基于遗传算法的飞机控制函数优化策略

2017-12-29王家祺王赛河北农业大学

数码世界 2017年7期

关键词：操纵杆踏板适应度

王家祺王赛河北农业大学

基于遗传算法的飞机控制函数优化策略

王家祺王赛河北农业大学

飞机的飞行理论正在不断地进步，利用现代控制理论对其进行优化是极为重要的。本文通过对飞机控制理论的分析，结合飞机的控制结构，采用遗传算法对其进行优化，并对其发展进行了分析。

遗传算法飞机控制函数优化

1 飞机控制理论的发展

飞机的飞行控制主要是稳定和控制飞机的角运动（偏航、俯仰与滚转）以及飞机的重心运动（前进、升降与左右)。飞机飞行控制采取的是反馈控制原理。飞机是被控制对象，自动控制系统是控制器。飞机和自动控制系统按负反馈的原则组成闭环回路(飞行控制回路)，实现对飞机的稳定与控制。在这个闭环回路中被控制量主要有飞机的姿态角、飞行速度、高度和侧向偏离等，控制量是气动控制面的偏角和油门杆的位移。运用经典控制理论或现代控制理论可以分析和综合飞行控制回路（见控制理论），从而设计出飞机飞行控制系统。为了确切地描述飞机的运动状态，需要选定适当的坐标系，常用的坐标系是机体坐标系、速度坐标系和地球坐标系。飞行控制系统一般由测量飞机姿态及其他飞行参数用的敏感元件、形成控制信号或指令的计算机、变换和放大信号的电子线路以及驱动飞机舵面的执行机构等组成。

2 飞机的控制结构

飞机的主要靠操纵杆控制运行，操纵杆通常位于飞行员的手中，在大多数直升机上，直升机具有从顶部下降到驾驶舱的循环控制。这样的控制被称为循环控制，因为它循环地改变转子叶片的桨距，可以让将转子盘倾斜到特定的方向，导致直升机在该方向上移动。如果飞行员向前推动操纵杆，则转子盘向前倾斜，转子在向前方向产生推力。如果飞行员将操纵杆推动到侧面，则转子盘倾斜到该侧并在该方向产生推力，导致直升机向侧面悬停。俯仰控制器位于飞行员座椅的左侧，具有提前设定的摩擦控制措施，以防止意外地移动。俯仰控制改变所有主转子叶片的俯仰角并且独立于它们的位置。因此，如果进行俯仰控制输入，所有叶片均匀变化，可以让直升机的高度上升或下降。反扭矩踏板位于与固定翼飞机中的方向舵踏板相同的位置，并且具有类似的目的，即控制飞机的机头方向。在给定方向上施加踏板改变尾部转子叶片的桨距，增加或减小由尾部转子产生的推力，并使机头在所施加的踏板的方向上偏转。踏板机械地改变尾轮的桨距，改变产生的推力。直升机转子设计为在较小的RPM范围内运行。油门控制发动机输出的功率，发动机通过固定比率传动装置与转子连接。油门的目的是保持足够的发动机功率以将转子RPM保持在允许限度内，以便转子产生足够的升力用于飞行。在单引擎直升机中，油门控制是安装在操纵杆上的摩托车式扭转手柄，而双引擎直升机具有用于每个发动机的动力杆。斜盘控制主叶片的循环间距。斜盘沿着主轴上下移动，以改变两个叶片的间距。这将导致直升机根据迎角向下或向上推动空气。斜盘也可以改变其角度以向前或向后或向左或向右移动叶片角度，使直升机沿着这些方向移动。

3 遗传算法在飞机控制中的应用

在遗传算法中，针对飞机控制问题的优化解决方案，对每个候选解决方案都建立一组可以突变和改变的属性（例如染色体或基因型），传统上，解决方案以二进制表示为0和1的字符串，但是其他编码也是可以的。演化通常从随机生成的群体开始，是一个迭代过程，每个迭代中的群体称为一代。在每一代群体中评估每个部分的适应度，适应度通常是解决优化问题中目标函数的值。更合适的个体从当前群体中随机选择，并且每个个体的基因组被修改以形成新一代。新一代的候选解决方案然后用于算法的下一次迭代。通常，当生成最大数量的代数或者为群体达到令人满意的适合度时，该算法停止。典型的遗传算法要求：飞机控制解决方案域的遗传表示和一个适应度函数来评估解决方案域。每个候选解决方案的标准表示形式是一个位数组。使这些遗传表示方便的主要特性是它们的部件由于其格式固定，因此容易进行计算，这有助于简单的交叉操作。也可以使用可变长度表示，但在这种情况下，交叉实现更复杂。在遗传规划中探索树状表示，并在进化规划中探索图形表示，在基因表达编程中探索了线性染色体和树的混合。一旦确定了遗传表达和适应度函数，GA就会先进行初始化解，然后通过重复应用突变，交叉，反演和选择算子来改进，最终得到最优化的飞机控制方案。