基于遺傳算法的飛機(jī)控制函數(shù)優(yōu)化策略

王家祺 王賽 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)

基于遺傳算法的飛機(jī)控制函數(shù)優(yōu)化策略

王家祺 王賽 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)

飛機(jī)的飛行理論正在不斷地進(jìn)步，利用現(xiàn)代控制理論對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化是極為重要的。本文通過(guò)對(duì)飛機(jī)控制理論的分析，結(jié)合飛機(jī)的控制結(jié)構(gòu)，采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)其發(fā)展進(jìn)行了分析。

遺傳算法 飛機(jī)控制 函數(shù)優(yōu)化

1 飛機(jī)控制理論的發(fā)展

飛機(jī)的飛行控制主要是穩(wěn)定和控制飛機(jī)的角運(yùn)動(dòng)（偏航、俯仰與滾轉(zhuǎn)）以及飛機(jī)的重心運(yùn)動(dòng)（前進(jìn)、升降與左右)。飛機(jī)飛行控制采取的是反饋控制原理。飛機(jī)是被控制對(duì)象，自動(dòng)控制系統(tǒng)是控制器。飛機(jī)和自動(dòng)控制系統(tǒng)按負(fù)反饋的原則組成閉環(huán)回路(飛行控制回路)，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的穩(wěn)定與控制。在這個(gè)閉環(huán)回路中被控制量主要有飛機(jī)的姿態(tài)角、飛行速度、高度和側(cè)向偏離等，控制量是氣動(dòng)控制面的偏角和油門桿的位移。運(yùn)用經(jīng)典控制理論或現(xiàn)代控制理論可以分析和綜合飛行控制回路（見(jiàn)控制理論），從而設(shè)計(jì)出飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)。為了確切地描述飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要選定適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系，常用的坐標(biāo)系是機(jī)體坐標(biāo)系、速度坐標(biāo)系和地球坐標(biāo)系。飛行控制系統(tǒng)一般由測(cè)量飛機(jī)姿態(tài)及其他飛行參數(shù)用的敏感元件、形成控制信號(hào)或指令的計(jì)算機(jī)、變換和放大信號(hào)的電子線路以及驅(qū)動(dòng)飛機(jī)舵面的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。

2 飛機(jī)的控制結(jié)構(gòu)

飛機(jī)的主要靠操縱桿控制運(yùn)行，操縱桿通常位于飛行員的手中，在大多數(shù)直升機(jī)上，直升機(jī)具有從頂部下降到駕駛艙的循環(huán)控制。這樣的控制被稱為循環(huán)控制，因?yàn)樗h(huán)地改變轉(zhuǎn)子葉片的槳距，可以讓將轉(zhuǎn)子盤傾斜到特定的方向，導(dǎo)致直升機(jī)在該方向上移動(dòng)。如果飛行員向前推動(dòng)操縱桿，則轉(zhuǎn)子盤向前傾斜，轉(zhuǎn)子在向前方向產(chǎn)生推力。如果飛行員將操縱桿推動(dòng)到側(cè)面，則轉(zhuǎn)子盤傾斜到該側(cè)并在該方向產(chǎn)生推力，導(dǎo)致直升機(jī)向側(cè)面懸停。俯仰控制器位于飛行員座椅的左側(cè)，具有提前設(shè)定的摩擦控制措施，以防止意外地移動(dòng)。俯仰控制改變所有主轉(zhuǎn)子葉片的俯仰角并且獨(dú)立于它們的位置。因此，如果進(jìn)行俯仰控制輸入，所有葉片均勻變化，可以讓直升機(jī)的高度上升或下降。反扭矩踏板位于與固定翼飛機(jī)中的方向舵踏板相同的位置，并且具有類似的目的，即控制飛機(jī)的機(jī)頭方向。在給定方向上施加踏板改變尾部轉(zhuǎn)子葉片的槳距，增加或減小由尾部轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的推力，并使機(jī)頭在所施加的踏板的方向上偏轉(zhuǎn)。踏板機(jī)械地改變尾輪的槳距，改變產(chǎn)生的推力。直升機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為在較小的RPM范圍內(nèi)運(yùn)行。油門控制發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)固定比率傳動(dòng)裝置與轉(zhuǎn)子連接。油門的目的是保持足夠的發(fā)動(dòng)機(jī)功率以將轉(zhuǎn)子RPM保持在允許限度內(nèi)，以便轉(zhuǎn)子產(chǎn)生足夠的升力用于飛行。在單引擎直升機(jī)中，油門控制是安裝在操縱桿上的摩托車式扭轉(zhuǎn)手柄，而雙引擎直升機(jī)具有用于每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力桿。斜盤控制主葉片的循環(huán)間距。斜盤沿著主軸上下移動(dòng)，以改變兩個(gè)葉片的間距。這將導(dǎo)致直升機(jī)根據(jù)迎角向下或向上推動(dòng)空氣。斜盤也可以改變其角度以向前或向后或向左或向右移動(dòng)葉片角度，使直升機(jī)沿著這些方向移動(dòng)。

3 遺傳算法在飛機(jī)控制中的應(yīng)用

在遺傳算法中，針對(duì)飛機(jī)控制問(wèn)題的優(yōu)化解決方案，對(duì)每個(gè)候選解決方案都建立一組可以突變和改變的屬性（例如染色體或基因型），傳統(tǒng)上，解決方案以二進(jìn)制表示為0和1的字符串，但是其他編碼也是可以的。演化通常從隨機(jī)生成的群體開(kāi)始，是一個(gè)迭代過(guò)程，每個(gè)迭代中的群體稱為一代。在每一代群體中評(píng)估每個(gè)部分的適應(yīng)度，適應(yīng)度通常是解決優(yōu)化問(wèn)題中目標(biāo)函數(shù)的值。更合適的個(gè)體從當(dāng)前群體中隨機(jī)選擇，并且每個(gè)個(gè)體的基因組被修改以形成新一代。新一代的候選解決方案然后用于算法的下一次迭代。通常，當(dāng)生成最大數(shù)量的代數(shù)或者為群體達(dá)到令人滿意的適合度時(shí)，該算法停止。典型的遺傳算法要求：飛機(jī)控制解決方案域的遺傳表示和一個(gè)適應(yīng)度函數(shù)來(lái)評(píng)估解決方案域。每個(gè)候選解決方案的標(biāo)準(zhǔn)表示形式是一個(gè)位數(shù)組。使這些遺傳表示方便的主要特性是它們的部件由于其格式固定，因此容易進(jìn)行計(jì)算，這有助于簡(jiǎn)單的交叉操作。也可以使用可變長(zhǎng)度表示，但在這種情況下，交叉實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜。在遺傳規(guī)劃中探索樹狀表示，并在進(jìn)化規(guī)劃中探索圖形表示，在基因表達(dá)編程中探索了線性染色體和樹的混合。一旦確定了遺傳表達(dá)和適應(yīng)度函數(shù)，GA就會(huì)先進(jìn)行初始化解，然后通過(guò)重復(fù)應(yīng)用突變，交叉，反演和選擇算子來(lái)改進(jìn)，最終得到最優(yōu)化的飛機(jī)控制方案。

4 總結(jié)

遺傳算法的飛機(jī)控制理論也有一定的缺點(diǎn)，例如存儲(chǔ)容量較小，無(wú)法有效地一次性運(yùn)輸大量的物資與傷員，對(duì)于一些更復(fù)雜的地形例如沼澤、堰塞湖等還是無(wú)能為力，安全性需要進(jìn)一步加強(qiáng)等。

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