一種空間飛網裝置參數優化設計系統和優化方法
【專利摘要】一種空間飛網裝置參數優化設計系統，包括人機交互模塊M1，控制與計算模塊M2，數據庫模塊M3和后處理模塊M4；人機交互模塊M1將輸入的優化模型的參數、運行環境參數和指令信息記錄并傳遞給控制與計算模塊M2，控制與計算模塊M2根據這些信息從數據庫模塊M3選擇優化算法、模型函數，再通過控制與計算模塊M2的優化子模塊更新設計點，控制與計算模塊M2的仿真分析子模塊計算新設計點的仿真結果，通過循環計算獲得最優設計點；后處理模塊M4讀取最優設計和尋優過程信息并進行分析；用戶通過人機交互模塊M1查看后處理模塊M4分析與匯總的結果；一種空間飛網裝置參數優化方法，它有六大步驟。本發明在航天【技術領域】里具有應用前景。
【專利說明】一種空間飛網裝置參數優化設計系統和優化方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種空間飛網裝置參數優化設計系統和優化方法，該優化系統可以快速地完成空間飛網裝置參數的優化設計，屬于航天【技術領域】。
技術背景
[0002]隨著人類對空間資源的利用，空間碎片的數量逐漸增加，對在軌正常運行的航天器構成了嚴重的威脅，空間飛網裝置就是為了清除空間碎片而設計的一類裝置，其目的主要是通過直接拋射展開一張面積較大的柔性網來包覆較大的空間碎片，以實行空間碎片的離軌。空間飛網裝置的捕獲效果是有柔性網的展開效果決定，而柔性網的展開效果的關鍵因素是空間飛網裝置的相關設計參數，例如發射速度與角度。
【發明內容】
[0003]1.目的:本發明的目的是為了提供一種空間飛網裝置參數優化設計系統和優化方法，它可以快速地獲得空間飛網裝置最佳的參數組合，實現柔性網的最佳展開效果。
[0004]2.技術方案:為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案
[0005](I)本發明一種空間飛網裝置參數優化設計系統，Optimization Platform for aSpace Net Capture System V1.0，簡稱 OPSNCS V1.0，包括以下 4 個部分:0PSNCS V1.0 人機交互模塊Ml，OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2，OPSNCS V1.0數據庫模塊M3和OPSNCS V1.0后處理模塊M4。這四個模塊之間的關系是:
[0006]OPSNCS V1.0人機交互模塊Ml將用戶輸入的優化模型的參數、運行環境參數和軟件運行控制指令等信息記錄并傳遞給OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2，OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2根據這些信息從OPSNCS V1.0數據庫模塊M3選擇優化算法、試驗設計方法、近似模型函數等，再通過OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2的優化子模塊更新設計點，0PSNCSV1.0控制與計算模塊M2的仿真分析子模塊計算新設計點的仿真結果，通過這種循環計算獲得最優設計點。OPSNCS V1.0后處理模塊M4讀取最優設計點、最優設計和尋優過程的信息，并進行分析。用戶可通過OPSNCS V1.0人機交互模塊Ml查看OPSNCS V1.0后處理模塊M4分析與匯總的結果。
[0007]下面詳細說明各部分的結構與功能:
[0008]所述OPSNCS V1.0人機交互模塊Ml是用戶對軟件進行設置、控制與查看的模塊，包括以下三個子模塊:優化定義模塊M11，運行環境參數設置模塊M12，軟件運行控制工具M13。它們之間的關系是相互并列的。
[0009]該優化定義模塊Mll是對空間飛網裝置參數優化中設計變量、優化目標和設計約束的定義。
[0010]在優化定義模塊Mll中，定義了空間飛網裝置中牽引塊、艙蓋和空間網的發射參數等6個設計變量。數學表達如下:
_] X = {mTm,，mh, vTm, Θ Tm, VJ ；[0012]其中，X為設計變量組，由五個變量組成:mTm為空間飛網裝置中牽引塊的質量，浮點變量，單位為kg ;mh為空間飛網裝置中網艙蓋的質量,浮點變量,單位為kg ；vTm為空間飛網裝置中牽引塊發射速度的大小，浮點變量，單位為m/s; θΤπ為空間飛網裝置中牽引塊發射速度的角度，浮點變量，單位為度；vh為空間飛網裝置中牽引塊發射速度的大小，浮點變量，單位為m/s。各變量的取值范圍需要根據空間飛網裝置的結構、材料、工況以及捕獲任務等設定。
[0013]在優化定義模塊Mll中，定義了空間飛網裝置參數優化目標，也即通過優化設計變量，使得空間網在指定距離處展開到最大面積，數學表達如下:
[0014]Max (A)
[0015]其中，A為A為空間網在指定位置處展開的面積，單位為m2。
[0016]在優化定義模塊Mll中，定義了設計約束，分別從空間網的強度和展開過程的效果出發，強度滿足空間網的材料性能，以空間網的最大內應力小于材料的許用應力作為約束，展開效果要求空間網在展開過程中不出現空間網面積收縮和空間網纏繞的情況，以空間網在到達指定位置前展開面積變化率大于零作為約束。其數學表達式如下:
[0017]C= (C1,…，cm, ac” …，ack)；
[0018]其中，C為約束條件，由2部分組成:Cl，-,Cffl為強度約束，分別對應著空間網的各段網繩的最大應力小于網繩材料的許用應力；aCl，…，ack為空間網展開過程的效果約束，對應的是在空間網在到 達指定位置前的各個時刻空間網展開面積變化率應大于零。各約束具體取值與空間網的材料屬性、發射參數等有關。
