基于ISIGHT的水下航行體水動力參數(shù)辨識方法研究

李智生 趙 欣

(1.91550部隊 大連 116023)(2.大連大學(xué)信息工程學(xué)院 大連 116622)

基于ISIGHT的水下航行體水動力參數(shù)辨識方法研究

李智生1趙 欣2

(1.91550部隊 大連 116023)(2.大連大學(xué)信息工程學(xué)院 大連 116622)

針對水下航行體彈道方程水動力參數(shù)辨識的復(fù)雜性,提出采用ISIGHT軟件辨識水動力參數(shù)的方法,通過對待辨識參數(shù)的靈敏度分析,得到待辨識的關(guān)鍵參數(shù),建立待辨識關(guān)鍵參數(shù)的辨識模型,對水彈道方程的水動力參數(shù)加以修正,提高了彈道仿真模型的置信度。最后結(jié)合實測數(shù)據(jù)驗證了辨識方法的有效性。

水下航行體; ISIGHT軟件; 水動力參數(shù); 參數(shù)辨識

Class Number U661.1

1 引言

水動力參數(shù)是描述水下航行體運動狀態(tài)的重要參數(shù),為水下航行體彈道的設(shè)計、評估提供重要依據(jù)。一般情況下,有些水動力參數(shù)可以通過水動力測量實驗獲得,有些參數(shù)也可以用理論方法或理論近似方法計算獲得,但是有些參數(shù)難以用實驗方法獲得,而用理論計算獲得的結(jié)果與實測彈道差別較大[1～3]。

試驗數(shù)據(jù)是獲取水下航行體運動特性的直接手段,但如何從大量的水下航行體彈道試驗數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵信息,是需要研究的重要問題。運用參數(shù)辨識技術(shù)分析水下航行體彈道試驗數(shù)據(jù),目的是在對試驗數(shù)據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上,利用系統(tǒng)辨識算法辨識出關(guān)鍵的水動力參數(shù),進而對辨識出的水動力參數(shù)進行修正,從而提高水下航行體彈道的仿真計算精度。

文獻[4]采用迭代算法對靶彈氣動力參數(shù)進行了辨識,并對辨識精度做了分析。文獻[5]基于單純形的模擬退火算法對水彈道動力學(xué)系統(tǒng)進行了辨識,并探索了未建模不確定性及待辨識參數(shù)矢量的維數(shù)對辨識精度的影響。文獻[6～7]均采用智能算法對水動力參數(shù)進行辨識,經(jīng)過驗證表明,利用辨識獲得的水動力模型計算的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)比較吻合,辨識算法是有效的。

本文針對水下航行體彈道方程水動力系數(shù)辨識的復(fù)雜性,在已有的彈道數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,采用ISIGHT軟件,通過對需要辨識的水動力系數(shù)進行分析,得到關(guān)鍵辨識參數(shù),建立待辨識參數(shù)的優(yōu)化模型,給出了一種水動力參數(shù)辨識的設(shè)計方法。

2 水下航行體彈道仿真數(shù)學(xué)模型

2.1 空間運動方程組

1) 動力學(xué)方程組

根據(jù)動量定理和動量矩定理,得到水下航行體水下空間運動動力學(xué)方程組的一般形式[8]：

(1)

2) 運動學(xué)方程組

描述航行體浮心平移運動的方程組為

(2)

式中：vx0,vy0,vz0為航行體浮心速度在地面坐標(biāo)系下的分量。

描述航行體轉(zhuǎn)動的運動學(xué)方程組為[9～10]：

(3)

再加上攻角α、側(cè)滑角β及速度v的定義式

α=-arctg(vy/vx)

(4)

(5)

(6)

式(1)～(6)即構(gòu)成了航行體水下空間運動方程組。

2.2 流體動力

建立航行體所受粘性流體動力數(shù)學(xué)模型如下：

(7)

航行體所受的阻尼力和力矩為

(8)

3 基于ISIGHT軟件的辨識方法

ISIGHT是Engineous公司開發(fā)的通用設(shè)計開發(fā)環(huán)境。可以將數(shù)字技術(shù)、推理技術(shù)和設(shè)計探索技術(shù)有效融合,并把大量需要人工完成的工作由軟件實現(xiàn)自動化處理。ISIGHT軟件可以集成仿真代碼并提供智能支持,從而對多個設(shè)計可選方案進行評估和研究,大大縮短了設(shè)計周期,顯著提高設(shè)計質(zhì)量和可靠性。

3.1 靈敏度模型設(shè)置與結(jié)果分析

運用DOE方法對流體動力參數(shù)進行靈敏度分析,模型設(shè)置如下：

圖1 影響因子貢獻程度百分比Pareto圖

3.2 參數(shù)辨識

對于復(fù)雜彈道方程的水動力參數(shù),理論計算結(jié)果與實測情況有相當(dāng)大的差別。而參數(shù)辨識方法是根據(jù)水下航行體試驗過程中獲取的實測數(shù)據(jù),估計出待辨識參數(shù)矢量,從待辨識參數(shù)初始值出發(fā),根據(jù)航行體運動狀態(tài)方程計算彈道,然后比較計算彈道與實測彈道之間的誤差,再根據(jù)誤差按一定的算法逐步調(diào)整參數(shù)的值,最終使得計算彈道與實測彈道之間的誤差達到最小,從而將參數(shù)辨識問題轉(zhuǎn)換為最值優(yōu)化問題。

