基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，根据航空发动机的特点，对改进单纯形法进行了改进，对反射中心进行了改进，并添加了“顶点平移”策略。顶点平移操作可加快搜索速度，减少迭代次数，快速收敛到最优解。将改进改进单纯形法用于加速过程寻优，输出最优控制变量给航空发动机。本发明专利技术可以实现发动机加速过程的最优控制，在保证发动机安全工作前提下，缩短发动机加速时间，有效改善发动机加速性能，提高飞机的机动性。

【技术实现步骤摘要】
基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法
本专利技术涉及航空发动机控制
，尤其涉及一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法。
技术介绍
航空发动机是飞机的心脏，是衡量一个国家航空事业发展水平的重要指标之一，因此对强化动力系统的研究对提升国家航空技术整体水平具有重要意义。由于航空发动机的工作过程复杂多变，且具有强非线性、多控制变量、时变、复杂的结构特点，因此，对发动机控制问题的研究比一般控制系统更为困难。现代战机对飞机的机动性要求非常高，良好的机动性就要求发动机具有良好的加速性能。加速过程控制是航空发动机过渡态控制的一种，相较于发动机起动、接通/切断加力、减速控制，加速过程控制对发动机以及飞机性能的影响更为明显。发动机的加速过程直接影响战斗机的重要飞行指标(如：战斗机加速、爬升和紧急着陆复飞等等)，因此，研究发动机加速过程的最优控制，改善发动机加速性能具有重要意义。国内外在发动机加速过程的最优控制研究中虽然取得了一定成果，但也存在许多尚未解决的技术难题或待改进之处。比如，单纯形法具有超线性收敛速度，迭代次数少，但是基本单纯形法对初值敏感，易陷入局部最优解，不适宜应用于复杂的航空发动机加速过程寻优控制中。
技术实现思路
为解决现有技术存在的问题，本专利技术提出一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，对单纯形法进行改进，并将改进的单纯形法应用于发动机加速过程寻优控制，实现发动机加速过程的最优控制，提高发动机的加速过程性能，提高飞机的机动性。本专利技术的技术方案为：首先建立航空发动机的非线性数学模型，然后以改进单纯形法来进行发动机加速过程寻优，以实现某型航空涡扇发动机加速过程最优。所述一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，其特征在于：第一步建立航空发动机的非线性数学模型；第二步根据发动机加速过程确定相应的目标函数和约束函数；第三步以改进单纯形法优化计算；第四步输出最优控制变量给航空发动机。所述一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，其特征在于：所述改进单纯形法是在基本的单纯形法上进行改进，主要对反射中心进行改进，并且添加了“顶点平移”策略。其基本思想是首先对n+1个顶点的目标函数值进行最优搜索，确定平移方向；然后将单纯形中心点向目标函数值最好顶点方向适度平移，在迭代的末端过程，n+1个顶点与中心点近乎重合，依靠顶点自身的迭代已经可以很好的逼近最优解，此时如果继续进行顶点平移反而会添加扰动，增加迭代次数。因此，当迭代误差小于进行平移操作的误差阈值时，则放弃顶点平移操作。所述航空发动机的非线性数学模型为y＝f(x)其中为控制输入向量,包括调节主燃油流量Wf、尾喷管面积A9、风扇导叶角度dvgl和压气机导叶角度dvgh，为输出向量，包括燃油消耗率sfc和发动机推力F，f(·)为产生系统输出的非线性向量函数。所述加速过程考虑的约束条件有：涡轮前温度不超温、高压压气机不喘振、高压转子不超转、风扇不超转、燃烧室不富油熄火、主燃烧室供油量不超过其最大供油量等等。优化问题的数学描述如下：其中控制变量x＝[Wf,A9,dvgl,dvgh]T，以上各个变量均在相应的变化范围之内取初值。采用线性加权法将多目标函数转化为单目标函数，来确定寻优目标函数。即对上式进行离散化和归一化处理。这样处理的目的是为了消除目标函数中各参数量纲和量值变化范围的不同对优化结果的影响。最终的寻优目标函数可以写成以下形式：上式中，ωa和ωb为相应目标函数的权重系数，满足ωa≥0,ωb≥0，其大小反映相应的寻优目标函数在多目标优化问题中的重要程度。参照目标函数的形式，对航空发动机约束条件也进行离散化和归一化处理：以上gi(x)(i＝1,2,...,11)构成约束函数矩阵g(x)，考虑约束条件后，目标函数可化为：其中ω＝[ω1,ω2,ω3,ω4,ω5,ω6,ω7,ω8,ω9,ω10,ω11]为约束函数的权重调整系数矩阵，其中ω1,ω2,ω3,ω4,ω5,ω6,ω7,ω8,ω9,ω10,ω11为对应约束条件可调整权重系数，ω·g(x)的设计用于满足发动机的约束条件。所述改进单纯形法的算法流程为(1)初始化。对n维非线性模型，给定初始顶点X0，其余顶点按下式计算，可构造边长相等的正规单纯形，且k＝0。X(i)＝X(1)+a×[q,…,q,p(i),q…,q]T(i＝2,…,n+1)其中，p(i)表示第i个元素为p，a是单纯形边长；(2)计算各顶点的目标函数值f(X(i))，确定最优点和最差点满足的要求并计算反射中心点和收敛误差err；其中(i＝1,2,…,n+1且i≠h)；(3)如果收敛误差大于平移操作误差阈值εk，即err＞εk，按下式向将单纯形所有顶点向最优点进行平移；否则，执行步骤4)；其中，λ∈(0,0.2)是平移系数。(4)进行单纯形反射、收缩、扩张、减小棱长操作计算；(5)如果收敛误差err大于迭代精度εe，k＝k+1，返回(2)；否则，满足精度要求，迭代计算结束。进一步的，所述控制变量为调节主燃油流量Wf、尾喷管面积A9、风扇导叶角度dvgl和压气机导叶角度dvgh。有益效果与现有技术相比较，本专利技术的基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，对单纯形法进行改进，对反射中心进行了改进，并添加了“顶点平移”策略。顶点平移操作可加快搜索速度，减少迭代次数，快速收敛到最优解。并将改进的单纯形法应用于发动机加速过程寻优控制，实现发动机加速过程的最优控制，在保证发动机安全工作前提下，缩短发动机加速时间，有效改善发动机加速性能，提高飞机的机动性。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本专利技术发动机加速过程寻优控制流程图；图2是本专利技术单纯形法的寻优操作示意图；图3是本专利技术改进的单纯形法流程图。具体实施方式本专利技术解决的问题是航空发动机的加速过程寻优控制。发动机寻优问题就是为了使发动机的加速过程达到最优，选取最优控制方法寻找一组最优控制量(主燃油流量Wf、尾喷管面积A9、风扇导流叶片角度dvgl、压气机导流叶片角度dvgh)。以某型航空涡扇发动机非线性数学模型为研究对象，建立加速过程的相应目标函数，利用优化算法对发动机进行优化计算，即可得到加速过程的满足最优性能指标的最优控制变量，在保证发动机安全工作前提下，缩短发动机加速时间，有效改善发动机加速性能。本专利技术在总结前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，其特征在于：第一步建立航空发动机的非线性数学模型；/n第二步根据发动机加速过程确定相应的目标函数和约束函数；/n第三步以改进单纯形法优化计算；/n第四步输出最优控制变量给航空发动机。/n所述一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，其特征在于：所述改进单纯形法是在基本的单纯形法上进行改进，主要对反射中心进行改进，并且添加了“顶点平移”策略。其基本思想是首先对n+1个顶点的目标函数值进行最优搜索，确定平移方向；然后将单纯形中心点向目标函数值最好顶点方向适度平移，在迭代的末端过程，n+1个顶点与中心点近乎重合，依靠顶点自身的迭代已经可以很好的逼近最优解，此时如果继续进行顶点平移反而会添加扰动，增加迭代次数。因此，当迭代误差小于进行平移操作的误差阈值时，则放弃顶点平移操作。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，其特征在于：第一步建立航空发动机的非线性数学模型；
第二步根据发动机加速过程确定相应的目标函数和约束函数；
第三步以改进单纯形法优化计算；
第四步输出最优控制变量给航空发动机。
所述一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，其特征在于：所述改进单纯形法是在基本的单纯形法上进行改进，主要对反射中心进行改进，并且添加了“顶点平移”策略。其基本思想是首先对n+1个顶点的目标函数值进行最优搜索，确定平移方向；然后将单纯形中心点向目标函数值最好顶点方向适度平移，在迭代的末端过程，n+1个顶点与中心点近乎重合，依靠顶点自身的迭代已经可以很好的逼近最优解，此时如果继续进行顶点平移反而会添加扰动，增加迭代次数。因此，当迭代误差小于进行平移操作的误差阈值时，则放弃顶点平移操作。