[0019]該運行環境參數設置模塊M12是對空間飛網裝置參數優化系統OPSNCS V1.0運行環境進行設置的模塊。包括求解器的選擇、文件存儲路徑的設置等。
[0020]該軟件運行控制工具M13是對空間飛網裝置參數優化系統OPSNCS V1.0運動過程的檢查、開始、中止、終止過程的控制模塊。
[0021]所述OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2是空間飛網裝置參數優化系統的核心模塊，實現對優化過程中數據的管理與控制。OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2包括以下三個子模塊:數據管理模塊M21，優化模塊M22以及仿真分析模塊M23。它們之間的關系是相互并列的。
[0022]該數據管理模塊M21實現空間飛網裝置參數優化過程數據流的控制，以及訪問空間飛網裝置參數優化系統的數據庫模塊M3。
[0023]該優化模塊M22是利用數據管理模塊M21選擇的優化算法計算出下一個設計方案的程序模塊。
[0024]該仿真分析模塊M23是對設計方案進行空間網裝置展開過程的仿真與分析。
[0025]所述OPSNCS V1.0數據庫模塊M3包括三個子模塊:優化算法庫M31，試驗設計方法庫M32，近似模型函數庫M33。它們之間的關系是相互并列的。
[0026]該優化算法庫M31是包括常用的全局算法如多島遺傳算法和常用的梯度算法如SQP的算法數據庫。其中SQP算法是序列二次規劃算法的英文縮寫。
[0027]該試驗設計方法庫M32是包括常用的試驗設計方法的方法數據庫，如正交試驗設計方法。
[0028]該近似模型函數庫M33是包括數據擬合常用函數的函數數據庫，如多項式響應面函數。
[0029]所述OPSNCS V1.0后處理模塊M4包括兩個子模塊:結果讀取模塊M41和結果分析模塊M42。它們之間的關系是相互并列的。
[0030]該結果讀取模塊M41是在優化循環停止后，查詢優化和仿真結果文件并提取最優設計結果的程序模塊。
[0031]該結果分析模塊M42是根據結果讀取模塊M41讀取到的信息，分析優化結果的可信度的程序模塊。
[0032](2)本發明一種空間飛網裝置參數優化方法，該方法具體步驟如下:
[0033]步驟一:空間飛網裝置參數優化模型定義SI ；
[0034]其中，優化模型SI的定義包括優化目標函數S11，優化約束條件S12，優化設計變量S13，三者之間是并列關系。
[0035]優化目標函數Sll是指空間飛網裝置參數優化的目標，也就是空間網在指定距離處展開到最大面積，其數學表達式如下:
[0036]Max ⑷；
[0037]其中，A為空間網在指定位置處展開的面積，單位為m2。
[0038]優化約束條件S12是指空間飛網裝置參數優化的約束條件，分別從空間網的強度和展開過程的效果出發，強度滿足空間網的材料性能，以空間網的最大內應力小于材料的許用應力作為約束，展開效果要求空間網在展開過程中不出現空間網面積收縮和空間網纏繞的情況，以空間網在到達指定位置前展開面積變化率大于零作為約束。其數學表達式如下:
[0039]C = (C1,…，cm, ac” …，ack)；
[0040]其中，C為約束條件，由2部分組成:Cl，-,Cffl為強度約束，分別對應著空間網的各段網繩的最大應力小于網繩材料的許用應力；aCl，…，ack為空間網展開過程的效果約束，對應的是在空間網在到達指定位置前的各個時刻空間網展開面積變化率應大于零。各約束具體取值與空間網的材料屬性、發射參數等有關。
[0041]優化設計變量S13是指空間飛網裝置參數優化的各個設計變量，包括空間飛網裝置的要進行優化設計的發射速度參數和結構參數，其數學表達式如下:
[0042]X= (XpX2WXj ；
[0043]其中，X為設計變量組，由若干個變量組成:Xi(i = 1，…，η)的具體的物理含義根據不同的空間飛網裝置設計任務而不同，例如:Xl為空間飛網裝置中牽引塊的質量，單位為kg ;&為空間飛網裝置中網艙蓋質量，單位為kg ;x3為空間飛網裝置牽引塊的發射速度的大小，單位為m/s ;x4為空間飛網裝置牽引塊的發射角度，單位為度；x5為空間飛網裝置網艙蓋發射速度的大小，單位為m/s ;x6為空間飛網裝置中牽引塊和網艙蓋發射時間差，單位為S，具體使用時設計變量不限以上幾種。
[0044]步驟二:空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2 ；
[0045]空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2是對空間網發射展開過程進行仿真分析和提取優化所需要分析結果，包括六個子步驟:定義任務參數S21，定義結構尺寸S22，定義空間網的材料屬性S23，定義仿真單元屬性S24，定義載荷工況S25，分析求解S26和結果讀取S27。[0046]定義任務參數S21是指空間飛網任務的參數，包括捕獲的目標的最大展長和距離，捕獲目標的最大展長單位為m,取值范圍5m?30m ;捕獲目標的距離單位為m,取值范圍30m ?120mo
[0047]定義結構尺寸S22是指空間網的形狀、大小、網格密度以及網繩的粗細，例如，正方形網的邊長，單位為m，取值為20m?40m;網格密度是指空間網網格疏密程度，通過網邊單位為個，取值為整數，取值范圍為20?100。
[0048]定義空間網的材料屬性S23是實現空間飛網裝置材料屬性的定義，包括空間網網繩的材料定義、牽引塊的材料定義、網艙蓋的材料定義，其中材料定義是指指定材料的彈性模量、密度和泊松比等參數，例如:牽引塊和艙蓋可以選擇45號鋼或者其他合金鋼，網繩材料可選尼龍或者其他復合材料等。
