4.3. Tối ưu tham số thiết kế bộ cánh trước cho khí cụ bay điều khiển một
4.3.2. Xác định tập các phương án chấp nhận được
Chọn chuỗi LPτ gồm N = 1024 điểm. Tiến hành tính tốn tọa độ các phương án tìm kiếm theo chuỗi LPτ theo như Mục 3.2.1 trong vùng khơng gian tìm kiếm P được giới hạn bởi các cận dưới và cận trên của các tham số thiết kế (4.4). Để giảm thiểu số lượng các phương án tính tốn, ở bước tính tốn khí động tiến hành loại bỏ các điểm khơng thỏa mãn các điều kiện ràng buộc hình học (4.5).
0 ≤ xa ≤ 40 65 ≤ L ≤ 95 30 ≤ b ≤ 90 (4.4) 0 10 ≤ b ≤ 90 k 0 ≤ χ ≤ 30 xa + b0 ≤ 90 bk ≤ b0 (4.5) x + L tan χ + b ≤ 90 a k
Kết quả nhận được 363 phương án còn lại. Giải và khảo sát kết quả bài tốn mơ phỏng động lực học bay KCB nhận được tập G gồm 53 phương án thỏa mãn tất cả các điều kiện ràng buộc của bài tốn (Hình 4.21).
Hình 4.21. Tập G trong khơng gian hàm mục tiêu
Từ 53 phương án thuộc tập G ta quan tâm đến các phương án mà tại đó các hàm mục tiêu đạt giá trị nhỏ nhất:
- Phương án ứng với i = 887 cho giá trị cực tiểu các hàm mục tiêu về hệ số chất lượng khí động Φ1 là phương án KCB có hệ số chất lượng khí động tốt nhất.
- Phương án ứng với i = 343 cho cực tiểu hàm mục tiêu về độ ổn định Φ2 là phương án KCB có độ ổn định cao nhất.
- Phương án ứng với i = 831 cho cực tiểu hàm mục tiêu về tính điều khiển được Φ3 là phương án KCB có tính điều khiển được tốt nhất.
Tọa độ của 3 điểm tương ứng với 3 phương án trên và của phương án cơ sở thể hiện trên Bảng 4.14.
Bảng 4.14. Một số phương án tối ưu theo các hàm mục tiêui L (mm) χ (độ) b0 (mm) bk (mm) xa (mm) Ghi chú i L (mm) χ (độ) b0 (mm) bk (mm) xa (mm) Ghi chú
85 0 60 45 2 p/a cơ sở
887 92,979 9,170 54,082 45,234 31,758 Φ1 min
343 92,480 7,793 39,023 20,469 29,141 Φ2 min
831 94,619 2,373 48,926 30,859 0,195 Φ3 min
Bảng 4.15 thể hiện kết quả so sánh giá trị các hàm mục tiêu Φ1, Φ2, Φ3 ứng với các phương án trên, phương án có chất lượng khí động kém nhất (i=627) so với phương án cơ sở.
Bảng 4.15. So sánh giá trị các hàm mục tiêu so với phương án cơ sở
i Φ1 Φ2 Φ3 Ghi chú 0,99 5,102 0,8787 p/a cơ sở 887 0,95 2,8986 0,8594 Φ1 min -3,71% -43,19% -2,20% 343 0,995 2,5189 1,113 Φ2 min 0,51% -50,63% 26,66% 831 0,9794 5,0251 0,5383 Φ3 min -1,07% -1,51% -38,74% 627 1,0194 2,9851 0,8907 Φ1 max 2,97% -41,49% 1,37%
Từ Bảng 4.15 nhận thấy:
- So với phương án cơ sở, hàm mục tiêu chất lượng khí động của các phương án đang xét có sự thay đổi khơng nhiều. Phương án có chất lượng khí động tốt nhất có hàm mục tiêu về chất lượng khí động tốt hơn phương án cơ sở 3,71%. Trong khi phương án có hệ số chất lượng khí động kém nhất chỉ kém hơn 2,97% so với phương án cơ sở.
- Hàm mục tiêu tính ổn định có dải biến thiên theo chiều hướng có lợi rộng hơn. Phương án có độ ổn định tốt nhất tốt hơn 50,63% so với phương án cơ sở. - Hàm mục tiêu tính điều khiển được của phương án thiết kế có tính điều khiển
được tốt nhất tốt hơn phương án cơ sở 38,74%.