2.根据权利要求1所述的一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，其特征在于：所述航空发动机的非线性数学模型为
y＝f(x)
其中为控制输入向量,包括调节主燃油流量Wf、尾喷管面积A9、风扇导叶角度dvgl和压气机导叶角度dvgh，为输出向量，包括燃油消耗率sfc和发动机推力F，f(·)为产生系统输出的非线性向量函数。


3.根据权利要求1所述的一种基于改进单纯形法的航空发动机加速过程最优控制方法，其特征在于：所述加速过程考虑的约束条件有：涡轮前温度不超温、高压压气机不喘振、高压转子不超转、风扇不超转、燃烧室不富油熄火、主燃烧室供油量不超过其最大供油量等等。优化问题的数学描述如下：



其中控制变量x＝[Wf,A9,dvgl,dvgh]T，以上各个变量均在相应的变化范围之内取初值。
采用线性加权法将多目标函数转化为单目标函数，来确定寻优目标函数。即



对上式进行离散化和归一化处理。这样处理的目的是为了消除目标函数中各参数量纲和量值变化范围的不同对优化结果的影响。最终的寻优目标函数可以写成以下形式：



上式中，ωa和ωb为相应目标函数的权重系数，满足ωa≥0,ωb≥...

【专利技术属性】
技术研发人员：缑林峰，刘志丹，杨江，张猛，吴贞，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61