[0049]定義仿真單元屬性S24實現對仿真結構模型單元的定義。包括結構仿真模型各部分的單元定義。例如牽引塊和網艙蓋使用集中質點單元，網繩使用繩索單元。
[0050]定義分析求解S25實現空間飛網裝置在定義的發射參數下空間網展開過程求解。我們選用求解器對空間網的展開過程求解。其中，求解器選用現有成熟軟件。
[0051]定義結果讀取S26實現對分析結果進行處理。在空間飛網裝置分析求解完畢后，求解器會輸出從空間網發射開始到空間網到達指定距離所經歷的時間段內，空間網展開面積和繩索單元的應力等隨時間變化的信息。
[0052]步驟三:空間飛網裝置設計變量的試驗設計S3
[0053]空間飛網裝置設計變量的試驗設計S3是實現試驗點在求解空間的合理分布的數理統計技術，包括三個子步驟，即選擇試驗設計方法S31，設置試驗設計參數S32和制定試驗設計表格S33。
[0054]定義選擇試驗設計方法S31是從數理統計學科中各種試驗設計方法中選擇其中之一，以明確試驗設計點在設計空間分布規律。例如，可選擇正交試驗設計，正交試驗設計是一種快速高效的試驗設計方法，是數理統計學科中的一門成熟技術。
[0055]定義設置試驗設計參數S32是指設置試驗設計的因子數和設計變量的水平數，以確定試驗設計點的數量和分布。其中，因子數是指設計變量的個數，設計變量的水平數是指試驗設計中該設計變量在取值范圍選定試驗值的個數。選定實驗設計方法后，試驗設計點的個數取決于因子數和設計變量的水平數，例如正交試驗設計中，對于η個設計變量，因子數為η，若選定每一個設計變量的水平數為m，則可以選擇常用的正交試驗表格，確定樣本點的分布。樣本點越多，分布越均勻，越能反映出設計變量與優化目標函數、設計變量與設計約束之間的關系，但相應的計算效率也會越低。
[0056]定義制定試驗設計表格S33是指根據選擇的試驗設計方法和試驗設計參數設置，指定出試驗設計表格。例如因子數為n，每個設計變量的水平數為m的正交試驗表格中包含每個設計變量的具體取值。
[0057]在完成以上三個子步驟后，將試驗設計表格的設計點進行空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2。空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2結束后，獲得設計點的仿真結果。
[0058]步驟四:構建近似數學函數模型S4
[0059]構建近似數學函數模型S4是指根據試驗設計得到的設計變量與優化目標函數、設計變量與設計約束之間的關系，利用數學函數擬合，獲得可替代空間飛網展開過程分析的近似數學函數模型。構建近似數學函數模型S4包括2個子步驟:選擇構建近似數學函數模型的方法S41 ;擬合數據S42。
[0060]定義選擇構建近似數學函數模型的類型S41是指選擇數據擬合的方法，實現設計變量與優化目標函數、設計變量與設計約束之間的關系的最佳。
[0061]定義擬合數據S42是指利用S41選擇的方法，對試驗設計所有設計方案與結果進行擬合，構建出可替代空間飛網展開過程仿真分析的近似數學函數模型。
[0062]步驟五:近似模型計算分析S5
[0063]近似模型計算分析S5是指在獲得設計方案后，利用近似數學函數模型給出對應的優化目標函數值和設計約束值。
[0064]步驟六:優化S6
[0065]優化S6是實現優化循環與收斂判斷的過程，包括選擇優化路徑S61、選擇優化算法S62、更新設計方案S63和優化收斂判斷S64這四個子步驟。
[0066]選擇優化路徑S61是指優化過程中從仿真分析和近似數學函數模型兩種中選擇一種路徑獲得設計方法的結果反饋。
[0067]選擇優化算法S62是指針對選擇的優化路徑，從優化算法中選出一種或多種方法用于優化迭代計算中。
[0068]更新設計方案S63是指根據選擇的優化算法，計算得出新的設計方案的過程。
[0069]優化收斂判斷S64是指計算前后兩組設計方案所得到的優化目標函數值的差的絕對值，并判斷如果結果小于或等于指定收斂精度，則停止優化，最后設計方案為最優設計方案，否則更新設計方案后進行空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2或者近似模型計算分析S5，獲得相應的結果反饋。其中，收斂精度一般選用0.1 %?10%，收斂精度越高，優化效果越好，但相應地會延長系統工作時間。
[0070]3.本發明一種空間飛網裝置參數優化設計系統的優點:
[0071]空間飛網裝置參數優化設計系統通過界面操作，實現便捷的優化過程操作與控制；
[0072]空間飛網裝置參數優化設計系統可以高效、快捷的實現空間飛網裝置參數的優化設計；
[0073]空間飛網裝置參數優化設計系統按功能的模塊進行設計，便于軟件升級；
[0074]空間飛網裝置參數優化設計系統提供擴展的接口，便于實現軟件的拓展。
[0075]本發明一種空間飛網裝置參數優化方法的優點:
[0076]可以高效、快速地實現空間飛網裝置參數優化設計；
[0077]各模塊之間在軟件結構上相互獨立，具有較強的靈活性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0078]圖1為本發明一種空間飛網裝置參數優化設計系統OPSNCS V1.0參數優化設計對象不意圖；
[0079]圖2為本發明空間飛網裝置參數優化設計系統OPSNCS V1.0的組成模塊框架圖；
[0080]圖3本發明一種空間飛網裝置參數優化系統的分步結構示意圖；
[0081]圖4為本發明空間飛網裝置參數優化方法的流程圖。[0082]圖中具體標號說明如下:
[0083]I—空間飛網裝置牽引塊；2—空間飛網裝置網艙蓋；3—空間網；4—空間網儲箱。
【具體實施方式】