Chọn giới hạn các hàm mục tiêu tương ứng là giá trị các hàm mục tiêu của phương án cơ sở:
Φ** = 0,99;Φ** = 5,102;Φ** =
0,8787; (4.6)
Khi đó, từ 53 phương án thuộc tập G ta chọn được 6 phương án Ai có giá trị các hàm mục tiêu thỏa mãn điều kiện:
Φ (A ) ≤ Φ**,v =1,2,3 (4.7)
v i v
Hình 4.22. Tập các phương án chấp nhận được D
Như vậy, nhận được tập D (Hình 4.22) gồm 6 phương án chấp nhận được có thứ tự và tọa độ tương ứng như trong Bảng 4.16. Giá trị các hàm mục tiêu tương ứng của các phương án này đều tốt hơn phương án cơ sở.
Bảng 4.16. Tọa độ và hàm mục tiêu các phương án thuộc tập D
i L (mm) χ (độ) b0 (mm) bk (mm) xa (mm) Φ1 Φ2 Φ3 575 94,561 17,432 73,184 57,891 14,023 0,9872 3,2787 0,7584 605 86,826 5,947 62,402 57,266 7,461 0,9872 3,5211 0,7069 759 93,037 5,830 75,293 27,578 4,805 0,9843 3,9063 0,7241 831 94,619 2,373 48,926 30,859 0,195 0,9794 5,0251 0,5383 887 92,979 9,170 54,082 45,234 31,758 0,9533 2,8986 0,8594 1005 86,533 1,084 71,660 33,672 12,227 0,9881 3,2468 0,8301
4.3.3. Lựa chọn phương án thiết kế tối ưu
Nhận thấy, trong các hàm mục tiêu được khảo sát, tính ổn định và tính điều khiển được của KCB là 2 hàm mục tiêu có tính chất trái ngược nhau. Khí cụ bay càng ổn định thì càng khó điều khiển và ngược lại. Để thể hiện sự phụ thuộc lẫn nhau của 2 mục tiêu này ta xây dựng biên Pareto là đường gấp khúc nối giữa các điểm Pareto trong không gian mục tiêu.
Từ tập G tiến hành chọn được 18 điểm Pareto. Đồ thị biểu diễn các điểm hiệu quả và các điểm Pareto trong mặt phẳng (Φ2, Φ3) như Hình 4.23. Nhận thấy, các phương án hiệu quả tập trung chủ yếu ở vùng mà hàm mục tiêu Φ2 có giá trị nhỏ. Điều đó có nghĩa là vùng tham số mà KCB ổn định có nhiều phương án hiệu quả hơn so với vùng KCB kém ổn định.
Trong số các phương án chấp nhận được thuộc tập D, nhận thấy phương án ứng với i = 831 là phương án có hàm mục tiêu về tính điều khiển được nhỏ
nhất. Giả thiết cần lựa chọn phương án thiết kế tối ưu về tính điều khiển được ta chọn phương án i = 831 (gọi là phương án B) là điểm xuất phát để tìm kiếm cực trị cục bộ cho bài tốn tối ưu tính điều khiển được của KCB.
Hình 4.23. Các phương án tìm kiếm trong khơng gian mục tiêu khi tìm kiếm trong miền P với N = 1024
Chọn điểm B là tâm của vùng khơng gian tìm kiếm mới P1. Biên của P1 theo các tọa độ được lấy bằng ±5% so với tâm là điểm B. Giới hạn vùng khơng gian tìm kiếm P1 được thể hiện trên Bảng 4.17. Trong đó, nhận thấy khi tăng ±5% tọa độ sải cánh của điểm B thì nhận được giá trị vượt q vùng tìm kiếm ban đầu P. Do đó, chọn giới hạn trên của tham số sải cánh vùng không gian P làm giới hạn mới cho vùng không gian P1.
Bảng 4.17. Giới hạn vùng khơng gian tìm kiếm P1
Tọa độ L (mm) χ (độ) b0 (mm) bk (mm) xa (mm)
Tâm B 94,619 2,373 48,926 30,859 0,195
Cận dưới 89,888 2,254 46,480 29,316 0,185
Cận trên 95 2,492 51,372 32,402 0,205
Tiến hành giải bài toán tối ưu cho N = 64 điểm trong vùng khơng gian tìm kiếm mới. Nhận được tập G gồm 64 điểm.
Hình 4.24. Các phương án tìm kiếm trong khơng gian mục tiêu khi tìm kiếm trong miền P1 với N = 64
Chọn giới hạn hàm mục tiêu là giá trị các hàm mục tiêu của phương án B, nhận được tập D gồm 2 điểm chấp nhận được (Hình 4.24).
Φ** = 0,9794;Φ** = 5,0251;Φ** = 0,5383; (4.8) Nhận thấy phương án B1 (tương ứng với i = 51) cho giá trị hàm mục tiêu về tính điều khiển được tốt nhất trong số các phương án chấp nhận được. Đồng thời, hàm mục tiêu hệ số chất lượng khí động và tính ổn định của B1 cũng tốt hơn so với B.
