基于進化算法的飛控系統(tǒng)性能指標分配方法研究.pdf

1、性能指標分配是飛行控制系統(tǒng)方案頂層設(shè)計的一項重要內(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)計的基礎(chǔ)。工程上，通常根據(jù)經(jīng)驗將性能指標分配給各部件，確定各部件的性能參數(shù)，然后對它們進行設(shè)計，并用設(shè)計好的各部件對飛行控制律進行修正，使飛行控制系統(tǒng)的性能指標滿足要求。這種依據(jù)經(jīng)驗對性能指標進行分配的方式，可能存在很多次的反復(fù)分配、設(shè)計、修正的過程。而在無經(jīng)驗可依據(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分配方式，都

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

3、況下，分別從單目標分配和多目標分配的角度，對縱向和橫航向飛行控制系統(tǒng)的帶寬和精度進行優(yōu)化與分配，獲取滿足性能指標要求的各子系統(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)進行了對比研究，結(jié)果表明，性能指標分配后的飛行控制系統(tǒng)具有更好的動態(tài)特性；同時，對具有表決結(jié)構(gòu)的飛行控制系統(tǒng)的可靠度和冗余度進行了優(yōu)化與分配研究，提取了滿足系統(tǒng)可靠度要求的組件單元可靠度和冗余度的最佳組合，并通過仿真驗證

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)對飛行控制系統(tǒng)性能指標的影響，結(jié)果說明，不同的部件對飛行控制系統(tǒng)性能指標的影響不盡相同。這進一步說明了，對飛行控制系統(tǒng)性能指標分配進行研究的必要性。最后，根據(jù)國軍標的規(guī)定，介紹了飛行控制系統(tǒng)性能指標選取的依據(jù)。
　　2.提出了一種解決約

5、束非線性優(yōu)化問題的優(yōu)化算法。首先給出了具有約束條件的單目標優(yōu)化問題的數(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)化問題轉(zhuǎn)化成了無約束優(yōu)化問題進行處理；采用人工魚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，在人工魚群算法中，為了適應(yīng)不同搜索階段的需要，人工魚的視距參數(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，利用標準測試函數(shù)的仿真結(jié)果，驗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性優(yōu)化問題。
　　3.提出了一種新穎的用于解決多目標優(yōu)化問題的自適應(yīng)差分進化算法。為了克服傳統(tǒng)分解方法在多目標優(yōu)化問題中的缺陷，引入了Tchebycheff方法，利用該方法將多目標優(yōu)化問題分解成多向量的單目標優(yōu)化子問題，并用差分進化算法對優(yōu)化子問題進行求解；同時，為了克服經(jīng)典差分進化算法選擇恰當?shù)目刂茀?shù)和變異策略耗時、計算量大的問題，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。最后采用多目標標準測試函數(shù)，驗證了所提出的自適應(yīng)差分進化算法可以有效地解決多目標優(yōu)化問題，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.基于混合人工魚群算法的飛行控制系統(tǒng)性能指標分配方法研究。首先給出了飛行控制系統(tǒng)性能指標分配的結(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)計了飛行控制系統(tǒng)的靜態(tài)控制律；在滿足一定約束的條件下，基于simu

8、link模型，利用混合人工魚群算法對飛機縱向和橫航向的控制帶寬和精度分別進行了優(yōu)化與分配；最后通過和靜態(tài)飛行控制系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)以及性能指標未分配的系統(tǒng)響應(yīng)進行仿真對比，驗證了性能指標分配后的飛行控制系統(tǒng)具有更好的動態(tài)特性。同時，文中提出了對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行了優(yōu)化與分配研究，通過仿真對比分析，結(jié)果說明，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)在一定時間內(nèi)能夠可靠、安全

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

10、標分配后的系統(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)進行了對比，仿真結(jié)果表明，性能指標分配后的系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)無超調(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，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，對具有表決輸出結(jié)構(gòu)的飛行控制系統(tǒng)的可靠度和冗余度進行了優(yōu)化與分配，同時對表決器失效率如何影響系統(tǒng)的可靠度進行了仿真分析。仿真結(jié)果說明，表決器的可靠度顯著影響飛行控制系