[0084]圖1為本發明實施例空間飛網裝置參數優化設計對象的示意圖。
[0085]圖2為本發明空間飛網裝置參數優化系統OPSNCS V1.0的組成模塊框架圖。
[0086](I)本發明一種空間飛網裝置參數優化設計系統，Optimization Platform for aSpace Net Capture System V1.0，簡稱 OPSNCS V1.0，包括以下 4 個部分:0PSNCS V1.0 人機交互模塊Ml，OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2，OPSNCS V1.0數據庫模塊M3和OPSNCS V1.0后處理模塊M4。這四個模塊之間的關系是:
[0087]OPSNCS V1.0人機交互模塊Ml將用戶輸入的優化模型的參數、運行環境參數和軟件運行控制指令等信息記錄并傳遞給OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2，OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2根據這些信息從OPSNCS V1.0數據庫模塊M3選擇優化算法、試驗設計方法、近似模型函數等，再通過OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2的優化子模塊更新設計點，OPSNCSV1.0控制與計算模塊M2的仿真分析子模塊計算新設計點的仿真結果，通過這種循環計算獲得最優設計點。OPSNCS V1.0后處理模塊M4讀取最優設計點、最優設計和尋優過程的信息，并進行分析。用戶可通過OPSNCS V1.0人機交互模塊Ml查看OPSNCS V1.0后處理模塊M4分析與匯總的結果。
[0088]下面詳細說明各部分的結構與功能:
[0089]所述OPSNCS V1.0人機交互模塊Ml是用戶對軟件進行設置、控制與查看的模塊，包括以下三個子模塊:優化定義模塊M11，運行環境參數設置模塊M12，軟件運行控制工具M13。它們之間的關系式相互并列的。
[0090]該優化定義模塊Mll是對空間飛網裝置參數優化中設計變量、優化目標和設計約束的定義。
[0091]在優化定義模塊Mll中，定義了空間飛網裝置中牽引塊、艙蓋和空間網的發射參數等6個設計變量。數學表達如下:
[0092]X = {mTm,，mh, vTm, Θ Tm, vJ ；
[0093]其中，X為設計變量組，由六個變量組成:mTm為空間飛網裝置中牽引塊的質量，浮點變量，單位為kg ;mh為空間飛網裝置中網艙蓋的質量,浮點變量,單位為kg ；vTm為空間飛網裝置中牽引塊發射速度的大小，浮點變量，單位為m/s; θΤπ為空間飛網裝置中牽引塊發射速度的角度，浮點變量，單位為度；vh為空間飛網裝置中牽引塊發射速度的大小，浮點變量，單位為m/s; At為空間飛網裝置中牽引塊和網艙蓋發射時間間隔，浮點變量，單位為S。各變量的取值范圍需要根據空間飛網裝置的結構、材料、工況以及捕獲任務等設定。
[0094]在優化定義模塊Mll中，定義了空間飛網裝置參數優化的目標，也即通過優化設計變量，使得空間網在指定距離處展開到最大面積，數學表達如下:
[0095]Max (A)
[0096]其中，A為A為空間網在指定位置處展開的面積，單位為m2。
[0097]在優化定義模塊Mll中，定義了優化約束，分別從空間網的強度和展開過程的效果出發，強度滿足空間網的材料性能，以空間網的最大內應力小于材料的許用應力作為約束，展開效果要求空間網在展開過程中不出現空間網面積收縮和空間網纏繞的情況，以空間網在到達指定位置前展開面積變化率大于零作為約束。其數學表達式如下:
[0098]C = (C1,…，cm, ac” …，ack)；
[0099]其中，C為約束條件，由2部分組成:Cl，-,Cffl為強度約束，分別對應著空間網的各段網繩的最大應力小于網繩材料的許用應力；aCl，…，ack為空間網展開過程的效果約束，對應的是在空間網在到達指定位置前的各個時刻空間網展開面積變化率應大于零。各約束具體取值與空間網的材料屬性、發射參數等有關。
[0100]該運行環境參數設置模塊M12是對空間飛網裝置參數優化系統OPSNCS V1.0運行環境進行設置的模塊。包括求解器的選擇、文件存儲路徑的設置等。如設置程序運行系統為windows7professional,設置安裝目錄為”D: \Program Files\”,設置系統當前路徑為” C:\Users\”。
[0101]定義軟件運行控制工具M13是對空間飛網裝置參數優化系統OPSNCS V1.0運動過程的檢查、開始、中止、終止過程的控制模塊。如檢查輸入的數據是否合法，初始參數是否在設計空間內，系統運行路徑是否正確；系統運行過程中需要中止或終止以修改參數等。
[0102]所述OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2是空間飛網裝置參數優化系統的核心模塊，實現對優化過程中數據的管理與控制。OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2包括以下三個子模塊:數據管理模塊M21，優化模塊M22以及仿真分析模塊M23。
[0103]該數據管理模塊M21實現空間飛網裝置參數優化過程數據流的控制，以及訪問空間飛網裝置參數優化系統的數據庫模塊M3。
[0104]該優化模塊M22是利用數據管理模塊M21選擇的優化算法計算出下一個設計方案的程序模塊。
[0105]該仿真分析模塊M23是對設計方案進行空間網裝置展開過程的仿真與分析
[0106]所述OPSNCS V1.0數據庫模塊M3包括三個子模塊:優化算法庫M31，試驗設計方法庫M32，近似模型函數庫M33。