Kết quả so sánh giá trị các hàm mục tiêu của phương án B1 so với phương án B nhận thấy: hệ số chất lượng khí động của B1 tốt hơn B 1,6%, tính điều khiển được của B1 tốt hơn B 0,5%, tính ổn định của B1 tốt hơn B 1,6% (Bảng 4.18).
3
Bảng 4.18. Bảng so sánh giá trị các hàm mục tiêu phương án B và B1Phương án Φ1 Φ2 Φ3 Phương án Φ1 Φ2 Φ3 p/a cơ sở 0,99 5,102 0,8787 B 0,9794 5,0251 0,5383 B1 0,9524 5,000 0,5297 ε (B1,B), % -2,76% -0,5% -1,6%
Như vậy, sau vịng lặp đầu tiên ta tìm được phương án B1 có hàm mục tiêu về hệ số chất lượng khí động, tính ổn định và tính điều khiển được đều tốt hơn so với phương án B.
Ở vòng lặp tiếp theo, chọn B1 làm tâm vùng giới hạn khơng gian tìm kiếm mới, kí hiệu là P2. Biên của P2 theo các tọa độ được lấy bằng ±5% so với tọa độ tâm là điểm B1. Giới hạn vùng khơng gian tìm kiếm P2 được thể hiện trên Bảng 4.19.
Bảng 4.19. Giới hạn vùng khơng gian tìm kiếm P2
Tọa độ L (mm) χ (độ) b0 (mm) bk (mm) xa (mm)
Tâm B1 93,962 2,258 48,238 31,872 0,194
Cận dưới 89,264 2,145 45,826 30,278 0,184
Cận trên 95 2,371 50,650 33,465 0,204
Do khi tăng ±5% tọa độ sải cánh của điểm B1 thì nhận được giá trị vượt quá giới hạn vùng tìm kiếm theo tọa độ sải cánh của vùng không gian ban đầu P nên ta chọn giới hạn trên của tham số sải cánh trong vùng không gian P làm giới hạn mới cho vùng không gian P2.
Giải bài tốn tối ưu trong vùng khơng gian tìm kiếm mới P2 với N = 64 nhận được tập G gồm 64 phương án. Chọn giới hạn các hàm mục tiêu là giá trị các hàm mục tiêu của B1:
Khi đó nhận được D là tập rỗng do khơng có phương án tìm kiếm nào có chất lượng khí động tốt hơn B1.
Hình 4.25. Các phương án tìm kiếm trong khơng gian mục tiêu khi tìm kiếm trong miền P2 với N = 64
Tăng số lượng các phương án tìm kiếm lên giá trị N = 128. Tiếp tục giải bài tốn đối với vùng khơng gian tham số P2. Ta nhận được tập G gồm 128 phương án. Tuy nhiên khơng có phương án nào thỏa mãn ràng buộc các hàm mục tiêu nên tập D vẫn rỗng.
Nhận thấy, trong số 128 phương án thiết kế của tập G, giá trị hàm mục tiêu về chất lượng khí động ít biến đổi. Phương án có chất lượng khí động tốt là Φ1 (A15 ) = 0, 9506 . Phương án có hệ số chất lượng khí động kém nhất là
Φ1 (A16 ) = 0, 9579 . Sai lệch giữa 2 phương án là 0,8%. Do vậy giả thiết có thể
bỏ qua hàm mục tiêu về chất lượng khí động khi lựa chọn phương án thiết kế tối ưu trong số các phương án này. Khi đó, ta nhận được tập D chứa một phương án B2 tương ứng với i = 17 (Hình 4.26).
Hình 4.26. Các phương án tìm kiếm trong khơng gian mục tiêu khi tìm kiếm trong miền P2 với N = 128
Bảng 4.20 thể hiện kết quả so sánh giá trị các hàm mục tiêu tướng ứng về chất lượng khí động, tính ổn định và tính điều khiển được của các phương án B2 và B1.
Bảng 4.20. Bảng so sánh giá trị các hàm mục tiêu phương án B1 và B2
Phương án Φ1 Φ2 Φ3
B1 0,9524 5,000 0,5297
B2 0,9533 4,7393 0,5286
ε (B2,B1), % 0,09% -5,21% -0,2%
Như vậy, ta nhận được phương án B2 tối ưu hơn phương án B1 về tính điều khiển được 0,2%. Đồng thời tính ổn định của B2 cũng tốt hơn B1 5,21%. Phương án B2 có thể coi là nghiệm tối ưu của bài tốn. Tọa độ của B2 thể hiện trên Bảng 4.21.
Bảng 4.21. Các tham số thiết kế phương án B2
Tọa độ L (mm) χ (độ) b0 (mm) bk (mm) xa (mm)
B2 92,3113 2,1521 50,1978 32,5687 0,2034