CN104008233B - 一种空间飞网装置参数优化设计系统和优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种空间飞网装置参数优化设计系统，包括人机交互模块M1，控制与计算模块M2，数据库模块M3和后处理模块M4；人机交互模块M1将输入的优化模型的参数、运行环境参数和指令信息记录并传递给控制与计算模块M2，控制与计算模块M2根据这些信息从数据库模块M3选择优化算法、模型函数，再通过控制与计算模块M2的优化子模块更新设计点，控制与计算模块M2的仿真分析子模块计算新设计点的仿真结果，通过循环计算获得最优设计点；后处理模块M4读取最优设计和寻优过程信息并进行分析；用户通过人机交互模块M1查看后处理模块M4分析与汇总的结果；一种空间飞网装置参数优化方法，它有六大步骤。本发明在航天技术领域里具有应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间飞网装置参数优化设计系统和优化方法，该优化系统可以快速地完成空间飞网装置参数的优化设计，属于航天技术领域。
技术背景
随着人类对空间资源的利用，空间碎片的数量逐渐增加，对在轨正常运行的航天器构成了严重的威胁，空间飞网装置就是为了清除空间碎片而设计的一类装置，其目的主要是通过直接抛射展开一张面积较大的柔性网来包覆较大的空间碎片，以实行空间碎片的离轨。空间飞网装置的捕获效果是有柔性网的展开效果决定，而柔性网的展开效果的关键因素是空间飞网装置的相关设计参数，例如发射速度与角度。
发明内容
1.目的：本发明的目的是为了提供一种空间飞网装置参数优化设计系统和优化方法，它可以快速地获得空间飞网装置最佳的参数组合，实现柔性网的最佳展开效果。
2.技术方案：为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案
(1)本发明一种空间飞网装置参数优化设计系统，Optimization Platform for aSpace Net Capture System V1.0，简称OPSNCS V1.0，包括以下4个部分：OPSNCS V1.0人机交互模块M1，OPSNCS V1.0控制与计算模块M2，OPSNCS V1.0数据库模块M3和OPSNCS V1.0后处理模块M4。这四个模块之间的关系是：
OPSNCS V1.0人机交互模块M1将用户输入的优化模型的参数、运行环境参数和软件运行控制指令等信息记录并传递给OPSNCS V1.0控制与计算模块M2，OPSNCS V1.0控制与计算模块M2根据这些信息从OPSNCS V1.0数据库模块M3选择优化算法、试验设计方法、近似模型函数等，再通过OPSNCS V1.0控制与计算模块M2的优化子模块更新设计点，OPSNCSV1.0控制与计算模块M2的仿真分析子模块计算新设计点的仿真结果，通过这种循环计算获得最优设计点。OPSNCS V1.0后处理模块M4读取最优设计点、最优设计和寻优过程的信息，并进行分析。用户可通过OPSNCS V1.0人机交互模块M1查看OPSNCS V1.0后处理模块M4分析与汇总的结果。
下面详细说明各部分的结构与功能：
所述OPSNCS V1.0人机交互模块M1是用户对软件进行设置、控制与查看的模块，包括以下三个子模块：优化定义模块M11，运行环境参数设置模块M12，软件运行控制工具M13。它们之间的关系是相互并列的。
该优化定义模块M11是对空间飞网装置参数优化中设计变量、优化目标和设计约束的定义。
在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置中牵引块、舱盖和空间网的发射参数等6个设计变量。数学表达如下：
X＝{mTm,，mh，vTm，θTm，vh}；
其中，X为设计变量组，由五个变量组成：mTm为空间飞网装置中牵引块的质量，浮点变量，单位为kg；mh为空间飞网装置中网舱盖的质量，浮点变量，单位为kg；vTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s；θTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的角度，浮点变量，单位为度；vh为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s。各变量的取值范围需要根据空间飞网装置的结构、材料、工况以及捕获任务等设定。
在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置参数优化目标，也即通过优化设计变量，使得空间网在指定距离处展开到最大面积，数学表达如下：
Max(A)
其中，A为A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2。
在优化定义模块M11中，定义了设计约束，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网面积收缩和空间网缠绕的情况，以空间网在到达指定位置前展开面积变化率大于零作为约束。其数学表达式如下：
C＝(c1,…,cm,ac1,…,ack)；
