胡钟铃,贾长治,徐东升,刘 川
(1.军械工程学院,石家庄 050003;2.解放军理工大学,南京 210007)
基于模糊综合评判的车载火炮调炮性能评估
胡钟铃1,贾长治1,徐东升2,刘 川1
(1.军械工程学院,石家庄 050003;2.解放军理工大学,南京 210007)
针对车载火炮调炮性能评估局限于定性评估的现状,分析了车载火炮调炮性能影响因素,应用层次分析法构建评价体系并确定各评价因素权重系数,引入模糊综合评判建立了评估模型,通过量化评价等级,将其与评判指标集加权平均,实现了对车载火炮调炮性能的定量化评估。算例计算结果验证了车载火炮调炮性能定量化评估的可行性。
车载火炮,调炮性能,模糊综合评判
车载火炮具有良好的机动性能及高性价比,成为各国发展自行火炮的一大方向。自动调炮性能作为车载火炮重要的战术技术性能,对其能否实现现代战争中所要求的先敌机动和首发命中、首群覆盖的目标有着重要的影响,因此,调炮性能的评估贯穿于车载火炮研制、生产、使用及维修过程中。
目前,对于调炮性能的评估,理论研究上,一般是将与调炮性能相关的指标纳入到对自行火炮整体作战效能、机动性能的评估中,缺少针对调炮性能的深入评估[1-2]。如文献[1]在研究自行火炮武器系统效能评估时,将射击准备速度、行战转换时间纳入到反应能力准则层因素中,而这两个指标,与调炮性能的优劣密切相关。在实际测试中,评估调炮性能的方法往往是针对调炮精度、调炮速度,各自选择对应的测试方法获得实际数据,根据其是否达到指标要求的水平,定性判定调炮性能是否合格,文献[3-7]采用的都是这种方法。这种方法没有实现调炮性能的定量化评估,并且对于火炮设计、使用或维修中出现的问题无法提供合理的改进依据或策略。
采用层次分析法与模糊综合评判[8-9]相结合的方法对车载火炮调炮性能进行定量化评估,保证了指标体系建立和赋权的科学合理性,作为多因素决策的有效手段,模糊综合评判的应用使评估结果具有一定的可信性。
1.1 影响因素分析
车载火炮自动调炮时,随动控制箱根据CAN总线接收由火控计算机传来的射击诸元信息,同时,传信仪实时采集射角和方位角信息,通过解算输出高低/方位控制量分别给高低/方位伺服驱动器,伺服驱动器控制电机转动,从而赋予车载火炮射角、射向。
车载火炮的自动调炮可分为高低调炮和方位调炮,相比而言,由于高低调炮过程中还受平衡机作用,所以高低调炮性能的影响因素比方位更复杂。本文选择以高低调炮性能评估为例,研究针对车载火炮调炮性能的评估方法。从机械系统和控制系统两个角度分析车载火炮高低调炮性能影响因素,首先,从机械系统的角度考虑,影响因素如表1所示。
表1 影响因素表(机械系统)
其次,从控制系统的角度考虑,高低调炮性能主要由高低随动系统决定。车载火炮随动系统一般采用由位置环、速度环和电流环构成的三环控制结构。随动系统的性能与硬件的结构参数无关,而是由控制回路中的调节器参数、滤波器参数以及伺服电机的性能参数等共同决定。本文主要从动态性能与稳态性能两个角度分析控制系统性能的影响因素,如表2所示。
表2 影响因素表(控制系统)
1.2 评价因素选取
在评价因素的选取上,需要综合考虑机械系统与控制系统两方面的影响因素,所选因素要能客观评价高低调炮性能。同时,在选取评价因素时,应当坚持先进性、合理性和可行性原则。本文以车载火炮高低调炮性能为评价目标,从机械系统性能和控制系统性能两方面选取评价因素。通过分析并咨询专家,从较多影响因素中筛选出评价因素,列入表3。
表3 评价因素表
对于主要评价因素中的唯一定性指标——平衡机性能,考虑到平衡机的作用是平衡重力引起的起落部分对耳轴力矩的影响,本文选择平衡机在标准条件下的不平衡力矩平均值的大小来表征平衡机性能的优劣,不平衡力矩由起落部分重量Q、平衡机内气体压缩产生的抗力Kφ、平衡机内部摩擦力Ff以及补偿弹簧力P共同决定,由于摩擦力的方向与运动方向有关,因此,起落部分上升与下降过程中不平衡力矩的平均值是不同的,本文计算火炮从-3°上升到70°,再回降到-3°整个过程中的不平衡力矩平均值,限于文章篇幅,在此省略计算过程。显然,不平衡力矩平均值越小,平衡机性能越好。
另一方面,选取动态性能指标作为控制系统性能主要评价因素,并采用MATLAB/SIMULINK控制系统仿真的方法获取各个主要评价因素的具体参数。用图形化的方法直接建立控制系统的仿真模型,由于考察的是控制系统性能,故可将机械系统简化为一个由阶跃输入表示的负载,由示波器模块显示出响应曲线,从而得到各个评价因素的值。
整个调炮过程可分为启动、加速、等速和减速时期。当调炮速度增加到最大值后,不会继续增加,而是保持这一速度直到进入减速时期。因此,上升时间、调节时间与调炮的角度大小有关,角度越大,则等速运行时期越长,故上升时间、调节时间也越长。为了统一标准便于评价,本文选取调炮范围为从0°~60°时的上升时间、调节时间作为评价因素的参数。
1.3 评价体系构建
本文应用层次分析法(AHP)构建调炮性能评价体系并赋权。将评价体系分为3层。其中,第1层为调炮性能,第2层包括机械系统性能和控制系统性能,第3层是两个准则对应的各个评价因素,建立了如图1所示的评价体系。
图1 评价体系
1.4 权重系数求解
采用1~9标度方法构造判断矩阵,再根据判断矩阵计算权重。对于A下层指标权重系数,仅包含两个指标,经过分析并综合专家意见,确定A=(0.4 0.6)。以A1为例构造判断矩阵
求得最大特征值λmax=4.087 3,一致性比例CR=0.032 3<0.1,判断矩阵具有良好的一致性。最终所求权重向量
同理可求得A2的权重向量
其中,最大特征值λmax=5.078 0,一致性比例CR=0.017 4<0.1。
2.1 模糊综合评判方法
