基于改进CO-RS的平流层飞艇总体设计与优化

为改进响应面协同优化(CO-RS,Collaborative Optimization based on Response Surface)方法的工程实用性,提出改进的CO-RS方法.在响应面建立中应用广义乘子法和信赖域法,取消响应面更新对梯度的依赖性.针对平流层飞艇的总体设计与优化问题,基于改进的CO-RS框架,进行了系统任务分析和学科耦合分析.对气动与推进子系统、结构子系统和能源子系统进行了学科分析,以最小化平流层飞艇的质量为目标,建立基于改进CO-RS框架的多学科设计优化(MDO,Multidisciplinary Design Optimization)模型和相应的学科分析模型.利用iSIGHT软件搭建求解平台,采用改进的CO-RS算法进行仿真计算,并得到合理结果,验证了所建立的MDO模型的合理性和改进的CO-RS算法在平流层飞艇总体设计优化中的有效性.     

考虑倍率的平流层飞艇储能电池建模与分析

准确掌握储能电池的实际电量是确保平流层飞艇实现长航时飞行的关键因素之一。首先，建立了平流层飞艇能源系统仿真模型，对能量输入和消耗进行动态分析。随后，对储能电池进行不同电流倍率的充放电测试，采用多项式拟合的方法，根据测试数据建立了储能电池充放电过程中荷电状态(SOC)、剩余放电时间(RDT)、剩余充电时间(RCT)的分析模型。最后，结合能源系统能量输入、消耗模型和储能电池模型进行飞行模拟仿真，获取各部分变化数据，与已有试验数据进行量化对比分析。结果表明:所构建储能电池模型在SOC、RDT、RCT的计算误差分别小于3%、1.5%、1.5%，能够准确反映电池工作过程中SOC、RDT、RCT的变化，可为平流层飞艇平台制定优化的飞行策略提供量化支撑。      

非线性多目标概率约束规划免疫优化算法

针对噪声信息未知的一般非线性多目标概率约束规划（MOPCP）问题，探讨基于危险理论的多目标免疫优化算法（MOIOA）。算法设计中，借助自适应采样方法估计机会约束的概率和目标值；借助危险理论蕴含的应答模式分割进化种群为已感染、易感染和未感染子群；借助二进制交叉、自适应变异概率、多项式变异策略平衡种群的全局与局部搜索能力。与7种算法相比较获得的数值结果表明，所提算法的搜索效率有明显优势且搜索效果有一定的优越性，同时对复杂工程问题有应用潜力。      

改进自适应人工免疫算法求解函数优化问题

为克服经典人工免疫算法（AIA）在函数优化过程中存在的计算量大、收敛精度不高和收敛速度较慢等不足，引入多个自适应免疫算子，提出了一种改进自适应人工免疫算法（IAAIA）。在经典人工免疫算法中，引入迭代次数对抗体激励度计算算子进行自适应设计，引入种群抗体平均激励度与抗体激励度对免疫选择算子、克隆算子、变异算子与克隆抑制算子进行自适应设计，提升人工免疫算法的收敛速度、收敛精度和稳定性。选择9个典型测试函数作为实验对象，同时选择4种典型人工免疫算法作为对比算法优化实验函数，对比实验结果表明了改进的自适应人工免疫算法在求解函数优化问题的有效性和优越性。      

基于ASTSMO和UIO的故障估计方法

针对系统在有未知干扰情况下的故障估计问题，提出一种基于自适应Super-Twisting滑模观测器（ASTSMO）和未知输入观测器（UIO）的故障估计方法。不需要已知故障导数的上界，避免了现有自适应算法存在的滑模增益过估计问题，并且能够处理多执行器同时发生故障的情况。首先，通过非奇异变换将原系统降阶为两个子系统，其中一个子系统只受故障的影响，另一个子系统同时含有故障和不确定干扰。对两个子系统分别设计ASTSMO观测器和UIO观测器，并对误差系统有限时间内收敛的条件进行了证明，同时给出了滑模增益初始值和时变增益的设计方法。然后，基于等效控制的概念对故障进行检测和估计。最后，通过仿真算例验证了所提故障估计方法的有效性。      