其中，C为约束条件，由2部分组成：c1,…,cm为强度约束，分别对应着空间网的各段网绳的最大应力小于网绳材料的许用应力；ac1,…,ack为空间网展开过程的效果约束，对应的是在空间网在到达指定位置前的各个时刻空间网展开面积变化率应大于零。各约束具体取值与空间网的材料属性、发射参数等有关。
该运行环境参数设置模块M12是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCS V1.0运行环境进行设置的模块。包括求解器的选择、文件存储路径的设置等。
该软件运行控制工具M13是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCS V1.0运动过程的检查、开始、中止、终止过程的控制模块。
所述OPSNCS V1.0控制与计算模块M2是空间飞网装置参数优化系统的核心模块，实现对优化过程中数据的管理与控制。OPSNCS V1.0控制与计算模块M2包括以下三个子模块：数据管理模块M21，优化模块M22以及仿真分析模块M23。它们之间的关系是相互并列的。
该数据管理模块M21实现空间飞网装置参数优化过程数据流的控制，以及访问空间飞网装置参数优化系统的数据库模块M3。
该优化模块M22是利用数据管理模块M21选择的优化算法计算出下一个设计方案的程序模块。
该仿真分析模块M23是对设计方案进行空间网装置展开过程的仿真与分析。
所述OPSNCS V1.0数据库模块M3包括三个子模块：优化算法库M31，试验设计方法库M32，近似模型函数库M33。它们之间的关系是相互并列的。
该优化算法库M31是包括常用的全局算法如多岛遗传算法和常用的梯度算法如SQP的算法数据库。其中SQP算法是序列二次规划算法的英文缩写。
该试验设计方法库M32是包括常用的试验设计方法的方法数据库，如正交试验设计方法。
该近似模型函数库M33是包括数据拟合常用函数的函数数据库，如多项式响应面函数。
所述OPSNCS V1.0后处理模块M4包括两个子模块：结果读取模块M41和结果分析模块M42。它们之间的关系是相互并列的。
该结果读取模块M41是在优化循环停止后，查询优化和仿真结果文件并提取最优设计结果的程序模块。
该结果分析模块M42是根据结果读取模块M41读取到的信息，分析优化结果的可信度的程序模块。
(2)本发明一种空间飞网装置参数优化方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：空间飞网装置参数优化模型定义S1；
其中，优化模型S1的定义包括优化目标函数S11，优化约束条件S12，优化设计变量S13，三者之间是并列关系。
优化目标函数S11是指空间飞网装置参数优化的目标，也就是空间网在指定距离处展开到最大面积，其数学表达式如下：
Max(A)；
其中，A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2。
优化约束条件S12是指空间飞网装置参数优化的约束条件，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网面积收缩和空间网缠绕的情况，以空间网在到达指定位置前展开面积变化率大于零作为约束。其数学表达式如下：
C＝(c1,…,cm,ac1,…,ack)；
其中，C为约束条件，由2部分组成：c1,…,cm为强度约束，分别对应着空间网的各段网绳的最大应力小于网绳材料的许用应力；ac1,…,ack为空间网展开过程的效果约束，对应的是在空间网在到达指定位置前的各个时刻空间网展开面积变化率应大于零。各约束具体取值与空间网的材料属性、发射参数等有关。
优化设计变量S13是指空间飞网装置参数优化的各个设计变量，包括空间飞网装置的要进行优化设计的发射速度参数和结构参数，其数学表达式如下：
X＝{x1,x2,x3…xn}；
其中，X为设计变量组，由若干个变量组成：xi(i＝1,…,n)的具体的物理含义根据不同的空间飞网装置设计任务而不同，例如：x1为空间飞网装置中牵引块的质量，单位为kg；x2为空间飞网装置中网舱盖质量，单位为kg；x3为空间飞网装置牵引块的发射速度的大小，单位为m/s；x4为空间飞网装置牵引块的发射角度，单位为度；x5为空间飞网装置网舱盖发射速度的大小，单位为m/s；x6为空间飞网装置中牵引块和网舱盖发射时间差，单位为s，具体使用时设计变量不限以上几种。
步骤二：空间飞网装置展开过程的仿真分析S2；
空间飞网装置展开过程的仿真分析S2是对空间网发射展开过程进行仿真分析和提取优化所需要分析结果，包括六个子步骤：定义任务参数S21，定义结构尺寸S22，定义空间网的材料属性S23，定义仿真单元属性S24，定义载荷工况S25，分析求解S26和结果读取S27。
定义任务参数S21是指空间飞网任务的参数，包括捕获的目标的最大展长和距离，捕获目标的最大展长单位为m，取值范围5m～30m；捕获目标的距离单位为m，取值范围30m～120m。
定义结构尺寸S22是指空间网的形状、大小、网格密度以及网绳的粗细，例如，正方形网的边长，单位为m，取值为20m～40m；网格密度是指空间网网格疏密程度，通过网边单位为个，取值为整数，取值范围为20～100。
定义空间网的材料属性S23是实现空间飞网装置材料属性的定义，包括空间网网绳的材料定义、牵引块的材料定义、网舱盖的材料定义，其中材料定义是指指定材料的弹性模量、密度和泊松比等参数，例如：牵引块和舱盖可以选择45号钢或者其他合金钢，网绳材料可选尼龙或者其他复合材料等。
