论文部分内容阅读
摘 要：本文介绍了基于Matlab语言环境下的多种算法，主要详细地介绍了模拟退火算法以及其运用于求解超音速飞行器气动外形参数优化问题的原理。主要阐述了飞行器设计的多参数决策matlab的模拟算法的基本原理及实现过程，运用Matlab语言实现了对飞行器设计的多参数决断。数值仿真的结果表明了该方法能够对函数进行全局寻优，有效克服了基于导数的优化算法容易陷入局部最优的问题。该方法既可以增加对Matlab语言的了解又可以加深对模拟飞行器设计的多参数决策过程的认识，并达到以此来设计智能系统的目的。
关键词：Matlab语言；飞行器设计；多参数决策
中图分类号：V221.2
高精密飞行器的成功设计是一个综合各个学科领域的复杂的系统工程，在初步设计的阶段，必须依据设计的目标，设计合理的结构优化模型，同时使用有效的工程数值方法。与此同时，必须使计算和在此计算的基础上的决策方法得到合理的设计，所以为了使得设计方案获得最佳，还需要再进一步的夯实基础。在一个系统工程的规划设计过程中，如何把一个实际的工程问题量化为一系列具体的抽象模型并在模型的基础上进行数学优化模型设计，满足工程的参数和工程对象的性能指标要求是优化设计的关键所在。如果要在以实际工程的设计指标为基础下进行数学模型的设计和优化，就必须要掌握扎实的、充分的基于优化设计的方法和策略的基本理论知识和转化应用的灵活思维，在此前提下，如果具备一定的飞行器设计领域的相关设计经验则对工程模型的优化处理更为有利[1]。
至于优化工具方面，解决解析问题非常有效的算法是拟牛顿法、序列二次规划等，但是仅能得到局部最优解。如果运用优化工具箱来求解没有解析形式、非线性的工程优化问题，它或许就是一种非常有效的解决问题的工具。实际情况是如果优化方法选择优化工具箱提供的约束极小化方法时，那么得到的结果往往并不是很理想。正是基于这个出发点，
本文通过对现代互联网所公开的相关资源的学习参考基础上，根据实际的处理需要，将现代优化算法做细节处理，使其符合研究内容的实际需要。与此同时，相比较于传统的算法设计，均是当前全局优化算法处理应用领域的热点对象，对全局最优解问题有很好的处理能力，但另一方面，在算法实施过程中计算量较大。
1 飞行器总体参数的设计的基本框架
飞行器的有效设计需要把多个应用科学和基础科学的知识整合到一起，比如物理学中的牛顿定律在力学中的应用、以数学计算为基础的复杂公式计算和自动控制、高性能材料设计和制造等所涉及的物理学、气动力学、材料学、机械设计和飞行控制原理等众多的知识学科的结合，因此，飞行器的设计是一个系统工程，难度高、牵涉领域广、多学科知识交叉力度大，需要以系统工程学科的视角观点来看待，主要目的就是要在以系统工程的概念和思维来建立、研究以大型化、复杂化工程为目标的工程功能规律和应用描述，并进一步的进行深入的系统分析和系统综合。如果在进行飞行器的设计中，设计的目标过于单一，那么所建立的基于此设计目标的飞行器优化模型的具体实施方案也会与多目标的飞行器设计存在较大的差异，那么在对多个单一目标的综合优化过程中也会存在互相矛盾的问题细节问题处理，很难最终确定最佳的设计方案[2]。
需要明白，飞行器的设计不仅是一个划分为多阶段、多层次的设计，同时也是不断的优化处理最优设计工艺的实施过程，在此过程中，对各种可能可行的设计方案方案反复分析的情况下完成对新技术的目标综合考评。实现设计过程中的全面优化往往具有两个作用：第一，确保从众多方案中做出最优的决策；第二，确保在已选的核实的方案中确定设计中的最佳参数组合，优化器械性能。所以，综合设计思想和系统的设计考虑意味着设计方案的选择将变得日趋多元化，同时提高设计方案的全面性，以改善接近最优的解决方案的程度，即提高设计质量，缩短设计周期。
2 基于Matlab语言发展的模拟退火算法
模拟退火算法通过附近搜索技术，以产生新的解决方案，根据公认的标准接受新解，并使用冷却进度表参数控制算法进程，以便在多项式时间里获得问题的一个近似最优解，这源于对固体退火温度的模拟。模拟退火法（SAA）…是一种非导数优化方法.由于它对组合优化问题像对连续问题一样适用，因而近年来得到广泛的关注.模拟退火来源于拉丝玻璃的物理特性，原理类似于以一定的速率冷却金属时所发生的现象。