混沌多精英鲸鱼优化算法

针对无人机（UAV）的航迹规划问题，提出了一种基于混沌多精英鲸鱼优化算法（CML-WOA）的航迹规划方法。首先，在已知飞行环境下，建立3D飞行空间模型和航迹代价模型。通过引入罚函数，将有约束3D航迹规划问题转化为无约束多维函数优化问题，利用CML-WOA求解模型来获得最优航迹。其次，为克服WOA易陷入局部最优的缺陷，引入立方映射混沌算子改善初始种群，增强种群多样性，并通过自适应框架融入正余弦算法（SCA），利用多精英搜索策略有效地提高了算法开发能力和探索能力。最后，使用贪婪策略保证了收敛效率。通过20个基准函数测试和航迹规划仿真实验对提出的改进WOA进行验证。结果表明:所提算法相对其他算法，寻优性能明显提升，具有较强局部最优规避能力和更高的收敛精度与收敛速度；能够稳定快速地规划出代价最少、满足约束的安全可行的飞行航迹。      

浮升混合飞艇气动性能及总体参数分析

为了兼顾飞艇的气动性能和浮升特性,充分发挥二者的优势,并增强可控性,提出了一种基于NACA高升力翼型的组合嚢体式混合飞艇气动布局.采用计算流体力学(CFD)方法建立混合飞艇FLUENT计算模型,数值模拟了它在不同速度和迎角下的升阻特性、纵向静稳定性及浮升特性,并进行了总体性能评估,最后将其与常规飞艇进行了对比.结果表明:该组合嚢体飞艇布局具有较好的气动性能和效率,相同条件下提供的动升力为常规飞艇的3倍;当飞行速度大于26 m/s时,混合飞艇总升力效率开始大于常规飞艇,能够提供更好的浮升特性.此外,相同设计载荷下混合飞艇的外形尺寸更小,有利于增加有效载荷,可为低空大型混合飞艇的研发提供参考.      

基于BABFA的XNOR/OR电路面积优化

基于XNOR/OR的固定极性Reed-Muller（FPRM）电路面积优化是当前集成电路设计领域的研究热点之一。由于基于XNOR/OR的FPRM电路面积优化属于组合优化问题，提出了一种二进制自适应细菌觅食算法（BFA）。该算法在复制操作中加入概率模式，提高种群多样性，采用模糊规则对复制概率和迁移概率进行修正，提高算法的收敛速度。使细菌在邻域内进行搜索，替代细菌群体感应机制中的斥力操作，细菌无需感应其他个体位置对其的影响。提出一种基于XNOR/OR的FPRM电路面积优化方法，利用提出的二进制自适应细菌觅食算法搜索电路面积最小的FPRM电路。基于MCNC Benchmark电路的实验结果表明:面积最大优化率为18%，时间最大节省率为46%。      

考虑多巡航工况的大型飞机气动弹性优化

针对目前大型飞机机翼常见的单点优化设计方法在考虑多巡航工况情况下非设计点性能较差的问题，提出了一种多工况气动弹性综合优化框架，考虑了不同的巡航工况，对大型飞机复合材料机翼开展气动弹性优化的研究。以最小机翼结构质量为目标，在气动弹性、应力/应变、强度等条件的约束下，通过遗传算法对机翼型架外形的蒙皮、腹板、凸缘等复合材料部件的铺层厚度展开设计，并根据优化结果进行了型架外形设计，采用高精度CFD/CSD耦合方法分析和校验了优化结果的升阻特性。研究表明:在不低于设计巡航外形气动性能的条件下，综合多巡航工况的气动弹性优化能有效减轻结构质量，从而减少整体燃油消耗。进一步对比分析了多巡航工况优化与单巡航工况优化，研究了巡航工况数目与优化结果之间的关系，结果表明:综合考虑多巡航工况的优化结果性能更好，且优化结果的整体性能随着优化巡航工况数目的增加而提升。      

基于AIGWO-IMMUKF的目标跟踪算法

针对目标跟踪算法中滤波器选择和模型设计问题，提出了一种具有自适应性的交互式多模型无迹卡尔曼滤波（IMMUKF）目标跟踪算法。首先，介绍了IMMUKF的算法步骤；其次，提出运用改进的灰狼优化（IGWO）算法优化其中的滤波参数，通过构造调节因子建立了时变的Markov状态转移概率，形成了AIGWO-IMMUKF算法，并给出其算法流程；最后，将所提AIGWO-IMMUKF算法与传统算法在相同条件下进行仿真，得出位置、速度均方根误差曲线，以及时效性对比。结果表明，所提AIGWO-IMMUKF算法克服了传统IMMUKF算法的不足，提升了算法性能，精度和时效性都更优。      

利于减少配平损失的太阳能飞机构型设计

针对具有静稳定性的太阳能飞机一般采用尾翼配平造成气动配平损失的问题,提出了一种“T”构型太阳能飞机。概述该太阳能飞机的总体构型,分析该构型飞机巡航状态下降低重心的自配平原理,建立能量平衡和质量分析模型,给出适合于该构型太阳能飞机的概念设计方法,并优化构型设计参数。结果表明,“T”构型太阳能飞机不仅具有静稳定性,还降低了配平损失。在巡航状态下,“T”构型太阳能飞机单位面积平飞需用功率比常规构型太阳能飞机减少了6.2%,具有明显的应用效果。      