定义仿真单元属性S24实现对仿真结构模型单元的定义。包括结构仿真模型各部分的单元定义。例如牵引块和网舱盖使用集中质点单元，网绳使用绳索单元。
定义分析求解S25实现空间飞网装置在定义的发射参数下空间网展开过程求解。我们选用求解器对空间网的展开过程求解。其中，求解器选用现有成熟软件。
定义结果读取S26实现对分析结果进行处理。在空间飞网装置分析求解完毕后，求解器会输出从空间网发射开始到空间网到达指定距离所经历的时间段内，空间网展开面积和绳索单元的应力等随时间变化的信息。
步骤三：空间飞网装置设计变量的试验设计S3
空间飞网装置设计变量的试验设计S3是实现试验点在求解空间的合理分布的数理统计技术，包括三个子步骤，即选择试验设计方法S31，设置试验设计参数S32和制定试验设计表格S33。
定义选择试验设计方法S31是从数理统计学科中各种试验设计方法中选择其中之一，以明确试验设计点在设计空间分布规律。例如，可选择正交试验设计，正交试验设计是一种快速高效的试验设计方法，是数理统计学科中的一门成熟技术。
定义设置试验设计参数S32是指设置试验设计的因子数和设计变量的水平数，以确定试验设计点的数量和分布。其中，因子数是指设计变量的个数，设计变量的水平数是指试验设计中该设计变量在取值范围选定试验值的个数。选定实验设计方法后，试验设计点的个数取决于因子数和设计变量的水平数，例如正交试验设计中，对于n个设计变量，因子数为n，若选定每一个设计变量的水平数为m，则可以选择常用的正交试验表格，确定样本点的分布。样本点越多，分布越均匀，越能反映出设计变量与优化目标函数、设计变量与设计约束之间的关系，但相应的计算效率也会越低。
定义制定试验设计表格S33是指根据选择的试验设计方法和试验设计参数设置，指定出试验设计表格。例如因子数为n，每个设计变量的水平数为m的正交试验表格中包含每个设计变量的具体取值。
在完成以上三个子步骤后，将试验设计表格的设计点进行空间飞网装置展开过程的仿真分析S2。空间飞网装置展开过程的仿真分析S2结束后，获得设计点的仿真结果。
步骤四：构建近似数学函数模型S4
构建近似数学函数模型S4是指根据试验设计得到的设计变量与优化目标函数、设计变量与设计约束之间的关系，利用数学函数拟合，获得可替代空间飞网展开过程分析的近似数学函数模型。构建近似数学函数模型S4包括2个子步骤：选择构建近似数学函数模型的方法S41；拟合数据S42。
定义选择构建近似数学函数模型的类型S41是指选择数据拟合的方法，实现设计变量与优化目标函数、设计变量与设计约束之间的关系的最佳。
定义拟合数据S42是指利用S41选择的方法，对试验设计所有设计方案与结果进行拟合，构建出可替代空间飞网展开过程仿真分析的近似数学函数模型。
步骤五：近似模型计算分析S5
近似模型计算分析S5是指在获得设计方案后，利用近似数学函数模型给出对应的优化目标函数值和设计约束值。
步骤六：优化S6
优化S6是实现优化循环与收敛判断的过程，包括选择优化路径S61、选择优化算法S62、更新设计方案S63和优化收敛判断S64这四个子步骤。
选择优化路径S61是指优化过程中从仿真分析和近似数学函数模型两种中选择一种路径获得设计方法的结果反馈。
选择优化算法S62是指针对选择的优化路径，从优化算法中选出一种或多种方法用于优化迭代计算中。
更新设计方案S63是指根据选择的优化算法，计算得出新的设计方案的过程。
优化收敛判断S64是指计算前后两组设计方案所得到的优化目标函数值的差的绝对值，并判断如果结果小于或等于指定收敛精度，则停止优化，最后设计方案为最优设计方案，否则更新设计方案后进行空间飞网装置展开过程的仿真分析S2或者近似模型计算分析S5，获得相应的结果反馈。其中，收敛精度一般选用0.1％～10％，收敛精度越高，优化效果越好，但相应地会延长系统工作时间。
3.本发明一种空间飞网装置参数优化设计系统的优点：
空间飞网装置参数优化设计系统通过界面操作，实现便捷的优化过程操作与控制；
空间飞网装置参数优化设计系统可以高效、快捷的实现空间飞网装置参数的优化设计；
空间飞网装置参数优化设计系统按功能的模块进行设计，便于软件升级；
空间飞网装置参数优化设计系统提供扩展的接口，便于实现软件的拓展。
本发明一种空间飞网装置参数优化方法的优点：
可以高效、快速地实现空间飞网装置参数优化设计；
各模块之间在软件结构上相互独立，具有较强的灵活性。
附图说明
图1为本发明一种空间飞网装置参数优化设计系统OPSNCS V1.0参数优化设计对象示意图；
图2为本发明空间飞网装置参数优化设计系统OPSNCS V1.0的组成模块框架图；
图3本发明一种空间飞网装置参数优化系统的分步结构示意图；
图4为本发明空间飞网装置参数优化方法的流程图。
图中具体标号说明如下：
1--空间飞网装置牵引块；2--空间飞网装置网舱盖；3--空间网；4--空间网储箱。
具体实施方式
图1为本发明实施例空间飞网装置参数优化设计对象的示意图。
图2为本发明空间飞网装置参数优化系统OPSNCS V1.0的组成模块框架图。
