法与查表插值建立纵向气动力模型,伪谱法与序列二次规划算法求解滑翔轨迹最优控制问题;提出使用多级迭代优化策略,为序列二次规划算法求解伪谱法参数化得到的大规模非线性规划问题提供初值,弥补序列二次规划算法在求解大规模非线性规划问题过程中,出现的初值敏感、收敛速度减慢等问题。通过与传统方法求解出的状态量与控制量仿真飞行状态进行对比,证明了多级迭代优化策略的有效性和高效性,该策略在实际工程应用中取得了良好效果。     

Three-dimensional trajectory optimization of soft lunar landings from the parking orbit with considerations of the landing site

Minimum fuel, three-dimensional trajectory optimization from a parking orbit considering the desired landing site is addressed for soft lunar landings. The landing site is determined by the final longitude and latitude; therefore, a two-dimensional approach is limited and a three-dimensional approach is required. In addition, the landing site is not usually considered when performing lunar landing trajectory optimizations, but should be considered in order to design more accurate and realistic lunar landing trajectories. A Legendre pseudospectral (PS) method is used to discretize the trajectory optimization problem as a nonlinear programming (NLP) problem. Because the lunar landing consists of three phases including a de-orbit burn, a transfer orbit phase, and a powered descent phase, the lunar landing problem is regarded as a multiphase problem. Thus, a PS knotting method is also used to manage the multiphase problem, and C code for Feasible Sequential Quadratic Programming (CFSQP) using a sequential quadratic programming (SQP) algorithm is employed as a numerical solver after formulating the problem as an NLP problem. The optimal solutions obtained satisfy all constraints as well as the desired landing site, and the solutions are verified through a feasibility check.     

基于列队竞争算法的多杂质水网络集成优化

对于多杂质的用水和水处理集成优化问题,建立了以总费用最小为目标的混合整数非线性规划(MINLP)模型,并提出了一种将列队竞争算法(Line-up competition algorithm,LCA)和序列二次规划(Sequential Quadratic Programming,SQP)法相结合的求解策略。其中,用LCA优化整数变量,而用SQP法优化连续变量,通过这两种方法的交替求解来逼近最优解。将所提出的计算方法对文献中的2个典型实例进行了求解,求解结果优于文献。实例计算表明,本文所提出的计算方法是有效的。