基于DSDCO的电动静液作动器协同优化设计

摘要

机载作动系统是飞机操纵与控制系统非常重要的组成部分。新型电动静液作动器（EHA）作为大飞机或先进战机的核心系统，是飞机实现主动控制的基础平台，是国产先进飞机研制急需突破的对下一代发展具有重大影响的关键技术，因此成为当前先进飞机新作动系统研究的重点。EHA系统作为一个复杂的机电液控一体化典型系统，其设计是一项多学科综合、多目标优化、交叉权衡的复杂系统工程，其本质是一个多学科耦合问题。因此，将现代多学科优化设计（MDO）应用到机载新型EHA系统设计中，可以从系统的角度综合考虑各学科的影响，获得整体最优设计，有效提高设计质量，降低研制费用和产品成本，缩短设计周期。本文主要针对 EHA多学科设计优化问题进行了探索性研究，具体研究内容与研究成果如下：
　　1）对设计空间缩减协同优化（DSDCO）算法进行了性能分析。介绍了协同优化算法的主要思想和特点，论述了协同优化算法的优点与存在的问题，并归纳总结了目前协同优化算法的改进方案。对一种新型协同优化算法的改进算法——DSDCO算法进行了介绍，并通过数值算例与减速器算例两个代表性算例，对其算法的性能进行了分析。该算法具有对初始点与约束函数凸凹性不敏感的特点，且能够得到优化问题的全局最优解。
　　2）根据EHA的结构特点，基于MATLAB/Simulink与AMESim软件平台，对EHA进行了全面细致的模型搭建。应用 Simulink搭建电动静液作动器控制与电子子系统模型，应用AMESim搭建电动静液作动器液压与机械子系统模型，并对EHA多学科模型进行仿真实验。结果表明，EHA系统多学科模型集成了MATLAB控制建模便利的特点与AMESim的跨学科、多领域建模的特点，可信度高，可用于指导系统的优化设计与系统控制算法的实现。
　　3）应用DSDCO算法对EHA进行了多学科设计优化。对EHA进行学科分析，并将 EHA分解出液压学科与机械学科两部分，分别对两个学科建立了约束方程。以柱塞泵斜盘倾角、柱塞泵柱塞直径、柱塞泵柱塞分布圆半径、作动筒活塞直径、作动筒活塞杆直径为设计变量，以提高系统快速性为目标，建立 EHA多学科设计优化问题的数学模型，并应用DSDCO算法和代理模型技术进行优化求解。最后，得到满足学科约束的最优解，并对所得结果进行验证。
　　本文以电动静液作动器为研究对象，应用DSDCO算法进行EHA性能优化。经过优化求解，得到了满足各学科约束条件的设计变量组，并使得系统阶跃响应的调节时间达到尽量小值0.1285s，从而达到了系统快速响应的目标。优化结果表明，应用DSDCO多学科优化算法可以实现优化EHA系统性能的目的。本文对EHA的多学科优化进行了探索，可为作动系统集成设计提供理论借鉴，同时扩展了多学科优化算法的应用范围。对EHA进行多学科协同设计优化是一项前人没有做过的工作，因此应用DSDCO算法来对典型复杂机电液EHA系统进行多学科设计优化具有创新性和重要现实意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及研究目的与意义

1.2 电动静液作动器研究现状

1.3 多学科设计优化研究现状

1.4 代理模型技术介绍

1.5 论文结构与主要内容

2 DSDCO协同优化算法

2.1 协同优化算法概述

2.2 DSDCO优化算法

2.3 经典CO、CLA-CO、DSDCO算法性能分析

2.4 本章小结

3 基于Simulink与AMESim的电动静液作动器多学科模型

3.1 EHA的结构原理

3.2 EHA系统多学科建模

3.3 Simulink与AMESim联合仿真

3.4 本章小结

4 电动静液作动器优化问题数学模型

4.1 多学科优化问题分解方案

4.2 电动静液作动器的多学科分解方案

4.3 电动静液作动器多学科优化问题数学模型

4.4 本章小结

5 电动静液作动器设计优化

5.1 基于径向基神经网络的EHA代理模型

5.2 基于粒子群算法的EHA优化

5.3 基于DSDCO算法的EHA多学科优化

5.4 EHA优化结果验证

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录A EHA优化MATLAB程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