(1)本发明一种空间飞网装置参数优化设计系统，Optimization Platform for aSpace Net Capture System V1.0，简称OPSNCS V1.0，包括以下4个部分：OPSNCS V1.0人机交互模块M1，OPSNCS V1.0控制与计算模块M2，OPSNCS V1.0数据库模块M3和OPSNCS V1.0后处理模块M4。这四个模块之间的关系是：
OPSNCS V1.0人机交互模块M1将用户输入的优化模型的参数、运行环境参数和软件运行控制指令等信息记录并传递给OPSNCS V1.0控制与计算模块M2，OPSNCS V1.0控制与计算模块M2根据这些信息从OPSNCS V1.0数据库模块M3选择优化算法、试验设计方法、近似模型函数等，再通过OPSNCS V1.0控制与计算模块M2的优化子模块更新设计点，OPSNCSV1.0控制与计算模块M2的仿真分析子模块计算新设计点的仿真结果，通过这种循环计算获得最优设计点。OPSNCS V1.0后处理模块M4读取最优设计点、最优设计和寻优过程的信息，并进行分析。用户可通过OPSNCS V1.0人机交互模块M1查看OPSNCS V1.0后处理模块M4分析与汇总的结果。
下面详细说明各部分的结构与功能：
所述OPSNCS V1.0人机交互模块M1是用户对软件进行设置、控制与查看的模块，包括以下三个子模块：优化定义模块M11，运行环境参数设置模块M12，软件运行控制工具M13。它们之间的关系式相互并列的。
该优化定义模块M11是对空间飞网装置参数优化中设计变量、优化目标和设计约束的定义。
在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置中牵引块、舱盖和空间网的发射参数等6个设计变量。数学表达如下：
X＝{mTm,，mh，vTm，θTm，vh}；
其中，X为设计变量组，由六个变量组成：mTm为空间飞网装置中牵引块的质量，浮点变量，单位为kg；mh为空间飞网装置中网舱盖的质量，浮点变量，单位为kg；vTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s；θTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的角度，浮点变量，单位为度；vh为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s；Δt为空间飞网装置中牵引块和网舱盖发射时间间隔，浮点变量，单位为s。各变量的取值范围需要根据空间飞网装置的结构、材料、工况以及捕获任务等设定。
在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置参数优化的目标，也即通过优化设计变量，使得空间网在指定距离处展开到最大面积，数学表达如下：
Max(A)
其中，A为A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2。
在优化定义模块M11中，定义了优化约束，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网面积收缩和空间网缠绕的情况，以空间网在到达指定位置前展开面积变化率大于零作为约束。其数学表达式如下：
C＝(c1,…,cm,ac1,…,ack)；
其中，C为约束条件，由2部分组成：c1,…,cm为强度约束，分别对应着空间网的各段网绳的最大应力小于网绳材料的许用应力；ac1,…,ack为空间网展开过程的效果约束，对应的是在空间网在到达指定位置前的各个时刻空间网展开面积变化率应大于零。各约束具体取值与空间网的材料属性、发射参数等有关。
该运行环境参数设置模块M12是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCS V1.0运行环境进行设置的模块。包括求解器的选择、文件存储路径的设置等。如设置程序运行系统为windows7professional，设置安装目录为”D:\Program Files\”，设置系统当前路径为”C:\Users\”。
定义软件运行控制工具M13是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCS V1.0运动过程的检查、开始、中止、终止过程的控制模块。如检查输入的数据是否合法，初始参数是否在设计空间内，系统运行路径是否正确；系统运行过程中需要中止或终止以修改参数等。
所述OPSNCS V1.0控制与计算模块M2是空间飞网装置参数优化系统的核心模块，实现对优化过程中数据的管理与控制。OPSNCS V1.0控制与计算模块M2包括以下三个子模块：数据管理模块M21，优化模块M22以及仿真分析模块M23。
该数据管理模块M21实现空间飞网装置参数优化过程数据流的控制，以及访问空间飞网装置参数优化系统的数据库模块M3。
该优化模块M22是利用数据管理模块M21选择的优化算法计算出下一个设计方案的程序模块。
该仿真分析模块M23是对设计方案进行空间网装置展开过程的仿真与分析
所述OPSNCS V1.0数据库模块M3包括三个子模块：优化算法库M31，试验设计方法库M32，近似模型函数库M33。
该优化算法库M31是包括常用的全局算法如多岛遗传算法和常用的梯度算法如SQP的算法数据库。其中SQP算法是序列二次规划算法的英文缩写。
该试验设计方法库M32是包括常用的试验设计方法的方法数据库，如正交试验设计方法。
