[發明專利]一種基于MATLAB的平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦方法

在審

• 申請號: 202010320208.7
• 申請日: 2020-04-22
• 公開（公告）號: CN111581789A
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 唐梓棋;姚小虎
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/15;G06F119/14;G06F119/08
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳宏升

本發明涉及一種基于MATLAB的平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦方法，包括：S1，建立平流層飛艇的六自由度動力學模型；S2，建立平流層飛艇的平均熱力學模型；S3，對平流層飛艇的動力學模型和熱力學模型進行時域離散化；S4，采用牛頓迭代法，將每一時間微元的初始力場和初始溫度場重新代回該時間微元內的排氣控制方程，逐步迭代直至誤差控制在誤差允許范圍內再進入下一時間微元的解耦計算，最終完成平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦。本發明可有效的解決現有平流層飛艇多自由度熱力解耦低效，誤差不可控的技術問題，實現了快速、低成本的解耦運算，保證了解耦結果的準確性和高效性。

技術領域

本發明涉及航空航天技術領域，特別是涉及一種基于MATLAB的平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦方法，基于MATLAB軟件對平流層飛艇的升空全過程的多物理場耦合進行解耦仿真，用于指導平流層飛艇試驗的實時升空全過程監測預測及控制前反饋對比分析。

背景技術

平流層飛艇作為重要的臨近空間飛行器，具有重要的軍用價值和民用價值。飛艇在升空全過程的仿真過程中涉及復雜的多物理場耦合問題，尤其是動力學和熱力學的耦合非線性問題，因此在預測平流層飛艇升空軌跡和控制前反饋對比等關鍵技術方面，高效快速地解耦多物理場和觀測各運動物理量對平流層飛艇的軌跡優化和控制設計具有重要的指導意義。目前國內外關于平流層飛艇的多物理場解耦方法主要是基于SIMULINK工具箱的解耦，SIMULINK工具箱主要適用于研究單自由度的一維飛艇熱力耦合問題，具有以下三點局限性：

(1)涉及多物理場及六自由度耦合問題解耦缺乏有效的解耦手段， SIMULINK自帶工具箱解耦速度慢，效率低；

(2)在控制計算誤差方面無法有效使用迭代控制至允許誤差范圍；

(3)排錯性能低，無法實時監測每一計算步的結果及其誤差，為實時的飛艇升空測試提供有效的數據支撐

綜上所述，行業內對現有關于平流層飛艇的多物理場耦合問題的解耦仍缺少一種高效精準可實現六自由度熱力解耦的低成本計算方法。

發明內容

基于此，有必要針對多物理場的六自由度耦合問題解耦速度慢、效率低和誤差大的問題，提供一種基于MATLAB的平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦方法。

一種基于MATLAB的平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦方法，應用在平流層飛艇升空全過程多物理場場景，包括：

S1，建立平流層飛艇的六自由度動力學模型；

S2，建立平流層飛艇的平均熱力學模型；

S3，根據每一時間微元的初始力場和初始溫度場，動力學方程線性化后再計算時間微元內的溫度變化，推導出下一時間微元的初始力場和初始溫度場，完成對平流層飛艇的動力學模型和熱力學模型的時域離散化；

S4，采用牛頓迭代法，將每一時間微元的初始力場和初始溫度場重新代回該時間微元內的排氣控制方程，逐步迭代直至誤差控制在誤差允許范圍內再進入下一時間微元的解耦計算，最終完成平流層飛艇升空多物理場耦合的解耦。

優選地，步驟S1包括結合平流層飛艇自重、氣囊氣體浮力、粘附質量、空氣動力模型建立平流層飛艇的六自由度動力學模型；

其中，結合平流層飛艇自重建立平流層飛艇六自由度動力學模型包括：經坐標系轉換后，平流層飛艇的重力在艇體坐標系下表達式為：

結合氣囊氣體浮力建立平流層飛艇六自由度動力學模型包括：經坐標系轉換后，浮力方程在艇體坐標系下表達式為：

結合粘附質量建立平流層飛艇六自由度動力學模型包括：艇體坐標系下飛艇表面粘附質量方程為：