[發明專利]臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法

有效

• 申請號: 201310093201.6
• 申請日: 2013-03-21
• 公開（公告）號: CN103150446A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 宗群;曾凡琳;陶陽;尤明;曲照偉
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及臨近空間飛行器技術，涉及航空航天領域的模型驗證問題。主要涉及臨近空間飛行器復雜模型的定性、定量模型驗證。具體講，涉及臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法。

背景技術

臨近空間飛行器結構設計、材料特性、力學特性、高速空氣流體對機體的影響都不同于彈體飛行器或傳統的飛行器。為了詳細而清晰的描述臨近空間飛行器運動規律，需要在建模過程中全面描述高超聲速流體特性、發動機特性、結構彈性特性、氣動/推進/結構耦合特性、執行機構特性等。模型驗證工作是建模工作的后續研究內容，一方面，建模過程會存在誤差，雖然建模工作者希望將模型建立的越精確越好，但是要求建模人員給出完全吻合實際模型輸出特性的數學模型是不現實的。所建立的模型總會與真實模型之間存在差異。另一方面，模型簡化過程會使得模型簡單化，同時不可避免的引入了模型誤差，使得簡化模型與原始模型之間存在差異。此外，由于外界環境的未知因素，參數誤差和測量誤差等，也會造成最終提供給使用者的數學模型偏離真實系統模型。因此需要研究模型驗證理論，來評判所建立模型與真實模型之間差別的大小，并以此評價模型的可靠性。

早期的建模人員已經意識到應該采取一定的措施說明自己提供的數學模型的有效性，大多采用的方法為將建立的模型輸出與真實模型輸出以圖形的形式進行直觀對比，或者僅僅從模型的某個部分入手（如發動機、執行器等）做數據的比較分析，并沒有形成一套適用于臨近空間飛行器的獨立的模型驗證理論體系。更沒有從模型使用者的角度，從整體系統性能的角度全面考慮所建立模型的可靠性、一致性以及安全性。然而，建立獨立的適用于臨近空間數學模型的模型驗證理論體系是必要的，原因主要有以下三個方面：①建模工作人員使用的理論多為機理分析或模擬風洞試驗方法，如果是模型簡化工作還將應用其他理論思路，而模型驗證工作將不會受到建模方法的約束，不依賴于這些理論體系。②建立一套獨立的模型驗證理論體系，可以使得模型驗證工作更加客觀公正，廣泛應用于評價模型的工作。③不僅建模人員關注數學模型能否反映真實模型，模型的使用者往往更加關心建模人員提供模型的可靠性，因此，需要獨立的模型驗證理論客觀的連接建模工作人員和模型使用人員。因此，模型驗證理論的研究與發展，不僅將有助于建模工作的發展，更將為模型的可靠使用提供理論依據。

目前，模型驗證工作的研究剛剛起步尚未與建模工作脫離，特別是針對復雜的臨近空間飛行器，缺乏合適的模型驗證方法，同時迫切需要一個適用于臨近空間飛行器實際系統需求的能夠給出定性及定量分析結果的模型驗證理論體系。該項技術可以為建模工作提供模型驗證角度的反饋建議，為控制提供設計和決策依據，從而能夠為飛行器最終的安全、穩定、可靠飛行提供保證。

發明內容

本發明旨在克服現有技術的不足，提供基于臨近空間飛行器模型動態時序輸出的，系統級的一致性檢驗的新型模型驗證體系。給出基于蒙特卡洛方法的定性模型驗證的同時，分別從分布規律、發展趨勢、距離空間的角度給出基于時域分析的定量模型驗證，最后對模型進行風險分析，全面的對待驗證模型進行一致性的檢驗，并給出直觀的驗證準則，為達到上述目的，本發明采取的技術方案是：臨近空間飛行器模型驗證與仿真實現方法，包括如下步驟：①基于蒙特卡洛仿真方法對其進行定性驗證，回答待驗證模型能否如實反應原始模型的動態特性的問題；②基于時域分析方法的定量模型驗證，分別從分布規律、發展趨勢、距離空間三個角度，以定量的形式全面給出待驗證模型與原始模型一致性檢驗；③基于風險分析的定量模型驗證，將模型參數視為風險，給出直觀的定量模型驗證準則，當存在多個待驗證模型時給出模型比較標準，并驗證模型能否安全使用以并給出安全使用的范圍。

步驟①進一步具體為：首先依據包括不確定參數的具體物理含義和獲取途徑確定其分布規律，并依據3δ原則，確定參數的取值范圍，確定蒙特卡洛仿真次數后，每次仿真都按照這些參數的隨機分布規律隨機取值，生成輸出曲線族；然后定性比較原始模型輸出數據的曲線與待驗證模型輸出數據曲線族，如果二者差異較大，則需要進一步修正模型，如果二者差異不大，說明簡化模型的輸出能夠反映原始模型輸出的統計特性；進而，進行蒙特卡洛仿真收斂性分析，獲取關于簡化模型的一族輸出曲線，對于在90%之外的輸出值，稱之為輸出量的邊界值，這個區域就稱為邊界范圍，在這個邊界范圍里隨機選取若干輸出結果，并取出這幾組輸出所對應的敏感不確定組合的值，利用這些不確定組合的值以及其對應的仿真次數，即可進行進一步的飛行器在回路仿真。