该近似模型函数库M33是包括数据拟合常用函数的函数数据库，如多项式响应面函数。
所述OPSNCS V1.0后处理模块M4包括两个子模块：结果读取模块M41和结果分析模块M42。
该结果读取模块M41是在优化循环停止后，查询优化和仿真结果文件并提取最优设计结果的程序模块。
该结果分析模块M42是根据结果读取模块M41读取到的信息，分析优化结果的可信度的程序模块。
图3为本发明一种空间飞网装置参数优化系统的分步结构示意图。
(2)本发明一种空间飞网装置参数优化方法，主要包括以下几个步骤：
步骤一：S1空间飞网装置参数优化模型定义。
空间飞网装置参数优化模型定义S1步骤包括S11优化目标函数，S12优化约束条件，S13优化设计变量，三者之间是并列关系。
所述S11优化目标函数是指空间飞网装置参数优化的目标，也就是空间网在指定距离处展开到最大面积，其数学表达式如下：
Max(A)；
其中，A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2。
所述S12优化约束条件是指空间飞网装置参数优化的约束条件，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网面积收缩和空间网缠绕的情况，以空间网在到达指定位置前展开面积变化率大于零作为约束。其数学表达式如下：
C＝(c1,…,cm,ac1,…,ack)；
其中，C为约束条件，由2部分组成：c1,…,cm为强度约束，分别对应着空间网的各段网绳的最大应力小于网绳材料的许用应力，空间网3使用的是聚酰胺材料，拉伸弹性模量约2000Mpa，许用拉应力约为200Mpa，牵引块1和舱盖2使用45号钢，材料弹性模量约为196Gpa，泊松比约为0.3；ac1,…,ack为空间网展开过程的效果约束，对应的是在空间网在到达指定位置前的各个时刻空间网展开面积变化率应大于零。
所述S13优化设计变量是指空间飞网装置参数优化的各个设计变量，主要包括空间飞网装置的要进行优化设计的发射速度参数和结构参数，其数学表达式如下：
X＝{x1,x2,x3,x4,x5}；
其中，X为设计变量组，由五个变量组成：x1为空间飞网装置中牵引块的质量，浮点变量，单位为kg，取值范围为0.5～5；x2为空间飞网装置中网舱盖质量，浮点变量，单位为kg，取值范围为0.2～4；x3为空间飞网装置牵引块的发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s，取值范围为10～45；x4为空间飞网装置牵引块的发射角度，浮点变量，单位为度，取值范围为10～60；x5为空间飞网装置网舱盖发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s，取值范围为5～20。
步骤二：S2空间飞网装置展开过程的仿真分析；
所述S2空间飞网装置展开过程的仿真分析是对空间网发射展开过程进行仿真分析和提取优化所需要分析结果，主要包括六个子步骤：S21定义任务参数，S22定义结构尺寸，S23定义空间网的材料属性，S24定义仿真单元属性，S25分析求解和S26结果读取。
所述S21任务参数主要是指空间飞网任务的参数，主要包括捕获的目标的最大展长和距离，捕获目标的最大展长单位为m，取值范围5m～30m，可取目标的最大展长为15m；捕获目标的距离单位为m，取值范围30m～120m，可取目标的距离为60m。
所述S22结构尺寸主要是指空间网的形状、大小、网格密度以及网绳的粗细，例如，正方形网的边长，单位为m，取值为20m～40m；网格密度是指空间网网格疏密程度，通过网边单位为个，取值为整数，取值范围为20～100。
所述S23空间网的材料属性主要是实现空间飞网装置材料属性的定义，主要包括空间网网绳的材料定义、牵引块的材料定义、网舱盖的材料定义，其中材料定义是指指定材料的弹性模量、密度和泊松比等参数，例如：牵引块和舱盖可以选择45号钢或者其他合金钢，网绳材料可选尼龙或者其他复合材料等。
所述S24仿真单元属性主要实现对仿真结构模型单元的定义。主要包括结构仿真模型各部分的单元定义。例如牵引块和网舱盖使用集中质点单元，网绳使用绳索单元。
分析求解S25主要实现空间飞网装置在定义的发射参数下空间网展开过程求解。我们选用求解器对空间网的展开过程求解。其中，求解器选用现有成熟软件。
所述S26结果读取主要实现对分析结果进行处理。在空间飞网装置分析求解完毕后，求解器会输出从空间网发射开始到空间网到达指定距离所经历的时间段内，空间网展开面积和绳索单元的应力等随时间变化的信息。
步骤三：S3空间飞网装置设计变量的试验设计
S3空间飞网装置设计变量的试验设计是实现试验点在求解空间的合理分布的数理统计技术，包括三个子步骤，即选择试验设计方法S31，设置试验设计参数S32和制定试验设计表格S33。
所述S31选择试验设计方法是从数理统计学科中各种试验设计方法中选择其中之一，以明确试验设计点在设计空间分布规律。可选择正交试验设计，正交试验设计是一种快速高效的试验设计方法，是数理统计学科中的一门成熟技术。