[0107]該優化算法庫M31是包括常用的全局算法如多島遺傳算法和常用的梯度算法如SQP的算法數據庫。其中SQP算法是序列二次規劃算法的英文縮寫。
[0108]該試驗設計方法庫M32是包括常用的試驗設計方法的方法數據庫，如正交試驗設計方法。
[0109]該近似模型函數庫M33是包括數據擬合常用函數的函數數據庫，如多項式響應面函數。
[0110]所述OPSNCS V1.0后處理模塊M4包括兩個子模塊:結果讀取模塊M41和結果分析模塊M42。
[0111]該結果讀取模塊M41是在優化循環停止后，查詢優化和仿真結果文件并提取最優設計結果的程序模塊。
[0112]該結果分析模塊M42是根據結果讀取模塊M41讀取到的信息，分析優化結果的可信度的程序模塊。
[0113]圖3為本發明一種空間飛網裝置參數優化系統的分步結構示意圖。
[0114](2)本發明一種空間飛網裝置參數優化方法，主要包括以下幾個步驟:[0115]步驟一:S1空間飛網裝置參數優化模型定義。
[0116]空間飛網裝置參數優化模型定義SI步驟包括Sll優化目標函數，S12優化約束條件，S13優化設計變量，三者之間是并列關系。
[0117]所述Sll優化目標函數是指空間飛網裝置參數優化的目標，也就是空間網在指定距離處展開到最大面積，其數學表達式如下:
[0118]Max (A);
[0119]其中，A為空間網在指定位置處展開的面積，單位為m2。
[0120]所述S12優化約束條件是指空間飛網裝置參數優化的約束條件，分別從空間網的強度和展開過程的效果出發，強度滿足空間網的材料性能，以空間網的最大內應力小于材料的許用應力作為約束，展開效果要求空間網在展開過程中不出現空間網面積收縮和空間網纏繞的情況，以空間網在到達指定位置前展開面積變化率大于零作為約束。其數學表達式如下:
[0121]C = (C1,…，cm, acl，…，ack)；
[0122]其中，C為約束條件，由2部分組成:Cl，-,Cffl為強度約束，分別對應著空間網的各段網繩的最大應力小于網繩材料的許用應力，空間網3使用的是聚酰胺材料，拉伸彈性模量約2000Mpa，許用拉應力約為200Mpa，牽引塊I和艙蓋2使用45號鋼，材料彈性模量約為196Gpa，泊松比約為0.3 ；aCl,…，ack為空間網展開過程的效果約束，對應的是在空間網在到達指定位置前的各 個時刻空間網展開面積變化率應大于零。
[0123]所述S13優化設計變量是指空間飛網裝置參數優化的各個設計變量，主要包括空間飛網裝置的要進行優化設計的發射速度參數和結構參數，其數學表達式如下:
[0124]X = {x1； X2, X3, X4, X5I ;
[0125]其中，X為設計變量組，由五個變量組成=X1為空間飛網裝置中牽引塊的質量，浮點變量，單位為kg，取值范圍為0.5~5 ；x2為空間飛網裝置中網艙蓋質量，浮點變量，單位為kg,取值范圍為0.2~4 ；x3為空間飛網裝置牽引塊的發射速度的大小，浮點變量，單位為m/s，取值范圍為10~45 ;x4為空間飛網裝置牽引塊的發射角度，浮點變量，單位為度，取值范圍為10~60 ；x5為空間飛網裝置網艙蓋發射速度的大小，浮點變量，單位為m/s，取值范圍為5~20。
[0126]步驟二:S2空間飛網裝置展開過程的仿真分析；
[0127]所述S2空間飛網裝置展開過程的仿真分析是對空間網發射展開過程進行仿真分析和提取優化所需要分析結果，主要包括六個子步驟:S21定義任務參數，S22定義結構尺寸，S23定義空間網的材料屬性，S24定義仿真單元屬性，S25分析求解和S26結果讀取。
[0128]所述S21任務參數主要是指空間飛網任務的參數，主要包括捕獲的目標的最大展長和距離，捕獲目標的最大展長單位為m，取值范圍5m~30m，可取目標的最大展長為15m ；捕獲目標的距離單位為m，取值范圍30m~120m，可取目標的距離為60m。
[0129]所述S22結構尺寸主要是指空間網的形狀、大小、網格密度以及網繩的粗細，例如，正方形網的邊長，單位為m，取值為20m~40m ;網格密度是指空間網網格疏密程度，通過網邊單位為個,取值為整數,取值范圍為20~100。
[0130]所述S23空間網的材料屬性主要是實現空間飛網裝置材料屬性的定義，主要包括空間網網繩的材料定義、牽引塊的材料定義、網艙蓋的材料定義，其中材料定義是指指定材料的彈性模量、密度和泊松比等參數，例如:牽引塊和艙蓋可以選擇45號鋼或者其他合金鋼，網繩材料可選尼龍或者其他復合材料等。
[0131]所述S24仿真單元屬性主要實現對仿真結構模型單元的定義。主要包括結構仿真模型各部分的單元定義。例如牽引塊和網艙蓋使用集中質點單元，網繩使用繩索單元。
[0132]分析求解S25主要實現空間飛網裝置在定義的發射參數下空間網展開過程求解。我們選用求解器對空間網的展開過程求解。其中，求解器選用現有成熟軟件。
[0133]所述S26結果讀取主要實現對分析結果進行處理。在空間飛網裝置分析求解完畢后，求解器會輸出從空間網發射開始到空間網到達指定距離所經歷的時間段內，空間網展開面積和繩索單元的應力等隨時間變化的信息。
[0134]步驟三:S3空間飛網裝置設計變量的試驗設計
[0135]S3空間飛網裝置設計變量的試驗設計是實現試驗點在求解空間的合理分布的數理統計技術，包括三個子步驟，即選擇試驗設計方法S31，設置試驗設計參數S32和制定試驗設計表格S33。
[0136]所述S31選擇試驗設計方法是從數理統計學科中各種試驗設計方法中選擇其中之一，以明確試驗設計點在設計空間分布規律。可選擇正交試驗設計，正交試驗設計是一種快速高效的試驗設計方法，是數理統計學科中的一門成熟技術。
