[發明專利]一種基于大規模全局優化技術的變循環發動機過渡態優化方法

有效

• 申請號: 202010401012.0
• 申請日: 2020-05-13
• 公開（公告）號: CN111679574B
• 公開（公告）日: 2021-05-07
• 發明（設計）人: 馬艷華;杜憲;孫希明;洪偉;趙旭東
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;G05B13/02;F02C9/00;G06N3/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明提供了一種基于大規模全局優化技術的變循環發動機過渡態優化方法，屬于航空發動機過渡態控制優化技術領域。通過將過渡態控制優化問題轉變為大規模全局優化問題，采取競爭粒子群算法對控制輸入量的單步增量序列進行優化搜索，克服了傳統SQP算法依賴模型特性、后期收斂速度緩慢及容易陷入局部最優解的缺點，具有一定的快速性和可移植性。

技術領域

本發明屬于航空發動機過渡態控制優化技術領域，具體涉及一種基于大規模全局優化技術的變循環發動機過渡態優化方法。

背景技術

航空發動機是一種高度復雜和精密的熱力機械，其中變循環發動機區別于傳統航空發動機的地方在于控制部件能夠發生變化，通過幾何的變化改善發動機內部各部件之間以及發動機與進排氣系統之間的匹配，從而使得發動機能夠更好地兼顧不同飛行狀態下飛行器對動力系統的需求，使得發動機在亞聲速、跨聲速、超聲速及高超聲速工況下都能表現出較好的性能。而變循環發動機中可調參數可達6個，且各參數對發動機性能的影響錯綜復雜，傳統的控制規律難以充分挖掘發動機的潛在性能，因此通過相應的優化算法設計調節控制部件的幾何參數變化規律，對變循環發動機過渡態控制過程進行優化，使得航空發動機能在亞聲速和超聲速巡航等不同工作點上實現低油耗、大推力，對于加大戰斗機的作戰半徑、提升運輸機的遠航能力及增大經濟效益，具有很大裨益。

針對離散化控制模型的過渡態優化問題，序列二次規劃(SequentialQuadraticProgramming，SQP)由于其高效性(相對較低地計算復雜度)及魯棒性，是一種解決復雜帶約束的非線性優化問題的好方法。SQP算法將過渡態控制序列矩陣作為一個整體進行迭代搜索，每個解向量是由上次迭代生成的解向量及一階和二階導數確定的優化方向通過數值計算得到的，由于SQP算法使用梯度，故一般優化問題的基本公式需要作修改以避免代價函數在約束鄰域內不可微這一問題。而變循環發動機作為高度復雜且具有強非線性及大時延的熱力學系統，模型特性及限制約束難以應用數學公式進行詳盡描述，且SQP算法在迭代后期存在收斂速度緩慢并容易陷入局部最優解的缺陷，因此，設計一種新的變循環發動機過渡態優化的方法具有重要的意義。

發明內容

針對傳統的SQP算法在變循環發動機過渡態優化中存在的幾個問題：1)依賴模型特性；2)后期收斂速度緩慢；3)容易陷入局部最優解。本發明提供一種不基于模型特性的啟發式優化算法，將過渡態控制序列矩陣視作高緯度的待優化控制向量，便可使得問題轉化為典型的大規模全局優化(Large-scaleGlobalOptimization，LSGO)問題，并基于競爭粒子群算法對控制向量中的元素進行啟發式搜索優化，可以實現在變循環發動機模型不發生喘振超限且迭代次數較少的情況下，充分挖掘發動機潛能，以滿足特定工況下的飛行需求。同時，由于該啟發式算法不基于模型特性且可以通過修改代價函數以解決不同需求下的過渡態優化問題，故具有良好的可移植性。

本發明的技術方案：

一種基于大規模全局優化技術的變循環發動機過渡態優化方法，包括以下步驟：

步驟1：全局大規模優化技術解決變循環發動機過渡態優化問題

當油門桿信號PLA(power level angle)發生階躍變化時，變循環發動機多個可調部件控制量及主燃油控制量將由當前穩態過渡到另一個穩態，過渡態時間的長短由發動機的特性及控制規律決定；針對離散化的控制模型，假設過渡態階段步長數為s，可調控制變量數為x，則待優化目標既為x×s的控制序列矩陣，考慮到變循環發動機模型的復雜性以及SQP存在的缺陷，將問題轉化為x×s維度的多變量優化問題；而在待優化控制變量較多且單步步長時間較短的情況下，優化維數可能高達數千維。已有文獻表明，當待優化變量數量較少，維數較低時，采取一般的啟發式優化算法即可完成優化；而當待優化變量數量較多，維數較高時，一般的啟發式優化算法的搜索空間將隨著維數的增多而指數性上升，出現“維數災難”。因此需要采取解決LSGO問題的技術來處理變循環發動機過渡態優化的問題。

步驟2：根據優化目標確定評價函數及總優化步長數