所述S32设置试验设计参数是指设置试验设计的因子数和设计变量的水平数，以确定试验设计点的数量和分布。其中，因子数是指设计变量的个数，设计变量的水平数是指试验设计中该设计变量在取值范围选定试验值的个数。选定实验设计方法后，试验设计点的个数取决于因子数和设计变量的水平数。根据所选择的正交试验设计，对于5个设计变量，因子数为5，选定每一个设计变量的水平数为3，可选取水平数为3的常用正交表，以确定试验样本点的个数。试验样本点越多，分布越均匀，越能反映出设计变量与优化目标函数、设计变量与设计约束之间的关系，但相应的计算效率也会越低。
所述S33制定试验设计表格是指根据选择的试验设计方法和试验设计参数设置，指定出试验设计表格。对于5因子3水平的正交试验设计，其试验表格可记为L27(3)因子数为n，每个设计变量的水平数为m的正交试验表格中包含的每一个试验设计点中各个设计变量的具体取值。
在完成以上三个子步骤后，将试验设计表格的设计点进行空间飞网装置展开过程的仿真分析S2。空间飞网装置展开过程的仿真分析S2结束后，获得设计点的仿真结果。
步骤四：构建近似数学函数模型S4
S4构建近似数学函数模型是指根据试验设计得到的设计变量与优化目标函数、设计变量与设计约束之间的关系，利用数学函数拟合，获得可替代空间飞网展开过程分析的近似数学函数模型。构建近似数学函数模型S4包括2个子步骤：选择构建近似数学函数模型的方法S41；拟合数据S42。
所述S41选择构建近似数学函数模型的类型是指选择数据拟合的方法，实现设计变量与优化目标函数、设计变量与设计约束之间的关系的最佳，例如可选择二阶响应面函数近似模型。
所述S42拟合数据是指利用S41选择的方法，对试验设计所有设计方案与结果进行拟合，构建出可替代空间飞网展开过程分析的近似数学函数模型。
步骤五：S5近似模型计算分析
S5近似模型计算分析是指在获得设计方案后，利用近似数学函数模型给出对应的优化目标函数值和设计约束值。
步骤六：S6优化
S6优化主要是实现优化循环与收敛判断的过程，包括S61选择优化路径、S62选择优化算法、S63更新设计方案和S64优化收敛判断这四个子步骤。
S61选择优化路径是指优化过程中从仿真分析和近似数学函数模型两种中选择一种路径获得设计方法的结果反馈。
S62选择优化算法是指针对选择的优化路径，从优化算法中选出一种或多种方法用于优化迭代计算中。
S63更新设计方案是指根据选择的优化算法，计算得出新的设计方案的过程。
S64优化收敛判断是指计算前后两组设计方案所得到的优化目标函数值的差的绝对值，并判断如果结果小于或等于指定收敛精度，则停止优化，最后设计方案为最优设计方案，否则更新设计方案后进行S2空间飞网装置展开过程的仿真分析或者S5近似模型计算分析，获得相应的结果反馈。其中，收敛精度一般选用0.1％～10％，收敛精度越高，优化效果越好，但相应地会延长系统工作时间。
参见图4，本发明空间飞网装置参数优化方法的流程图：
1、根据优化对象空间飞网装置定义优化问题；
2、根据初始设计方案进行仿真分析；
3、选择是否进行试验设计，如果进行试验设计，进入下一步，否则进入第17步；
4、制定空间飞网装置系统参数试验设计方案表；
5、对试验设计方案表中的方案进行仿真分析；
6、判断是否所有的方案仿真都完成，若已完成则进入下一步，否则继续回到第5步对下一个试验设计方案进行仿真分析；
7、选择是否构建近似模型，如果是则进入下一步，否则进入第18步；
8、构建近似模型；
9、将试验点中最佳结果点作为优化的初始点；
10、选择优化算法；
11、根据所选择的优化算法，更新设计点；
12、将新的设计点的代入近似模型进行计算分析；
13、判断优化计算是否收敛，若优化不收敛则返回第11步，若优化已经收敛表明已经求解最优解，则进入下一步；
14、将优化得到的最优点进行仿真分析；
15、判断最优点是否可信，若可信则结束，若不可信，则返回第5步；
16、将试验点中最佳结果点作为优化的初始点；
17、选择优化算法；
18、根据所选择的优化算法，更新设计点；
19、对设计点进行仿真分析；
20、判断优化计算是否收敛，若优化不收敛则返回第18步，若优化已经收敛表明已经求解最优解，则结束优化。
综上所述，本发明一种空间飞网装置参数优化方法包括以下六个步骤：S1空间飞网装置参数优化模型定义；S2空间飞网装置展开过程的仿真分析；S3空间飞网装置设计变量的试验设计；S4构建近似数学函数模型；S5近似模型计算分析；S6优化。
Claims (2)
1.一种空间飞网装置参数优化设计系统，其特征在于：它包括以下4个部分：OPSNCSV1.0人机交互模块M1，OPSNCS V1.0控制与计算模块M2，OPSNCS V1.0数据库模块M3和OPSNCS V1.0后处理模块M4；OPSNCS V1.0人机交互模块M1将用户输入的优化模型的参数、运行环境参数和软件运行控制指令信息记录并传递给OPSNCS V1.0控制与计算模块M2，OPSNCS V1.0控制与计算模块M2根据这些信息从OPSNCS V1.0数据库模块M3选择优化算法、试验设计方法、近似模型函数，再通过OPSNCS V1.0控制与计算模块M2的优化子模块更新设计点，OPSNCS V1.0控制与计算模块M2的仿真分析子模块计算新设计点的仿真结果，通过这种循环计算获得最优设计点；OPSNCS V1.0后处理模块M4读取最优设计点、最优设计和寻优过程的信息，并进行分析；用户可通过OPSNCS V1.0人机交互模块M1查看OPSNCS V1.0后处理模块M4分析与汇总的结果；
