Ву Нгок Хое. Методика и итерационные алгоритмы идентификации аэродинамических коэффициентов по результатам моделирования летных испытаний : Ву Нгок Хої. Методика і ітераційні алгоритми ідентифікації аеродинамічних коефіцієнтів за результатами моделювання льотних випробувань

Краткое описание

Ву Нгок Хое. Методика и итерационные алгоритмы идентификации аэродинамических коэффициентов по результатам моделирования летных испытаний : диссертация ... кандидата технических наук : 05.07.01, 05.07.07.- Москва, 2006.- 234 с.: ил. РГБ ОД, 61 06-5/2470

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. Н.Э. БАУМАНА
На правах рукописи УДК 532.5:533.6.01
By Нгок Хое
МЕТОДИКА И ИТЕРАЦИОННЫЕ АЛГОРИТМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ
Специальности:
05.07.1 - Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов. 05.07.07 - Контроль и испытания летательных аппаратов и их систем.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор
Г. Г. СКИБА
Москва - 2006
2 стр
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
Главаї. АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДИК ИДЕНТИФИКАЦИИ И
ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПОСТРОЕНИЯ 10
# 1.1. Современные проблемы адекватного определения
аэродинамических характеристик летательных аппаратов и некоторые причины рассогласования их значений 10
1.2. Проблемы практического решения задачи идентификации 12
1.3. Анализ методик и результатов решения обсуждаемой задачи, полученных в работах других авторов 15
1.4. Исходные предпосылки построения методики и алгоритмов идентификации аэродинамических коэффициентов по результатам моделирования летных испытаний ЛА 18
ф ВЫВОДЫ по главе 1 19
* Глава2. МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ЛА С ИЗМЕНЯЕМЫМИ ФОРМОЙ И
МОМЕНТАМИ ИНЕРЦИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО 21
2.1 .Постановка задачи моделирования движения ЛА 21
2.2. Уравнения высокоточного математического моделирования движения ЛА 25
2.3. Структура аэродинамических характеристик с учетом 32
ВЫВОДЫ по главе 2 34
ГлаваЗ. МЕТОДИКА И АЛГОРИТМЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ
* АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ 35
3.1.Общая схема модельной идентификации аэродинамических
характеристик 35
3.2. Алгоритм идентификации аэродинамических характеристики коэффициентов на основе высокоточной модели 37
3.3. Алгоритм модельной идентификации аэродинамических коэффициентов по значениям 39
^ 3.4.Алгоритм приближенного определения функций влияния 41
З стр
ВЫВОДЫ по главе 3 43
* Глава4. РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 45
4.1 .Результаты контрольной идентификации аэродинамических
коэффициентов управляемого летательного аппарата 45
ф 4.2.Результаты контрольной идентификации аэродинамических
коэффициентов неуправляемого ЛА (тела вращения) 48
4.3. Результаты идентификации при моделировании летных испытаний управляемого ЛА 51
4.4. Результаты контроля условий ортогональности матрицы С 55
ВЫВОДЫ по главе 4 58
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 60
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 63
ПРИЛОЖЕНИЕ 70
%
т
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Полет с большими скоростями в атмосфере (М« 10-25) приводит к необходимости учета реальных свойств среды, таких как вязкость, сжимаемость, теплопроводность, нелинейных факторов влияния угла атаки и изменений массово-инерционных характеристик летательного аппарата (JIA) и др. Задача учета всех этих факторов громоздка и не всегда обеспечена теоретически, особенно для перспективных аппаратов сложных аэродинамических форм. К настоящему времени с применением трехмерных газодинамических систем уравнений имеется возможность определения стационарных и нестационарных аэродинамических коэффициентов (всего 17 коэффициентов) только для тел вращения [38]. Специалисты в области проектирования обычно сталкиваются с большими трудностями при разработке нового J1A. На этапе поисковых исследований включение таких задач в процесс разработки образца ЛА влечет за собой не только материальные, но и временные затраты. В случае асимметричности поверхности ЛА возможно существенное изменение параметров невязкого течения и структуры пограничного слоя. Такой характер течения приводит к тому, что экспериментальные данные по распределению давления на поверхности ЛА значительно отличаются от теоретических расчетов. В результате, прогнозирование значений аэродинамических коэффициентов ЛА сопровождается, как правило, значительными погрешностями. Эта проблема становится особенно острой при гиперзвуковых скоростях полета. Сложность задачи предопределяет проведение обширных экспериментальных исследований как для практических приложений, тестирования теоретических методов расчета, а также для совершенствования физических и математических моделей.
