基于ISIGHT的水下航行体水动力参数辨识方法研究

李智生 赵 欣

(1.91550部队 大连 116023)(2.大连大学信息工程学院 大连 116622)

基于ISIGHT的水下航行体水动力参数辨识方法研究

李智生1赵 欣2

(1.91550部队 大连 116023)(2.大连大学信息工程学院 大连 116622)

针对水下航行体弹道方程水动力参数辨识的复杂性,提出采用ISIGHT软件辨识水动力参数的方法,通过对待辨识参数的灵敏度分析,得到待辨识的关键参数,建立待辨识关键参数的辨识模型,对水弹道方程的水动力参数加以修正,提高了弹道仿真模型的置信度。最后结合实测数据验证了辨识方法的有效性。

水下航行体; ISIGHT软件; 水动力参数; 参数辨识

Class Number U661.1

1 引言

水动力参数是描述水下航行体运动状态的重要参数,为水下航行体弹道的设计、评估提供重要依据。一般情况下,有些水动力参数可以通过水动力测量实验获得,有些参数也可以用理论方法或理论近似方法计算获得,但是有些参数难以用实验方法获得,而用理论计算获得的结果与实测弹道差别较大[1～3]。

试验数据是获取水下航行体运动特性的直接手段,但如何从大量的水下航行体弹道试验数据中提取关键信息,是需要研究的重要问题。运用参数辨识技术分析水下航行体弹道试验数据,目的是在对试验数据进行分析的基础上,利用系统辨识算法辨识出关键的水动力参数,进而对辨识出的水动力参数进行修正,从而提高水下航行体弹道的仿真计算精度。

文献[4]采用迭代算法对靶弹气动力参数进行了辨识,并对辨识精度做了分析。文献[5]基于单纯形的模拟退火算法对水弹道动力学系统进行了辨识,并探索了未建模不确定性及待辨识参数矢量的维数对辨识精度的影响。文献[6～7]均采用智能算法对水动力参数进行辨识,经过验证表明,利用辨识获得的水动力模型计算的结果与试验数据比较吻合,辨识算法是有效的。

本文针对水下航行体弹道方程水动力系数辨识的复杂性,在已有的弹道数学模型的基础上,采用ISIGHT软件,通过对需要辨识的水动力系数进行分析,得到关键辨识参数,建立待辨识参数的优化模型,给出了一种水动力参数辨识的设计方法。

2 水下航行体弹道仿真数学模型

2.1 空间运动方程组

1) 动力学方程组

根据动量定理和动量矩定理,得到水下航行体水下空间运动动力学方程组的一般形式[8]：

(1)

2) 运动学方程组

描述航行体浮心平移运动的方程组为

(2)

式中：vx0,vy0,vz0为航行体浮心速度在地面坐标系下的分量。

描述航行体转动的运动学方程组为[9～10]：

(3)

再加上攻角α、侧滑角β及速度v的定义式

α=-arctg(vy/vx)

(4)

(5)

(6)

式(1)～(6)即构成了航行体水下空间运动方程组。

2.2 流体动力

建立航行体所受粘性流体动力数学模型如下：

(7)

航行体所受的阻尼力和力矩为

(8)

3 基于ISIGHT软件的辨识方法

ISIGHT是Engineous公司开发的通用设计开发环境。可以将数字技术、推理技术和设计探索技术有效融合,并把大量需要人工完成的工作由软件实现自动化处理。ISIGHT软件可以集成仿真代码并提供智能支持,从而对多个设计可选方案进行评估和研究,大大缩短了设计周期,显著提高设计质量和可靠性。

3.1 灵敏度模型设置与结果分析

运用DOE方法对流体动力参数进行灵敏度分析,模型设置如下：

图1 影响因子贡献程度百分比Pareto图

3.2 参数辨识

对于复杂弹道方程的水动力参数,理论计算结果与实测情况有相当大的差别。而参数辨识方法是根据水下航行体试验过程中获取的实测数据,估计出待辨识参数矢量,从待辨识参数初始值出发,根据航行体运动状态方程计算弹道,然后比较计算弹道与实测弹道之间的误差,再根据误差按一定的算法逐步调整参数的值,最终使得计算弹道与实测弹道之间的误差达到最小,从而将参数辨识问题转换为最值优化问题。

3.2.1 辨识方案设计

水动力参数辨识的实质可以描述为根据实验数据估计待识参数矢量,使仿真数据系列中出现实验数据系列的概率达到最大。适当的选择准则函数,将极大值问题转化为极小值问题。

(9)