[0137]所述S32設置試驗設計參數是指設置試驗設計的因子數和設計變量的水平數，以確定試驗設計點的數量和分布。其中，因子數是指設計變量的個數，設計變量的水平數是指試驗設計中該設計變量在取值范圍選定試驗值的個數。選定實驗設計方法后，試驗設計點的個數取決于因子數和設計變量的水平數。根據所選擇的正交試驗設計，對于5個設計變量，因子數為5，選定每一個設計變量的水平數為3，可選取水平數為3的常用正交表，以確定試驗樣本點的個數。試驗樣本點越多，分布越均勻，越能反映出設計變量與優化目標函數、設計變量與設計約束之間的關系，但相應的計算效率也會越低。
[0138]所述S33制定試驗設計表格是指根據選擇的試驗設計方法和試驗設計參數設置，指定出試驗設計表格。對于5因子3水平的正交試驗設計，其試驗表格可記為L27(3)因子數為n，每個設計變量的水平數為m的正交試驗表格中包含的每一個試驗設計點中各個設計變量的具體取值。
[0139]在完成以上三個子步驟后，將試驗設計表格的設計點進行空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2。空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2結束后，獲得設計點的仿真結果。
[0140]步驟四:構建近似數學函數模型S4
[0141]S4構建近似數學函數模型是指根據試驗設計得到的設計變量與優化目標函數、設計變量與設計約束之間的關系，利用數學函數擬合，獲得可替代空間飛網展開過程分析的近似數學函數模型。構建近似數學函數模型S4包括2個子步驟:選擇構建近似數學函數模型的方法S41 ;擬合數據S42。
[0142]所述S41選擇構建近似數學函數模型的類型是指選擇數據擬合的方法，實現設計變量與優化目標函數、設計變量與設計約束之間的關系的最佳，例如可選擇二階響應面函數近似模型。
[0143]所述S42擬合數據是指利用S41選擇的方法，對試驗設計所有設計方案與結果進行擬合，構建出可替代空間飛網展開過程分析的近似數學函數模型。[0144]步驟五:S5近似模型計算分析
[0145]S5近似模型計算分析是指在獲得設計方案后，利用近似數學函數模型給出對應的優化目標函數值和設計約束值。
[0146]步驟六:S6優化
[0147]S6優化主要是實現優化循環與收斂判斷的過程，包括S61選擇優化路徑、S62選擇優化算法、S63更新設計方案和S64優化收斂判斷這四個子步驟。
[0148]S61選擇優化路徑是指優化過程中從仿真分析和近似數學函數模型兩種中選擇一種路徑獲得設計方法的結果反饋。
[0149]S62選擇優化算法是指針對選擇的優化路徑，從優化算法中選出一種或多種方法用于優化迭代計算中。
[0150]S63更新設計方案是指根據選擇的優化算法，計算得出新的設計方案的過程。
[0151]S64優化收斂判斷是指計算前后兩組設計方案所得到的優化目標函數值的差的絕對值，并判斷如果結果小于或等于指定收斂精度，則停止優化，最后設計方案為最優設計方案，否則更新設計方案后進行S2空間飛網裝置展開過程的仿真分析或者S5近似模型計算分析，獲得相應的結果反饋。其中，收斂精度一般選用0.1%?10%，收斂精度越高，優化效果越好，但相應地會延長系統工作時間。
[0152]參見圖4，本發明空間飛網裝置參數優化方法的流程圖:
[0153]1、根據優化對象空間飛網裝置定義優化問題；
[0154]2、根據初始設計方案進行仿真分析；
[0155]3、選擇是否進行試驗設計，如果進行試驗設計，進入下一步，否則進入第17步；
[0156]4、制定空間飛網裝置系統參數試驗設計方案表；
[0157]5、對試驗設計方案表中的方案進行仿真分析；
[0158]6、判斷是否所有的方案仿真都完成，若已完成則進入下一步，否則繼續回到第5步對下一個試驗設計方案進行仿真分析；
[0159]7、選擇是否構建近似模型，如果是則進入下一步，否則進入第18步；
[0160]8、構建近似模型；
[0161]9、將試驗點中最佳結果點作為優化的初始點；
[0162]10、選擇優化算法；
[0163]11、根據所選擇的優化算法，更新設計點；
[0164]12、將新的設計點的代入近似模型進行計算分析；
[0165]13、判斷優化計算是否收斂，若優化不收斂則返回第11步，若優化已經收斂表明已經求解最優解，則進入下一步；
[0166]14、將優化得到的最優點進行仿真分析；
[0167]15、判斷最優點是否可信，若可信則結束，若不可信，則返回第5步；
[0168]16、將試驗點中最佳結果點作為優化的初始點；
[0169]17、選擇優化算法；
[0170]18、根據所選擇的優化算法，更新設計點；
[0171]19、對設計點進行仿真分析；
[0172]20、判斷優化計算是否收斂，若優化不收斂則返回第18步，若優化已經收斂表明已經求解最優解，則結束優化。
[0173]綜上所述，本發明一種空間飛網裝置參數優化方法包括以下六個步驟:S1空間飛網裝置參數優化模型定義；S2空間飛網裝置展開過程的仿真分析；S3空間飛網裝置設計變量的試驗設計；S4構建近似數學函數模型；S5近似模型計算分析；S6優化。
【權利要求】