最早由MetroPolis等于1953年提出的模拟退火算法（SimulatedAnnealing，SA）是根据蒙特卡洛算法进行迭代求解策略下以指数形式的适应度定标的方法，采用浮点数编码的一种随机优化算法，其设计思想主要来源于拉丝玻璃在拉丝过程中所体现的物理特性，原理主要同以一定速率的状态下来进行金属冷却所展现的现象具有一定的相似性。模拟退火算法从某一较高的计数初始温度为起始点，通过现实的物理规律进行有过程的、逐步的降温处理，最终达到最低能量化的退火过程，这种过程正是由于整合了模拟退火算法的优势，极大地改善了简单遗传算法局部搜索能力不是很强的不足之处。因此，算法收敛的速度得到了很大的提高。
2.1 设计实例
本文以可变弯体飞行器为例说明如何利用Matlab语言实现模拟退火算法。在Matlab的程序处理设计中，将气动外形参数作为超音速飞行器设计中的众多参数目标之一进行优化计算，使用模拟退火算法进行气动参数的优化处理研究。
如图1所示，这种飞行器的常规气动外形为球双锥加十字布局的三角形全动控制舵。本文考虑一种简化的优化设计模型：在给定飞行状态、控制舵锁定情况下，确定使飞行器的升阻比最大化的外形，并且底部直径给定，飞行器全长有约束上限，静稳定裕度在一定范围内。单目标优化设计模型可表述为：
求解设计变量，使得max升阻比，其中，
s.t. 1）飞行器全长：LT≤LTO
2）静稳定欲度：SMR≤SMRO
3）设计变量：
这里取SMRO=0.05，LTO/D=4.661
图1 带控制舵飞行器气动布局
3 结论
本文对飞行器总体参数目标设计过程中的相关优化模型和实现方法进行了详尽细致的总结，并在此基础上归纳出飞行器设计过程中的参数设计总体框架和总体优化策略，并根据需要有针对性的运用模拟退火算法，解决了飞行器设计的多目标优化模型的问题，同时验证了多目标优化算法求解复杂的多目标优化问题的工程效益。但飞行器设计设计的学科知识多、优化设计难度大，在以后的工作中，还需要不断的学习，详细总结飞行器多参数优化的设计经验和处理技能，增强飞行器总体框架的合理性和易实施性，不断将飞行器设计优化计算方法作为一个深入研究的课题和长期的研究方向。与此同时，文章利用基于Matlab语言环境下发展起来的模拟退火算法，运用气动力分析方法，得到了超音速飞行器的气动外形优化参数设计方法，供广大的研究者参考。[3]
参考文献：
[1]曲强，陈雪波.基于MATLAB的模拟退火算法的实现[J].鞍山科技大学学报，2003.
[2]张勇，唐伟，李为吉，马强，张鲁民.基于MATLAB的现代优化算法在飞行器气动外形设计中的应用[J].宇航学报，2003.
[3]梁勤，马捷中，翟正军.基于MATLAB的通用飞行器仿真[J].军事控制技术，2008.
关键词：Matlab语言；飞行器设计；多参数决策
中图分类号：V221.2
高精密飞行器的成功设计是一个综合各个学科领域的复杂的系统工程，在初步设计的阶段，必须依据设计的目标，设计合理的结构优化模型，同时使用有效的工程数值方法。与此同时，必须使计算和在此计算的基础上的决策方法得到合理的设计，所以为了使得设计方案获得最佳，还需要再进一步的夯实基础。在一个系统工程的规划设计过程中，如何把一个实际的工程问题量化为一系列具体的抽象模型并在模型的基础上进行数学优化模型设计，满足工程的参数和工程对象的性能指标要求是优化设计的关键所在。如果要在以实际工程的设计指标为基础下进行数学模型的设计和优化，就必须要掌握扎实的、充分的基于优化设计的方法和策略的基本理论知识和转化应用的灵活思维，在此前提下，如果具备一定的飞行器设计领域的相关设计经验则对工程模型的优化处理更为有利[1]。
至于优化工具方面，解决解析问题非常有效的算法是拟牛顿法、序列二次规划等，但是仅能得到局部最优解。如果运用优化工具箱来求解没有解析形式、非线性的工程优化问题，它或许就是一种非常有效的解决问题的工具。实际情况是如果优化方法选择优化工具箱提供的约束极小化方法时，那么得到的结果往往并不是很理想。正是基于这个出发点，
本文通过对现代互联网所公开的相关资源的学习参考基础上，根据实际的处理需要，将现代优化算法做细节处理，使其符合研究内容的实际需要。与此同时，相比较于传统的算法设计，均是当前全局优化算法处理应用领域的热点对象，对全局最优解问题有很好的处理能力，但另一方面，在算法实施过程中计算量较大。
1 飞行器总体参数的设计的基本框架