Результаты, полученные в натурных условиях, показали различия некоторых характеристик по сравнению с результатами расчетов и трубных экспериментов. В зависимости от типа течения в пограничном слое коренным образом могут изменяться условия обтекания, так как определяющее влияние оказывают форма поверхности JIA, вихри и ударные волны. Остаются невыясненными важные вопросы, касающиеся реальных значений аэродинамических коэффициентов JIA при его движении в натурных условиях.
Существенную роль в определении аэродинамических характеристик JIA играют летные испытания (ЛИ). Однако, соответствующий статистический материал, получаемый в процессе ЛИ и применяемый при идентификации аэродинамических характеристик, вследствие проведения ограниченного количества экспериментов и измерений в условиях их осуществления невелик по объему и неоднороден по составу.
Указанные обстоятельства делают невозможным определение вероятностных характеристик испытуемых объектов классическими статистическими методами и требуют использования методов математического моделирования, базирующихся на применении априорной информации, накопленной в процессе предшествующих испытаний и теоретических расчетов.
Одну из важных ролей при этом играет решение задачи обеспечения адекватности расчетных математических моделей и реализуемых вычислительных схем, в частности, итерационного типа, реальным условиям. Это предполагает необходимость проведения большого объема предварительных (по отношению к ЛИ) исследований, посвященных выбору и отработке рациональных методик идентификации аэродинамических коэффициентов по результатам компьютерного моделирования ЛИ.
Все сказанное свидетельствует о возросшей значимости вычислительного эксперимента при отработке методов идентификации аэродинамических характеристик ЛА. Поэтому можно сделать вывод, что разработка методик и алгоритмов высокоточной идентификации необходимого количества аэродинамических коэффициентов ЛА по результатам моделирования ЛИ является актуальной и имеет большую практическую значимость.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью проведенных исследований является повышение уровня достоверности и объема всей совокупности значений аэродинамических коэффициентов управляемого и неуправляемого (тела вращения) JIA на основе итерационных алгоритмов идентификации. В процессе достижения поставленной цели представилось необходимым решение следующих задач:
1 .Построение методики и общей схемы детерминированной идентификации совокупности аэродинамических коэффициентов (АДК) большого объема (17) по значениям моделируемых в вычислительном эксперименте перегрузок и угловых скоростей JIA, в составе универсальной части (пригодной для любых JIA) и индивидуальной части (учитывающей особенности аэродинамики и компоновки рассматриваемого конкретного J1A).
2. Разработка итерационного алгоритма идентификации аэродинамических характеристик и коэффициентов на основе высокоточной модели движения JIA, с учетом возможности контроля результатов расчетов в любой текущий момент времени во всем диапазоне времени моделирования движения ЛА.
3. Разработка алгоритма идентификации аэродинамических
коэффициентов (АДК) по значениям аэродинамических характеристик (АДХ), с учетом различий структур управляемого ЛА и неуправляемого JIA (тела вращения).
4. Разработка алгоритма приближенного определения функций влияния, погрешности значений которых в итерационном процессе компенсируются за счет структуры и высокого уровня адекватности используемых математических моделей движения J1A реальным характеристикам полета.
5. Тестирование разработанных методики и алгоритмов, подтверждение достоверности получаемых результатов путем проведения серии вычислительных экспериментов применительно к условиям моделирования летных испытаний управляемого и неуправляемого JIA.
Методы исследования. В работе используются методы матричной алгебры, теории обыкновенных дифференциальных уравнений и механики полета.