1.一種空間飛網裝置參數優化設計系統，其特征在于:它包括以下4個部分=OPSNCSV1.0人機交互模塊Ml，OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2，OPSNCS V1.0數據庫模塊M3和OPSNCS V1.0后處理模塊M4 ；OPSNCS V1.0人機交互模塊Ml將用戶輸入的優化模型的參數、運行環境參數和軟件運行控制指令信息記錄并傳遞給OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2，OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2根據這些信息從OPSNCS V1.0數據庫模塊M3選擇優化算法、試驗設計方法、近似模型函數，再通過OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2的優化子模塊更新設計點，OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2的仿真分析子模塊計算新設計點的仿真結果，通過這種循環計算獲得最優設計點；0PSNCS V1.0后處理模塊M4讀取最優設計點、最優設計和尋優過程的信息，并進行分析；用戶可通過OPSNCS V1.0人機交互模塊Ml查看OPSNCS V1.0后處理模塊M4分析與匯總的結果； 所述OPSNCS V1.0人機交互模塊Ml是用戶對軟件進行設置、控制與查看的模塊，包括以下三個子模塊:優化定義模塊M11，運行環境參數設置模塊M12，軟件運行控制工具M13，它們之間是相互并列的關系； 該優化定義模塊Mll是對空間飛網裝置參數優化中設計變量、優化目標和設計約束的定義；在優化定義模塊Mll中，定義了空間飛網裝置中牽引塊、艙蓋和空間網的發射參數共6個設計變量，數學表達如下:X = {mTm, , mh, vTm, Θ Tm, vh}； 其中，X為設計變量組，由五個變量組成:mTm為空間飛網裝置中牽引塊的質量，浮點變量，單位為kg ；mh為空間飛網裝置中網艙蓋的質量,浮點變量,單位為kg ；vTm為空間飛網裝置中牽引塊發射速度的大小，浮點變量，單位為m/s ; θΤπ為空間飛網裝置中牽引塊發射速度的角度，浮點變量，單位為度；vh為空間飛網裝置中牽引塊發射速度的大小，浮點變量，單位為m/s ;各變量的取值范圍需要根據空間飛網裝置的結構、材料、工況以及捕獲任務設定；在優化定義模塊Mll中，定義了空間飛網裝置參數優化目標，也即通過優化設計變量，使得空間網在指定距離 處展開到最大面積，數學表達如下:Max㈧ 其中，A為A為空間網在指定位置處展開的面積，單位為m2 ;在優化定義模塊MlI中，定義了設計約束，分別從空間網的強度和展開過程的效果出發，強度滿足空間網的材料性能，以空間網的最大內應力小于材料的許用應力作為約束，展開效果要求空間網在展開過程中不出現空間網面積收縮和空間網纏繞的情況，以空間網在到達指定位置前展開面積變化率大于零作為約束；其數學表達式如下:C = (C1,…，cm, ac^…，ack)； 其中，C為約束條件，由2部分組成:Cl，-,Cffl為強度約束，分別對應著空間網的各段網繩的最大應力小于網繩材料的許用應力；aCl，…，ack為空間網展開過程的效果約束，對應的是在空間網在到達指定位置前的各個時刻空間網展開面積變化率應大于零；各約束具體取值與空間網的材料屬性、發射參數有關； 該運行環境參數設置模塊M12是對空間飛網裝置參數優化系統OPSNCS V1.0運行環境進行設置的模塊，包括求解器的選擇、文件存儲路徑的設置； 該軟件運行控制工具M13是對空間飛網裝置參數優化系統OPSNCS V1.0運動過程的檢查、開始、中止、終止過程的控制模塊； 所述OPSNCS V1.0控制與計算模塊M2是空間飛網裝置參數優化系統的核心模塊，實現對優化過程中數據的管理與控制；0PSNCS V1.0控制與計算模塊M2包括以下三個子模塊:數據管理模塊M21，優化模塊M22以及仿真分析模塊M23，它們之間是相互并列的關系；該數據管理模塊M21實現空間飛網裝置參數優化過程數據流的控制，以及訪問空間飛網裝置參數優化系統的數據庫模塊M3 ;該優化模塊M22是利用數據管理模塊M21選擇的優化算法計算出下一個設計方案的程序模塊；該仿真分析模塊M23是對設計方案進行空間網裝置展開過程的仿真與分析； 所述OPSNCS V1.0數據庫模塊M3包括三個子模塊:優化算法庫M31，試驗設計方法庫M32，近似模型函數庫M33 ;它們之間是相互并列的關系；該優化算法庫M31是包括常用的全局算法和常用的梯度算法；該試驗設計方法庫M32是包括常用的試驗設計方法的方法數據庫；該近似模型函數庫M33是包括數據擬合常用函數的函數數據庫； 所述OPSNCS V1.0后處理模塊M4包括兩個子模塊:結果讀取模塊M41和結果分析模塊M42 ;它們之間是相互并列的關系； 該結果讀取模塊M41是在優化循環停止后，查詢優化和仿真結果文件并提取最優設計結果的程序模塊；該結果分析模塊M42是根據結果讀取模塊M41讀取到的信息，分析優化結果的可信度的程序模塊。
2.一種空間飛網裝置參數優化方法，其特征在于:該方法具體步驟如下: 步驟一:空間飛網裝置參數優化模型定義SI ； 其中，優化模型SI的定義包括優化目標函數S11，優化約束條件S12，優化設計變量S13,二者之間是并列關系； 優化目標函數Sll是指空間飛網裝置參數優化的目標，也就是空間網在指定距離處展開到最大面積，其數學表達式如下=Max(A)； 其中，A為空間網在指定位置處展開的面積，單位為m2 ； 優化約束條件S12是指空間飛網裝置參數優化的約束條件，分別從空間網的強度和展開過程的效果出發，強度滿足空間網的材料性能，以空間網的最大內應力小于材料的許用應力作為約束，展開效果要求空間網在展開過程中不出現空間網面積收縮和空間網纏繞的情況，以空間網在到達指定位置前展開面積變化率大于零作為約束；其數學表達式如下:
C (。1，...，Cm, SIC”...，BCj^); 其中，C為約束條件，由2部分組成:Cl，-,Cffl為強度約束，分別對應著空間網的各段網繩的最大應力小于網繩材料的許用應力；aCl，…，ack為空間網展開過程的效果約束，對應的是在空間網在到達指定位置前的各個時刻空間網展開面積變化率應大于零；各約束具體取值與空間網的材料屬性、發射參數有關； 優化設計變量S13是指空間飛網裝置參數優化的各個設計變量，包括空間飛網裝置的要進行優化設計的發射速度參數和結構參數，其數學表達式如下:
