[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于改進(jìn)分層算法的充液撓性航天器參數(shù)優(yōu)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911383360.3
• 申請(qǐng)日: 2019-12-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111077896B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉遼雪;郭毓;朱銳;丁萌;虞文杰;姚偉;吳利平;郭健;吳益飛
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/08
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/08;G05B13/04
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專(zhuān)利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于改進(jìn)分層算法的充液撓性航天器參數(shù)優(yōu)化方法。該方法步驟為：根據(jù)充液撓性航天器的控制系統(tǒng)，選取控制性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)；選取影響控制性能的控制器參數(shù)與路徑參數(shù)，作為決策變量建立充液撓性航天器的多目標(biāo)優(yōu)化模型；使用改進(jìn)分層算法對(duì)充液撓性航天器的控制器參數(shù)和路徑參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，所述改進(jìn)分層算法分為上下兩層，下層由N個(gè)子群構(gòu)成，每個(gè)子群采用NSGA?II算法，為上層提供精英個(gè)體并從上層得到反饋個(gè)體改善種群；上層由精英群和外部存儲(chǔ)檔案構(gòu)成，精英群采用基于r支配的Bare?bones粒子群算法，外部存儲(chǔ)檔案存儲(chǔ)每次迭代后的最優(yōu)解。本發(fā)明具有收斂速度快、時(shí)間消耗小、優(yōu)化結(jié)果穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航天器姿態(tài)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于改進(jìn)分層算法的充液撓性航天器參數(shù)優(yōu)化方法。

背景技術(shù)

已有研究表明，充液撓性航天器在姿態(tài)機(jī)動(dòng)過(guò)程中，姿態(tài)角加速度的不連續(xù)常導(dǎo)致?lián)闲苑宓恼駝?dòng)和液體的晃動(dòng)，故需要對(duì)航天器的姿態(tài)機(jī)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃。然而所規(guī)劃的機(jī)動(dòng)路徑參數(shù)與所設(shè)計(jì)的控制器參數(shù)對(duì)充液撓性航天器系統(tǒng)整體性能存在很大的影響。如何選取這些參數(shù)使得航天器表現(xiàn)出更佳的性能，是航天器姿態(tài)控制領(lǐng)域里一個(gè)值得研究的問(wèn)題。

航天器姿態(tài)控制性能通常需要考慮快速性、穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，其中涉及2個(gè)，3個(gè)甚至更多的目標(biāo)函數(shù)，由于這些目標(biāo)往往存在著制約與沖突的關(guān)系，某一目標(biāo)的改善可能引起其他目標(biāo)性能的降低，幾乎不可能使得所有目標(biāo)同時(shí)取得最優(yōu)值。在這種情況下，需要對(duì)所考慮的目標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡，得到一組或多組折中的Pareto最優(yōu)解集。對(duì)于不同的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題如何得到這些問(wèn)題Pareto最優(yōu)解集成為近年來(lái)多目標(biāo)優(yōu)化領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。

目前針對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，已有研究提出了各種各樣的智能算法：遺傳算法，粒子群算法，蟻群算法及模擬退火算法等，它們各自具備著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。分層結(jié)構(gòu)的提出，將不同的算法進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，使得算法能夠表現(xiàn)出更好的性能，但依然存在著單次運(yùn)行結(jié)果不夠穩(wěn)定，算法隨機(jī)性較大的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種收斂速度快、時(shí)間消耗小、優(yōu)化結(jié)果穩(wěn)定的基于改進(jìn)分層算法的充液撓性航天器參數(shù)優(yōu)化方法，保證單次運(yùn)行的穩(wěn)定性，且優(yōu)化的參數(shù)能夠使充液撓性航天器表現(xiàn)出更好的控制性能。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于改進(jìn)分層算法的充液撓性航天器參數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟：

步驟1、根據(jù)充液撓性航天器的控制系統(tǒng)，選取控制性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)；

步驟2、選取影響控制性能的控制器參數(shù)與路徑參數(shù)，作為決策變量建立充液撓性航天器的多目標(biāo)優(yōu)化模型；

步驟3、使用改進(jìn)分層算法對(duì)充液撓性航天器的控制器參數(shù)和路徑參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，所述改進(jìn)分層算法為：將算法分為上下兩層，其中算法下層由N個(gè)子群構(gòu)成，每個(gè)子群采用NSGA-II算法，為算法上層提供精英個(gè)體并從上層算法得到反饋個(gè)體改善種群；算法上層由精英群和外部存儲(chǔ)檔案構(gòu)成，精英群采用基于r支配的Bare-bones粒子群算法，外部存儲(chǔ)檔案存儲(chǔ)每次迭代后的最優(yōu)解。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為：(1)改進(jìn)分層算法綜合了上層和下層算法處理不同問(wèn)題的能力與優(yōu)點(diǎn)，具有更廣泛的適用性與穩(wěn)定性，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)更加方便可靠；(2)參數(shù)優(yōu)化方法采用改進(jìn)的分層結(jié)構(gòu)，提高了算法單次運(yùn)行的穩(wěn)定性，可有效地優(yōu)化充液撓性航天器的控制器參數(shù)與路徑參數(shù)，能夠加快算法的收斂速度；(3)在外部存儲(chǔ)檔案中采用r支配關(guān)系使算法的優(yōu)化結(jié)果更能符合決策者的預(yù)期，所得解決方案使充液撓性航天器表現(xiàn)出更好的控制性能。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于改進(jìn)分層算法的充液撓性航天器參數(shù)優(yōu)化方法的航天器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明改進(jìn)分層算法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。

圖3是本發(fā)明改進(jìn)分層算法的實(shí)現(xiàn)流程示意圖。

具體實(shí)施方式