Достоверность полученных результатов. Достоверность результатов обеспечивается применением корректных математических моделей движения ЛА, подтверждена результатами тестовых расчетов и вычислительных экспериментов.
Научная новизна. Научная новизна характеризуется следующим:
1 .Построены методика и общая схема идентификации большой совокупности (17) АДК, в составе универсальной части (пригодной для любых управляемых и неуправляемых JIA) и индивидуальной части (учитывающей особенности аэродинамики и компоновки рассматриваемого конкретного JIA), применительно к вычислительно моделируемым условиям летных испытаний ЛА и обработки результатов на заключительном этапе послеполетного анализа.
2. Разработаны итерационные алгоритмы идентификации АДХ и АДК на основе высокоточных уравнений движения JIA и моделирования условий и процесса летных испытаний.
3. Получены новые данные вычислительных экспериментов, подтверждающие работоспособность и эффективность предлагаемых алгоритмов и точность (в рамках математической модели) получаемых на их основе результатов.
Практическая значимость работы. Представленные в работе методика и алгоритмы, объединенные в единое целое с данными предварительной обработки результатов измерений в летных испытаниях JIA, обеспечивают возможность получения объективных данных о значениях АДК конкретных J1A в конкретных условиях их пространственного полета в атмосфере.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Методика и общая схема построения алгоритмов детерминированной идентификации совокупности 17 аэродинамических коэффициентов по результатам моделирования движения JIA на этапе летных испытаний.
2. Итерационный алгоритм идентификации АДХ и АДК на основе высокоточной модели движения ЛА с изменяемой формой и изменяемыми компонентами тензора инерции и центра масс JIA, позволяющий осуществлять контроль результатов расчетов в любой текущий момент времени во всем диапазоне времени моделирования движения JIA.
3. Алгоритм идентификации АДК по заданным значениям аэродинамических характеристик.
4. Алгоритм приближенного определения функций влияния, погрешности значений которых в итерационной процедуре компенсируются за счет выбранной структуры высокоточных уравнений движения JLA.
5. Результаты модельной контрольной идентификации аэродинамических коэффициентов применительно к управляемому и неуправляемому (телу вращения) ЛА, свидетельствующие о работоспособности и высокой точности методики и итерационных алгоритмов с применением метода Гаусса-Жордана и метода наименьших квадратов.
6. Результаты оценки влияния погрешностей математически моделируемых измерений перегрузок и угловых скоростей на значения АДК.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Второй международной научной конференции «Ракетно-космическая техника: Фундаментальные и прикладные проблеиы» (Россия, г.Москва, 19-21 ноября 2003 г.), 1-ой Международной научно-технической конференции
"Аэрокосмические технологии", посвященной 90-летию со дня рождения академика В.Н. Челомея (Российская Федерация, Москва-Реутов, 24-25 мая 2004г.), студенческой конференции "Научная весна" (г.Москва, МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 29.04.2005г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в опубликованных научных статьях [39, 42], тезисах докладов [41, 59, 60], а также в двух отчетах
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и Приложения. В списке литературы представлены 61 наименований. Суммарный объем работы (с приложением) составляет 234 страниц текста, формул и числового материала, 1 рисунка и 7 таблиц.

Список литературы

1. Проанализированы проблемы адекватного определения аэрогазодинамических характеристик J1A. Выделены и обозначены на основе анализа методик и результатов различных авторов некоторые основные современные проблемы практического решения высокоточной задачи идентификации АДХ и АДК JIA.
Представлена общая схема модельной идентификации АДХ и АДК по значениям перегрузок и угловых скоростей JIA, получаемых в процессе вычислительного эксперимента, воспроизводящего условия движения JIA при проведении ЛИ.
2. Изложены исходные предпосылки построения методического комплекса и итерационных алгоритмов модельной идентификации АДК по результатам моделирования летных испытаний.
Обоснована рациональная структура уравнений математического моделирования движения J1A с изменяемой формой и изменяемыми компонентами тензора инерции и центра масс ЛА.