X — {Xj, X2，X3...XrJ ; 其中，X為設計變量組，由復數個變量組成:Xi(i = 1，...，η)的具體的物理含義根據不同的空間飛網裝置設計任務而不同，Xl為空間飛網裝置中牽引塊的質量，單位為kg ;χ2為空間飛網裝置中網艙蓋質量，單位為kg ;x3為空間飛網裝置牽引塊的發射速度的大小，單位為m/s ;x4為空間飛網裝置牽引塊的發射角度，單位為度；x5為空間飛網裝置網艙蓋發射速度的大小，單位為m/s ;x6為空間飛網裝置中牽引塊和網艙蓋發射時間差，單位為S，具體使用時設計變量不限以上幾種； 步驟二:空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2 ；空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2是對空間網發射展開過程進行仿真分析和提取優化所需要分析結果，包括六個子步驟:定義任務參數S21，定義結構尺寸S22，定義空間網的材料屬性S23，定義仿真單元屬性S24，定義載荷工況S25，分析求解S26和結果讀取S27 ；定義任務參數S21是指空間飛網任務的參數，包括捕獲的目標的最大展長和距離，捕獲目標的最大展長單位為m,取值范圍5m~30m ;捕獲目標的距離單位為m,取值范圍30m~120m ； 定義結構尺寸S22是指空間網的形狀、大小、網格密度以及網繩的粗細，正方形網的邊長，單位為m，取值為20m~40m ;網格密度是指空間網網格疏密程度，通過網邊單位為個，取值為整數，取值范圍為20~100 ； 定義空間網的材料屬性S23是實現空間飛網裝置材料屬性的定義，包括空間網網繩的材料定義、牽引塊的材料定義、網艙蓋的材料定義，其中材料定義是指指定材料的彈性模量、密度和泊松比參數； 定義仿真單元屬性S24實現對仿真結構模型單元的定義，包括結構仿真模型各部分的單元定義；牽引塊和網艙蓋使用集中質點單元，網繩使用繩索單元； 定義分析求解S25實現空間飛網裝置 在定義的發射參數下空間網展開過程求解，選用求解器對空間網的展開過程求解，其中，求解器選用現有成熟軟件； 定義結果讀取S26實現對分析結果進行處理，在空間飛網裝置分析求解完畢后，求解器會輸出從空間網發射開始到空間網到達指定距離所經歷的時間段內，空間網展開面積和繩索單元的應力隨時間變化的信息； 步驟三:空間飛網裝置設計變量的試驗設計S3 空間飛網裝置設計變量的試驗設計S3是實現試驗點在求解空間的合理分布的數理統計技術，包括三個子步驟，即選擇試驗設計方法S31，設置試驗設計參數S32和制定試驗設計表格S33 ； 定義選擇試驗設計方法S31是從數理統計學科中各種試驗設計方法中選擇其中之一，以明確試驗設計點在設計空間分布規律； 定義設置試驗設計參數S32是指設置試驗設計的因子數和設計變量的水平數，以確定試驗設計點的數量和分布；其中，因子數是指設計變量的個數，設計變量的水平數是指試驗設計中該設計變量在取值范圍選定試驗值的個數；選定實驗設計方法后，試驗設計點的個數取決于因子數和設計變量的水平數； 定義制定試驗設計表格S33是指根據選擇的試驗設計方法和試驗設計參數設置，指定出試驗設計表格； 在完成以上三個子步驟后，將試驗設計表格的設計點進行空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2，空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2結束后，獲得設計點的仿真結果； 步驟四:構建近似數學函數模型S4 構建近似數學函數模型S4是指根據試驗設計得到的設計變量與優化目標函數、設計變量與設計約束之間的關系，利用數學函數擬合，獲得可替代空間飛網展開過程分析的近似數學函數模型；構建近似數學函數模型S4包括2個子步驟:選擇構建近似數學函數模型的方法S41 ;擬合數據S42 ； 定義選擇構建近似數學函數模型的類型S41是指選擇數據擬合的方法，實現設計變量與優化目標函數、設計變量與設計約束之間的關系的最佳； 定義擬合數據S42是指利用S41選擇的方法，對試驗設計所有設計方案與結果進行擬合，構建出可替代空間飛網展開過程仿真分析的近似數學函數模型； 步驟五:近似模型計算分析S5 近似模型計算分析S5是指在獲得設計方案后，利用近似數學函數模型給出對應的優化目標函數值和設計約束值； 步驟六:優化S6 優化S6是實現優化循環與收斂判斷的過程，包括選擇優化路徑S61、選擇優化算法S62、更新設計方案S63和優化收斂判斷S64這四個子步驟； 選擇優化路徑S61是指優化過程中從仿真分析和近似數學函數模型兩種中選擇一種路徑獲得設計方法的結果反饋； 選擇優化算法S62是指針對選擇的優化路徑，從優化算法中選出一種或多種方法用于優化迭代計算中； 更新設計方案S63是指根據選擇的優化算法，計算得出新的設計方案的過程； 優化收斂判斷S64是指計算前后兩組設計方案所得到的優化目標函數值的差的絕對值，并判斷如果結果小于或等于指定收斂精度，則停止優化，最后設計方案為最優設計方案，否則更新設計方案后 進行空間飛網裝置展開過程的仿真分析S2或者近似模型計算分析S5，獲得相應的結果反饋；其中，收斂精度選用0.1%~10%，收斂精度越高，優化效果越好，但相應地會延長系統工作時間。
【文檔編號】G06F17/50GK104008233SQ201410197237
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月12日 優先權日:2014年5月12日
【發明者】王曉慧, 萬長煌 申請人:北京航空航天大學