所述OPSNCS V1.0人机交互模块M1是用户对软件进行设置、控制与查看的模块，包括以下三个子模块：优化定义模块M11，运行环境参数设置模块M12，软件运行控制工具M13，它们之间是相互并列的关系；
该优化定义模块M11是对空间飞网装置参数优化中设计变量、优化目标和设计约束的定义；在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置中牵引块、舱盖和空间网的发射参数共6个设计变量，数学表达如下：X＝{mTm，mh，vTm，θTm，vh}；
其中，X为设计变量组，由五个变量组成：mTm为空间飞网装置中牵引块的质量，浮点变量，单位为kg；mh为空间飞网装置中网舱盖的质量，浮点变量，单位为kg；vTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s；θTm为空间飞网装置中牵引块发射速度的角度，浮点变量，单位为度；vh为空间飞网装置中牵引块发射速度的大小，浮点变量，单位为m/s；各变量的取值范围需要根据空间飞网装置的结构、材料、工况以及捕获任务设定；在优化定义模块M11中，定义了空间飞网装置参数优化目标，也即通过优化设计变量，使得空间网在指定距离处展开到最大面积，数学表达如下：Max(A)
其中，A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2；在优化定义模块M11中，定义了设计约束，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网面积收缩和空间网缠绕的情况，以空间网在到达指定位置前展开面积变化率大于零作为约束；其数学表达式如下：C＝(c1,…,cm,ac1,…,ack)；
其中，C为约束条件，由2部分组成：c1,…,cm为强度约束，分别对应着空间网的各段网绳的最大应力小于网绳材料的许用应力；ac1,…,ack为空间网展开过程的效果约束，对应的是在空间网在到达指定位置前的各个时刻空间网展开面积变化率应大于零；各约束具体取值与空间网的材料属性、发射参数有关；
该运行环境参数设置模块M12是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCS V1.0运行环境进行设置的模块，包括求解器的选择、文件存储路径的设置；
该软件运行控制工具M13是对空间飞网装置参数优化系统OPSNCS V1.0运动过程的检查、开始、中止、终止过程的控制模块；
所述OPSNCS V1.0控制与计算模块M2是空间飞网装置参数优化系统的核心模块，实现对优化过程中数据的管理与控制；OPSNCS V1.0控制与计算模块M2包括以下三个子模块：数据管理模块M21，优化模块M22以及仿真分析模块M23，它们之间是相互并列的关系；
该数据管理模块M21实现空间飞网装置参数优化过程数据流的控制，以及访问空间飞网装置参数优化系统的数据库模块M3；该优化模块M22是利用数据管理模块M21选择的优化算法计算出下一个设计方案的程序模块；该仿真分析模块M23是对设计方案进行空间网装置展开过程的仿真与分析；
所述OPSNCS V1.0数据库模块M3包括三个子模块：优化算法库M31，试验设计方法库M32，近似模型函数库M33；它们之间是相互并列的关系；该优化算法库M31是包括常用的全局算法和常用的梯度算法；该试验设计方法库M32是包括常用的试验设计方法的方法数据库；该近似模型函数库M33是包括数据拟合常用函数的函数数据库；
所述OPSNCS V1.0后处理模块M4包括两个子模块：结果读取模块M41和结果分析模块M42；它们之间是相互并列的关系；
该结果读取模块M41是在优化循环停止后，查询优化和仿真结果文件并提取最优设计结果的程序模块；该结果分析模块M42是根据结果读取模块M41读取到的信息，分析优化结果的可信度的程序模块。
2.一种空间飞网装置参数优化方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：空间飞网装置参数优化模型定义S1；
其中，优化模型S1的定义包括优化目标函数S11，优化约束条件S12，优化设计变量S13，三者之间是并列关系；
优化目标函数S11是指空间飞网装置参数优化的目标，也就是空间网在指定距离处展开到最大面积，其数学表达式如下：Max(A)；
其中，A为空间网在指定位置处展开的面积，单位为m2；
优化约束条件S12是指空间飞网装置参数优化的约束条件，分别从空间网的强度和展开过程的效果出发，强度满足空间网的材料性能，以空间网的最大内应力小于材料的许用应力作为约束，展开效果要求空间网在展开过程中不出现空间网面积收缩和空间网缠绕的情况，以空间网在到达指定位置前展开面积变化率大于零作为约束；其数学表达式如下：
C＝(c1,…,cm,ac1,…,ack)；
其中，C为约束条件，由2部分组成：c1,…,cm为强度约束，分别对应着空间网的各段网绳的最大应力小于网绳材料的许用应力；ac1,…,ack为空间网展开过程的效果约束，对应的是在空间网在到达指定位置前的各个时刻空间网展开面积变化率应大于零；各约束具体取值与空间网的材料属性、发射参数有关；
优化设计变量S13是指空间飞网装置参数优化的各个设计变量，包括空间飞网装置的要进行优化设计的发射速度参数和结构参数，其数学表达式如下：
X＝{x1,x2,x3…xn}；