飞行器的有效设计需要把多个应用科学和基础科学的知识整合到一起，比如物理学中的牛顿定律在力学中的应用、以数学计算为基础的复杂公式计算和自动控制、高性能材料设计和制造等所涉及的物理学、气动力学、材料学、机械设计和飞行控制原理等众多的知识学科的结合，因此，飞行器的设计是一个系统工程，难度高、牵涉领域广、多学科知识交叉力度大，需要以系统工程学科的视角观点来看待，主要目的就是要在以系统工程的概念和思维来建立、研究以大型化、复杂化工程为目标的工程功能规律和应用描述，并进一步的进行深入的系统分析和系统综合。如果在进行飞行器的设计中，设计的目标过于单一，那么所建立的基于此设计目标的飞行器优化模型的具体实施方案也会与多目标的飞行器设计存在较大的差异，那么在对多个单一目标的综合优化过程中也会存在互相矛盾的问题细节问题处理，很难最终确定最佳的设计方案[2]。
需要明白，飞行器的设计不仅是一个划分为多阶段、多层次的设计，同时也是不断的优化处理最优设计工艺的实施过程，在此过程中，对各种可能可行的设计方案方案反复分析的情况下完成对新技术的目标综合考评。实现设计过程中的全面优化往往具有两个作用：第一，确保从众多方案中做出最优的决策；第二，确保在已选的核实的方案中确定设计中的最佳参数组合，优化器械性能。所以，综合设计思想和系统的设计考虑意味着设计方案的选择将变得日趋多元化，同时提高设计方案的全面性，以改善接近最优的解决方案的程度，即提高设计质量，缩短设计周期。
2 基于Matlab语言发展的模拟退火算法
模拟退火算法通过附近搜索技术，以产生新的解决方案，根据公认的标准接受新解，并使用冷却进度表参数控制算法进程，以便在多项式时间里获得问题的一个近似最优解，这源于对固体退火温度的模拟。模拟退火法（SAA）…是一种非导数优化方法.由于它对组合优化问题像对连续问题一样适用，因而近年来得到广泛的关注.模拟退火来源于拉丝玻璃的物理特性，原理类似于以一定的速率冷却金属时所发生的现象。
最早由MetroPolis等于1953年提出的模拟退火算法（SimulatedAnnealing，SA）是根据蒙特卡洛算法进行迭代求解策略下以指数形式的适应度定标的方法，采用浮点数编码的一种随机优化算法，其设计思想主要来源于拉丝玻璃在拉丝过程中所体现的物理特性，原理主要同以一定速率的状态下来进行金属冷却所展现的现象具有一定的相似性。模拟退火算法从某一较高的计数初始温度为起始点，通过现实的物理规律进行有过程的、逐步的降温处理，最终达到最低能量化的退火过程，这种过程正是由于整合了模拟退火算法的优势，极大地改善了简单遗传算法局部搜索能力不是很强的不足之处。因此，算法收敛的速度得到了很大的提高。
2.1 设计实例
本文以可变弯体飞行器为例说明如何利用Matlab语言实现模拟退火算法。在Matlab的程序处理设计中，将气动外形参数作为超音速飞行器设计中的众多参数目标之一进行优化计算，使用模拟退火算法进行气动参数的优化处理研究。
如图1所示，这种飞行器的常规气动外形为球双锥加十字布局的三角形全动控制舵。本文考虑一种简化的优化设计模型：在给定飞行状态、控制舵锁定情况下，确定使飞行器的升阻比最大化的外形，并且底部直径给定，飞行器全长有约束上限，静稳定裕度在一定范围内。单目标优化设计模型可表述为：
求解设计变量，使得max升阻比，其中，
s.t. 1）飞行器全长：LT≤LTO
2）静稳定欲度：SMR≤SMRO
3）设计变量：
这里取SMRO=0.05，LTO/D=4.661
图1 带控制舵飞行器气动布局
3 结论
本文对飞行器总体参数目标设计过程中的相关优化模型和实现方法进行了详尽细致的总结，并在此基础上归纳出飞行器设计过程中的参数设计总体框架和总体优化策略，并根据需要有针对性的运用模拟退火算法，解决了飞行器设计的多目标优化模型的问题，同时验证了多目标优化算法求解复杂的多目标优化问题的工程效益。但飞行器设计设计的学科知识多、优化设计难度大，在以后的工作中，还需要不断的学习，详细总结飞行器多参数优化的设计经验和处理技能，增强飞行器总体框架的合理性和易实施性，不断将飞行器设计优化计算方法作为一个深入研究的课题和长期的研究方向。与此同时，文章利用基于Matlab语言环境下发展起来的模拟退火算法，运用气动力分析方法，得到了超音速飞行器的气动外形优化参数设计方法，供广大的研究者参考。[3]
参考文献：
[1]曲强，陈雪波.基于MATLAB的模拟退火算法的实现[J].鞍山科技大学学报，2003.
[2]张勇，唐伟，李为吉，马强，张鲁民.基于MATLAB的现代优化算法在飞行器气动外形设计中的应用[J].宇航学报，2003.
[3]梁勤，马捷中，翟正军.基于MATLAB的通用飞行器仿真[J].军事控制技术，2008.