商用飞机一般巡航阶段优化的代理框架
最优化与控制
2025-09-03 v1
摘要
使用庞特里亚金最大值原理（PMP）优化商用飞机巡航轨迹极具挑战性，原因在于飞机速度的非线性动力学、复杂的共态动力学，以及包含两个连续控制量（其中一个（推力）通常是奇异的仿射输入）。我们提出了一个代理优化框架，考虑了空间相关的风场、飞行敏感区域以及等式/不等式约束。为了模拟大气风场，我们提出了一个无散度复合无粘流模型，该模型显示出与大气风数据集中观察到的大尺度模式的结构一致性。飞行敏感区域被聚类为参数化椭圆，作为软约束处理。基于回旋道性质，该代理框架在无穷小段上强制执行准稳态飞机速度，从而消除了推力控制并将速度视为直接控制量。在各种设置上的综合数值实验证实，该代理框架能够重现与原始问题完全一致的最优解，同时显著减少了计算时间和实现工作量。附带的补充材料包括实现细节和开源代码（具有用于飞机和风函数以及飞行敏感区域的交互式内置和用户定义环境），以及一个额外示例，该示例通过基于高速 PMP 的代理框架实现的蒙特卡洛分析，考察了最优解中风引起的变异性。
引用
@article{arxiv.2509.00972,
title = {A Surrogate Framework for General Cruise-Phase Optimization of Commercial Aircraft},
author = {Amin Jafarimoghaddam and Manuel Soler and María Cerezo-Magaña},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.00972},
year = {2025}
}