3. Предложена форма представления выражений аэродинамических характеристик, связывающая их значения со значениями аэродинамических коэффициентов, учитывающая нелинейные факторы влияния пространственного угла атаки, а также геометрических и газодинамических критериев подобия.
4. Разработана методика и общая схема модельной идентификации совокупности АДК большого объема (17) по значениям перегрузок и угловых скоростей JLA в составе универсальной части (пригодной для любых J1A) и индивидуальной части (учитывающей особенности аэродинамики и компоновки рассматриваемого конкретного J1A).
5. Построен итерационный алгоритм идентификации аэродинамических характеристик и коэффициентов на основе высокоточной
модели движения ЛА с изменяемой формой и изменяемыми компонентами тензора инерции и центра масс ЛА.
Разработан алгоритм приближенного определения функций влияния, погрешности значений которых в итерационной процедуре компенсируются за счет выбранной структуры высокоточных уравнений движения JIA.
6. С целью проверки методики и алгоритмов, а также иллюстрации достоверности и точности получаемых результатов, проведена серия вычислительных экспериментов применительно к условиям моделирования летных испытаний управляемого JIA.
Представлены результаты контрольной модельной идентификации аэродинамических коэффициентов применительно к управляемому ЛА, свидетельствующие о работоспособности и высокой точности методики и итерационных алгоритмов с применением метода Гаусса-Жордана. После реализации 52 итерации все расчетные значения АДК, перегрузок и угловых скоростей в соответствующих трех точках траектории практически не отличаются от "точных" значений. В рамках математической модели относительные погрешности идентифицируемых АДК не превышают 1%, а для очень малых по модулю АДК значения определяются с точностью до 1-2 значащих цифр.
7. Представлены результаты контрольной идентификации аэродинамических коэффициентов применительно к неуправляемому ЛА (тело вращения), свидетельствующие о работоспособности и высокой точности методики и итерационных алгоритмов с применением метода наименьших квадратов. Как и для управляемого ЛА, после реализации 52 итерации расчетные значения АДК, перегрузок и угловых скоростей практически не отличаются от "точных" значений.
8. Для оценки влияния погрешностей измерений перегрузок и угловых скоростей в их значения были внесены погрешности, формируемые при использовании генератора случайных чисел исходя из порядка 1% (За) во всех трех точках измерений. Итерационный процесс успешно завершился (для достижения совпадения первых пяти значащих цифр результатов в двух последних итерациях по всем АДК потребовалось 56 итераций). Влияние погрешностей измеряемых параметров приводит к значительным, а иногда - к чрезмерно большим ошибкам в значениях нестационарных АДК. Такие данные могут быть основанием к выставлению требований по точности измерительных устройств.
9. Подтверждена достоверность утверждений о преимуществах примененного в работе метода описания кинематических параметров при моделировании движения JIA на основе высокоточных уравнений, по сравнению с известными другими методами. Условия ортогональности матрицы С сохраняются в пределах точности порядка 10"6 10"15.
Проиллюстрирована работоспособность и эффективность введенного контроля точности определения кинематических параметров с помощью принятого к рассмотрению контрольного соотношения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов Н.М., Лысенко Л.Н. Баллистика и навигация космических аппаратов: Учебник для вузов . -М.: Дрофа, 2004. -544с.
2. Беаш Х.Л., Бушнелл Д.М. Требования к авиакосмической экспериментальной базе в 2000-х годах //Авиастроение: Экспресс- информация. -1991. -№36. -С.22-35.
3. Берестов Л.М., Поплавский Б.К., Мирошниченко Л.Я. Частотные методы идентификации летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1985. -184с.
4. Бетанов В.В., Лысенко И.В. Решение задач экспериментальной баллистики в ходе ЛИ образцов ракетно-космической техники. - М.: РВСН, 1999. -549с.