其中，X为设计变量组，由复数个变量组成：x1为空间飞网装置中牵引块的质量，单位为kg；x2为空间飞网装置中网舱盖质量，单位为kg；x3为空间飞网装置牵引块的发射速度的大小，单位为m/s；x4为空间飞网装置牵引块的发射角度，单位为度；x5为空间飞网装置网舱盖发射速度的大小，单位为m/s；x6为空间飞网装置中牵引块和网舱盖发射时间差，单位为s；
步骤二：空间飞网装置展开过程的仿真分析S2；
空间飞网装置展开过程的仿真分析S2是对空间网发射展开过程进行仿真分析和提取优化所需要分析结果，包括六个子步骤：定义任务参数S21，定义结构尺寸S22，定义空间网的材料属性S23，定义仿真单元属性S24，定义载荷工况S25，分析求解S26和结果读取S27；
定义任务参数S21是指空间飞网任务的参数，包括捕获的目标的最大展长和距离，捕获目标的最大展长单位为m，取值范围5m～30m；捕获目标的距离单位为m，取值范围30m～120m；
定义结构尺寸S22是指空间网的形状、大小、网格密度以及网绳的粗细，正方形网的边长，单位为m，取值为20m～40m；网格密度是指空间网网格疏密程度，通过网边单位为个，取值为整数，取值范围为20～100；
定义空间网的材料属性S23是实现空间飞网装置材料属性的定义，包括空间网网绳的材料定义、牵引块的材料定义、网舱盖的材料定义，其中材料定义是指指定材料的弹性模量、密度和泊松比参数；
定义仿真单元属性S24实现对仿真结构模型单元的定义，包括结构仿真模型各部分的单元定义；牵引块和网舱盖使用集中质点单元，网绳使用绳索单元；
定义分析求解S25实现空间飞网装置在定义的发射参数下空间网展开过程求解，选用求解器对空间网的展开过程求解，其中，求解器选用现有成熟软件；
定义结果读取S26实现对分析结果进行处理，在空间飞网装置分析求解完毕后，求解器会输出从空间网发射开始到空间网到达指定距离所经历的时间段内，空间网展开面积和绳索单元的应力随时间变化的信息；
步骤三：空间飞网装置设计变量的试验设计S3
空间飞网装置设计变量的试验设计S3是实现试验点在求解空间的合理分布的数理统计技术，包括三个子步骤，即选择试验设计方法S31，设置试验设计参数S32和制定试验设计表格S33；
定义选择试验设计方法S31是从数理统计学科中各种试验设计方法中选择其中之一，以明确试验设计点在设计空间分布规律；
定义设置试验设计参数S32是指设置试验设计的因子数和设计变量的水平数，以确定试验设计点的数量和分布；其中，因子数是指设计变量的个数，设计变量的水平数是指试验设计中该设计变量在取值范围选定试验值的个数；选定实验设计方法后，试验设计点的个数取决于因子数和设计变量的水平数；
定义制定试验设计表格S33是指根据选择的试验设计方法和试验设计参数设置，指定出试验设计表格；
在完成以上三个子步骤后，将试验设计表格的设计点进行空间飞网装置展开过程的仿真分析S2，空间飞网装置展开过程的仿真分析S2结束后，获得设计点的仿真结果；
步骤四：构建近似数学函数模型S4
构建近似数学函数模型S4是指根据试验设计得到的设计变量与优化目标函数、设计变量与设计约束之间的关系，利用数学函数拟合，获得可替代空间飞网展开过程分析的近似数学函数模型；构建近似数学函数模型S4包括2个子步骤：选择构建近似数学函数模型的方法S41；拟合数据S42；
定义选择构建近似数学函数模型的类型S41是指选择数据拟合的方法，实现设计变量与优化目标函数、设计变量与设计约束之间的关系的最佳；
定义拟合数据S42是指利用S41选择的方法，对试验设计所有设计方案与结果进行拟合，构建出可替代空间飞网展开过程仿真分析的近似数学函数模型；
步骤五：近似模型计算分析S5
近似模型计算分析S5是指在获得设计方案后，利用近似数学函数模型给出对应的优化目标函数值和设计约束值；
步骤六：优化S6
优化S6是实现优化循环与收敛判断的过程，包括选择优化路径S61、选择优化算法S62、更新设计方案S63和优化收敛判断S64这四个子步骤；
选择优化路径S61是指优化过程中从仿真分析和近似数学函数模型两种中选择一种路径获得设计方法的结果反馈；
选择优化算法S62是指针对选择的优化路径，从优化算法中选出一种或多种方法用于优化迭代计算中；
更新设计方案S63是指根据选择的优化算法，计算得出新的设计方案的过程；
优化收敛判断S64是指计算前后两组设计方案所得到的优化目标函数值的差的绝对值，并判断如果结果小于或等于指定收敛精度，则停止优化，最后设计方案为最优设计方案，否则更新设计方案后进行空间飞网装置展开过程的仿真分析S2或者近似模型计算分析S5，获得相应的结果反馈；其中，收敛精度选用0.1％～10％，收敛精度越高，优化效果越好，但相应地会延长系统工作时间。
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| Deployment dynamics of a simplified spinning IKAROS solar sail via absolute coordinate based method;jiang zhao etal.;《Acta Mechanica Sinica》;20131231;第1卷(第29期);132-142 * |
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