引入多Agent协商的协同优化在卫星设计中的应用

卫星设计是复杂的多学科优化问题,协同优化算法具有模块化特点适合于处理多学科优化问题。在对卫星进行多学科优化时发现,现有的协同优化算法为了保证共享变量在系统级和分系统级间的一致性,收敛困难,计算量大,不对分系统自身进行优化不能保证卫星整体性能最优。本文通过引入Agent概念和基于Agent的协商算法,提出了一种基于劝说式多Agent协商的协同优化设计算法。针对对地观测卫星,以总质量最小为目标,建立了包含结构、轨道控制、姿态控制和电源4个分系统Agent和1个系统级Agent的卫星优化设计模型并进行了协同优化设计。研究结果表明:引入Agent协商算法的协同优化算法,可以保证共享变量的一致性;在协同优化算法中增加分系统自身优化模块,可以保证在系统级优化过程中各分系统一直都是最优的。      

基于副气囊耦合的飞艇纵向运动影响分析

高空大型飞艇副气囊体积占比很大,甚至达90%以上,副气囊动力学对飞艇运动产生较大影响。对巡航高度为6 000 m的某大型飞艇,建立基于圆柱容器的副气囊动力学模型,进一步构建考虑副气囊的飞艇纵向耦合动力学方程,并对飞艇纵向运动进行了数值仿真,将其与不考虑副气囊时的结果进行对比。结果表明:副气囊对大型飞艇俯仰运动有较大影响,容易引起运动发散,且耦合影响随飞艇高度增大而变小,同时副气囊体积不变时,其直径越小,动力学耦合效应影响越小;副气囊效应会降低飞艇的操纵性,在进行飞艇设计时应该予以考虑。      

卫星电源系统配置方案的优化设计

对卫星电源系统配置方案进行优化设计是减轻电源系统质量的一条重要途径。以太阳则步轨道卫星为背景,对四种典型的直接能量传输方式的电源系统配置建立了能量传递图,推出了能量平衡方程。在此基础上,建立了以电源系统的质量功率比最小为目标函数的优化模型;以降交点地方时,高峰功耗与长期功耗比和光照区与星蚀区负载长期功率比为设计变量,通过算例对这四种ＤＥＴ方式进行了优化分析比较,归纳出电源系统配置方案的优化设计结论     

一种卫星推进分系统热控的优化设计方法

根据传统卫星推进分系统热控要求,针对推进舱内肼管路及部件进行加热带缠绕和多层隔热组件包覆的问题,提出了一种基于新型推进剂条件下的推进分系统热控优化设计,即取消推进舱内热控处理措施,而是在推进舱的外侧板包覆多层隔热组件,并采用电磁阀补偿加热.对采用优化设计的推进分系统热控设计进行了热平衡试验和在轨验证.结果表明,推进分系统的温度水平和功耗要求均满足目前中国对于卫星的热控要求,且优化设计使推进分系统热控具有功耗低、质量小和易于装配的优点,能够结合卫星构型实现分舱操作.      

一种室外远距离天线测试转台系统的控制方法

为了满足天线在室外的远距离测试需求,提出了一种外场天线测试转台的控制方法。该天线测试系统由上位测试子系统、发射转台子系统和接收转台子系统组成,通过无线网桥实现各子系统间的远距离无线通讯;转台子系统采用EtherCAT 总线,接线形式简单、容易扩展、通讯速率快;采用TwinCAT 和LabVIEW 作为软件开发环境,开发了转台的运动控制和通讯软件界面。本论文对转台子系统控制原理及子系统间通讯方式进行了详细说明,分析了转台子系统定位精度,并通过试验表明该系统满足室外远距离天线测试需求,满足设计指标要求。     

平流层飞艇巡航姿态自适应神经网络补偿控制

 研究了一种基于自适应神经网络补偿的平流层飞艇前向速度与姿态控制系统设计方法。针对近似模型进行常规线性动态补偿器设计,并引入自适应径向基函数(Radial Basis Function, RBF)神经网络对模型误差进行补偿。根据Lyapunov方法得到神经网络权值自适应律,保证了闭环系统误差信号一致最终有界。该控制器设计对模型参数信息仅有较少的要求。仿真结果表明对于两类不同的飞艇模型,所设计的控制器在响应性及对未知环境风速作用的鲁棒性方面均具有良好的效果。