3.2.1 辨識方案設(shè)計

水動力參數(shù)辨識的實質(zhì)可以描述為根據(jù)實驗數(shù)據(jù)估計待識參數(shù)矢量,使仿真數(shù)據(jù)系列中出現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)系列的概率達到最大。適當(dāng)?shù)倪x擇準(zhǔn)則函數(shù),將極大值問題轉(zhuǎn)化為極小值問題。

(9)

式中：η為待辨識水動力參數(shù)向量；下標(biāo)號1表示實測數(shù)據(jù),下標(biāo)號2表示仿真數(shù)據(jù)。

3.2.2 辨識模型設(shè)置

在ISIGHT軟件中搭建優(yōu)化設(shè)計模型,設(shè)計變量寫在一個文本文件中供ISIGHT軟件修改、自編程序讀入使用；自編程序讀入?yún)?shù)輸入結(jié)果文件；ISIGHT讀入結(jié)果,進行判斷后繼續(xù)優(yōu)化,使用ISIGHT軟件將輸入輸出文件、彈道計算程序集成,利用軟件自帶的優(yōu)化算法完成多目標(biāo)優(yōu)化過程,使目標(biāo)準(zhǔn)則函數(shù)達到最小。

首先更改彈道程序,將評價函數(shù)計算結(jié)果寫入輸出結(jié)果文件。其次,在ISIGHT軟件中,將輸入文件、計算程序和輸入結(jié)果文件集成在simcode組件內(nèi)。將Task1用OPtimizition組件替換,再然后設(shè)置優(yōu)化方法,配置參數(shù),設(shè)置優(yōu)化變量,約束條件和目標(biāo)函數(shù),設(shè)置方法和設(shè)置結(jié)果如圖2所示。

完成好以上步驟后,定制好監(jiān)視圖表,點擊“開始”,進行優(yōu)化設(shè)計流程。系統(tǒng)自動調(diào)用仿真程序計算,計算完畢后根據(jù)優(yōu)化算法更改輸入?yún)?shù),再次計算,依次完成參數(shù)尋優(yōu)工作。

圖2 參數(shù)配置

3.2.3 辨識結(jié)果

ISIGHT中提供的全局優(yōu)化算法包括自動優(yōu)化專家算法、進化算法、自適應(yīng)模擬算法、粒子群優(yōu)化算法等,本文在嘗試了各種優(yōu)化算法后,選取最優(yōu)的自適應(yīng)模擬退火算法的辨識結(jié)果作為最終結(jié)果。

利用優(yōu)化模型及算法,在進行了2164次計算后系統(tǒng)提示優(yōu)化完畢,在給定的優(yōu)化方式下,系統(tǒng)給出了最優(yōu)的優(yōu)化結(jié)果。結(jié)果如表1所示。

表1 參數(shù)優(yōu)化結(jié)果

將優(yōu)化后的參數(shù)代入彈道方程,仿真計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)結(jié)果對比如圖3所示,其中虛線為仿真參數(shù),實線為實驗參數(shù)。可以看出,彈道仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)擬合的較好。

圖3 仿真與實測彈道對比曲線

圖4 辨識結(jié)果效驗曲線圖

3.2.4 辨識結(jié)果校驗

為了測試辨識結(jié)果的可信度,調(diào)用另外一組實測數(shù)據(jù)對以上辨識參數(shù)進行校驗,將辨識得到的流體動力參數(shù)帶入程序進行計算,并與實測彈道參數(shù)進行對比得到對比曲線如圖4所示。

由圖4可以看出,采用優(yōu)化算法辨識出的水動力參數(shù),對相同發(fā)射環(huán)境下的彈道具有很好的適應(yīng)性,實測和仿真彈道的位移曲線基本是重合的,速度和姿態(tài)角曲線也耦合的很好。實測和仿真彈道中出現(xiàn)的最大攻角均在1.5°左右,出水時刻的攻角均在0°左右,精度能夠滿足實際需要。因此,辨識結(jié)果是可信的,在相同發(fā)射環(huán)境下,辨識出的流體動力參數(shù)是適用的。

4 結(jié)語

本文針對水下航行體彈道方程水動力參數(shù)辨識的復(fù)雜性,采用ISIGHT軟件,建立了水下航行體運動方程,對需要辨識的水動力參數(shù)的敏感度分析,得到了關(guān)鍵辨識參數(shù),將辨識問題轉(zhuǎn)換為優(yōu)化問題,建立了辨識模型,通過修正辨識參數(shù),提高了仿真模型的置信度。仿真結(jié)果表明,辨識結(jié)果是可信性,辨識得到的水動力參數(shù)適用于仿真計算。

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Hydrodynamic Parameter Identification Method for Underwater Vehicle Using ISIGHT Software

LI Zhisheng1ZHAO Xin2

(1. No. 91550 Troops of PLA, Dalian 116023) (2. Information Engineering College, Dalian University, Dalian 116622)

Aiming at the complexity of hydrodynamic parameters identification for underwater-launched vehicle ballistic equations, this paper puts forward a way of hydrodynamic parameters identification based on ISIGHT software. The key parameters are obtained after the analysis of sensitivity of parameters. The key parameters identification model is established. The hydrodynamic parameters of ballistic equations are corrected, and the simulation result’s confidence is improved. At last, the availability of identification method is verification combining test data.

underwater vehicle, ISIGHT software, hydrodynamic parameters, parameters identification

2016年7月12日,

2016年8月23日

李智生,男,博士,高級工程師,研究方向:水下測量及水動力研究。趙欣,女,博士,副教授,研究方向:軟件工程與信息處理技術(shù)。

U661.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.032