模糊综合评判是运用模糊数学的有关原理、法则对评价对象进行综合评判,取得综合评价结果的一种手段,其步骤如下:
①建立因素集;
②确定权重向量;
③依据评价指标集合、建立评语集,由评判人员评定模糊等级,如优、良、中、差;
④构造单因素评判矩阵
式中m表示评判等级数,n表示该级指标所含因素个数,R中vij表示第i个因素对于第j个评语的隶属度;
⑤模糊综合评判计算:B=A◦R,即
⑥根据具体情况对评判指标进行处理,从而确定评价对象的评价结果。
2.2 评语集建立
在上节中,应用层次分析法已经完成了模糊综合评判的前两步工作,可直接进行第3步:建立评语集。
将评价指标分为优秀、良好、中等和较差4个等级,对应于每一个评价指标的由专家讨论获得的取值范围,构成评语集 V=(v1v2v3v4)。
2.3 各指标隶属度确定
所建立的指标体系中的指标全都是可以定量处理的指标,这些指标与调炮性能之间的关系都是指标的值越小,则调炮性能越好,这与成本型指标类型成本越低越好的标准相一致,故选择成本型指标类型进行描述,进而获得各个指标的隶属度。成本型指标可用上梯形函数形式的隶属函数来描述,其函数图如图2所示:
图2 成本型指标隶属函数
成本型指标的隶属函数表达式为:
对各项评价因素划分评价等级范围,并结合前面所求权重向量,建立评估模型如表4所示。
表4 评估模型
2.4 评判指标处理
为了实现对于车载火炮高低调炮性能的定量化评估,同时更充分地利用模糊综合评判带来的信息,对评判指标集进行归一化处理,并将评判集的等级用百分制数量化,令
F=(100 85 70 60)
通过对评判结果进行加权平均,求得一个表征车载火炮高低调炮性能优劣的总分d,即:d=B·FT。
现针对某型车载榴弹炮,基于本文所建立的评估模型,对其高低调炮性能进行综合评估。该型车载火炮各项指标具体数据如表5所示。
表5 某型车载榴弹炮指标数据
首先求得机械系统性能下各指标的隶属度,得到单因素评判矩阵
结合权重向量A1可得机械系统性能下各指标综合评判结果
同理可得控制系统性能下各指标综合评判结果
由B1、B2可得调炮性能下单因素评判矩阵
结合权重向量A可得调炮性能评判指标集
归一化处理后,
最终得分
d=B·FT=79.882
即该型车载榴弹炮高低调炮性能最终得分为79.882,处于中等偏上的水平。该型车载火炮在战场上发挥的作用以火力压制为主,根据评估结果,其调炮性能能够达到遂行作战任务要求。
①车载火炮调炮性能的优劣对其整体作战效能的发挥有着重要的影响,引入模糊综合评判定量化评估车载火炮调炮性能是一次有益的尝试。
②定量化的评估结果能准确体现指标变化引起的调炮性能的变化,进而为火炮设计、使用或维修中出现的问题提供合理的改进依据或策略。
③由于部分参数是通过仿真方法获得,如需提高评估的准确性,还可以进一步设计实验验证。
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Evaluation of Gun Rotated Performance of Wheeled Vehicle Gun Based on Fuzzy Synthetic Judgment
HU Zhong-ling1,JIA Chang-zhi1,XU Dong-sheng2,LIU Chuan1
(1.Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China;2.PLA University of Science and Technology,Nanjing 210007,China)
Aiming at the actuality that the evaluation for gun rotated performance limits to qualitative evaluation,the affecting factors is analyzed ,AHP method is used to build the evaluation system and determine the weight coefficient of each evaluation factor.Then the fuzzy synthetic judgment method is applied to establish the evaluation model,through quantifying the evaluation grade and calculating its weighted mean with the judgment indicator system,the quantitative evaluation of the gun rotated performance of wheeled vehicle gun is achieved.The result of the example indicates the feasibility of the evaluation of the gun rotated performance of wheeled vehicle gun.
wheeled vehicle gun,gun rotated performance,fuzzy synthetic judgment
TJ399
:A
10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.032
2016-05-03
:2016-06-13
胡钟铃(1992- ),男,重庆万州人,硕士研究生。研究方向:武器系统仿真与虚拟样机技术。