5. Экспериментальная баллистика ракетно-космических средств. Учебник /В.В. Бетанов, Л.Н. Лысенко, И.В. Лысенко и др.; Под общей ред. Л.Н. Лысенко, В.В. Бетанова, И.В. Лысенко. - М.: ВА РВСН им. Петра Великого, РАРАН, 2000.-286с.
6. Брандин В.Н., Васильев А.А., Куницкий А.А. Экспериментальная баллистика космических аппаратов. -М.: Машиностроение, 1984. -262с.
7. Брандин В.Н., Разоренов Г.Н. Определение траекторий космических аппаратов. -М.: Машиностроение, 1978. -216 с.
8. Брандин В.Н., Васильев А.А., Худяков С.Т. Основы экспериментальной космической баллистики. - М.: Машиностроение, 1974. -340с.
9. Структурная идентификация математической модели движения самолета /К.К. Васильченко, Ю.А. Кочетков, В.А. Леонов, Б.К. Поплавский.-М.: Машиностроение, 1993.-351с.
10. Летные испытания самолетов / К.К. Васильченко, В.А. Леонов, И.М. Пашковский, Б.К. Поплавский. -М.: Машиностроение, 1996. -719с.
11. Гольштик М.А., Штерн В.Н., Яворский Н.И. Вязкие течения с порадоксальными свойствами. -Новосибирск: Наука, 1989. -366с.
12. Гроп Д. Методы идентификации систем: Пер. с англ. /Под ред. Е.П. Кринецкого. - М.: Мир, 1979. -302с.
13. Дмитриевский А.А. , Лысенко Л.Н. . Внешняя баллистика. 4-е издание, переработанное и дополненное. -М.: Машиностроение, 2005. -607 с.
14. Исаев С.А., Корсун О.Н. Идентификация параметров математической
модели статически неустойчивого самолета в интересах оценивания
fog.
характеристик траєкторного движения // Радиотехника. -1996. -№ 10. -С.58- НА.
35.
15. Качанов Б.О. Метод спектрально-временной идентификации динамических систем //Известия АН СССР. Техническая кибернетика. -1993. -№3.-С. 147-152.
16. Качанов Б.О., Коленцев И.В. Структурно-параметрическая идентификация нелинейных АДХ спектрально-временным методом. //Математическое обеспечение задач управления, оценивания и идентификации ЛА и их систем: Научно-методические материалы. -М.: ВВИА им.проф.Н.Е.Жуковского, 1994. -С.3-14.
17. Качанов Б.О., Хролович К.Б. Метод спектрально-временной идентификации продольного и бокового движения самолета //Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. -1993. - №1. С. 22-26.
18. Корсун О.Н. Алгоритм идентификации динамических систем с функционалом в частотной области //Автоматика и телемеханика. -2003. - №5. -С.111-121.
19. Корсун О.Н., Кулифеев Ю.Б. Дискретно-непрерывный алгоритм идентификации нелинейных систем, использующий сплайн-функции. Под ред. М.И. Ништа //Труды ВВИА им.проф.Н.Е.Жуковского.-1993. -Вып. 1317. - С.46-54.
20. Корсун О.Н. Идентификация продольного движения статически неустойчивого самолета, основанная на использовании параллельной модели //Известия академии наук. Теория и системы управления. -2001. -№3. -С.34-
21. Кулифеев Ю.Б. Дискретно-непрерывный метод идентификации непрерывных систем //Изв. АН СССР. Механика твердого тела. -1981. -№5. - С.47-55.
22. Кулифеев Ю.Б., Подобедов В.А. Проверка достоверности расчетных динамических моделей летательных аппаратов в лабораторном эксперименте //Труды ВВИА им.проф.Н.Е.Жуковского. -1981. -Вып. 1309. -С. 15-21.
23. Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Динамика полета беспилотных ЛА. - М.: Машиностроение, 1973. -616с.
24. Летные испытания ракет и космических аппаратов / Под ред. Е.И. Кринецкого. -М.: Машиностроение, 1979. -461с.
25. Льюнг Л. Идентификация систем. Теория для пользователя. -М.: Наука, 1991.-432с.