式中：η为待辨识水动力参数向量；下标号1表示实测数据,下标号2表示仿真数据。

3.2.2 辨识模型设置

在ISIGHT软件中搭建优化设计模型,设计变量写在一个文本文件中供ISIGHT软件修改、自编程序读入使用；自编程序读入参数输入结果文件；ISIGHT读入结果,进行判断后继续优化,使用ISIGHT软件将输入输出文件、弹道计算程序集成,利用软件自带的优化算法完成多目标优化过程,使目标准则函数达到最小。

首先更改弹道程序,将评价函数计算结果写入输出结果文件。其次,在ISIGHT软件中,将输入文件、计算程序和输入结果文件集成在simcode组件内。将Task1用OPtimizition组件替换,再然后设置优化方法,配置参数,设置优化变量,约束条件和目标函数,设置方法和设置结果如图2所示。

完成好以上步骤后,定制好监视图表,点击“开始”,进行优化设计流程。系统自动调用仿真程序计算,计算完毕后根据优化算法更改输入参数,再次计算,依次完成参数寻优工作。

图2 参数配置

3.2.3 辨识结果

ISIGHT中提供的全局优化算法包括自动优化专家算法、进化算法、自适应模拟算法、粒子群优化算法等,本文在尝试了各种优化算法后,选取最优的自适应模拟退火算法的辨识结果作为最终结果。

利用优化模型及算法,在进行了2164次计算后系统提示优化完毕,在给定的优化方式下,系统给出了最优的优化结果。结果如表1所示。

表1 参数优化结果

将优化后的参数代入弹道方程,仿真计算结果与实测数据结果对比如图3所示,其中虚线为仿真参数,实线为实验参数。可以看出,弹道仿真数据与实测数据拟合的较好。

图3 仿真与实测弹道对比曲线

图4 辨识结果效验曲线图

3.2.4 辨识结果校验

为了测试辨识结果的可信度,调用另外一组实测数据对以上辨识参数进行校验,将辨识得到的流体动力参数带入程序进行计算,并与实测弹道参数进行对比得到对比曲线如图4所示。

由图4可以看出,采用优化算法辨识出的水动力参数,对相同发射环境下的弹道具有很好的适应性,实测和仿真弹道的位移曲线基本是重合的,速度和姿态角曲线也耦合的很好。实测和仿真弹道中出现的最大攻角均在1.5°左右,出水时刻的攻角均在0°左右,精度能够满足实际需要。因此,辨识结果是可信的,在相同发射环境下,辨识出的流体动力参数是适用的。

4 结语

本文针对水下航行体弹道方程水动力参数辨识的复杂性,采用ISIGHT软件,建立了水下航行体运动方程,对需要辨识的水动力参数的敏感度分析,得到了关键辨识参数,将辨识问题转换为优化问题,建立了辨识模型,通过修正辨识参数,提高了仿真模型的置信度。仿真结果表明,辨识结果是可信性,辨识得到的水动力参数适用于仿真计算。

[1] 陈玮琪,颜开.水下航行体水动力参数智能辨识方法研究[J].船舶力学,2007,11(1):40-43.

[2] 罗兵,王宪洲.基于参数辨识模型的弹道拟合方法仿真研究[J].舰船电子工程,2012,32(1):60-63.

[3] 张东俊,黎潇.一种基于试验数据的动态辨识建模方法及应用[J].舰船电子工程,2014,34(1):140-143.

[4] 梁明.靶弹动力学模型参数辨识与弹道仿真[J].战术导弹技术,2012,3(4):48-51.

[5] 傅慧萍,张宇文.潜射导弹运载器水弹道动力学系统辨识[J].导弹与航天运载技术,2001,250(2):35-38.

[6] 陈玮琪,颜开.物体斜出水过程的轴向水动力参数辨识[J].船舶力学,2007,11(4):522-525.

[7] 丁文镜,罗仁凡.受控航行体水动参数的极大似然辨识[J].清华大学学报(自然科学版),1992,32(2)89-95.

[8] 强金辉,孙林.参数辨识在反坦克导弹飞行试验数据飞行中的应用[J].弹箭与制导学报,2006,26(4):22-25.

[9] 单玉浩,施建礼.潜射战术导弹水弹道测量中的算法应用研究[J].舰船电子工程,2007,27(9):134-137.

[10] 邓秀华.水下弹道声外测与内测比对试验研究[J].水雷战与舰船防护,2013,21(4):13-16.

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,高级工程师,研究方向:水下测量及水动力研究。赵欣,女,博士,副教授,研究方向:软件工程与信息处理技术。

U661.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.01.032