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2019年  第45卷  第7期

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2019年, 第45卷, 第7期
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论文
动量轮微振动机理及仿真
马艳红, 刘珊珊, 王虹, 洪杰
2019, 45(7): 1273-1282. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0608
摘要:

动量轮是卫星等航天器姿态控制和精度保持的关键机械部件,其微振动严重影响卫星姿态稳定度和成像精度。动量轮的非均匀、非连续几何构形和旋转效应会引起结构系统的参数激励和载荷激励。针对具有非均匀力学特征参数的动量轮结构系统动力学模型,通过分析动力学方程中各矩阵参数的扰动,进行动量轮微振动机理的研究。仿真和试验结果表明:动量轮结构系统内部存在基频和高频激励,其中基频主要来自支点动载荷,高频来自轴承碾压作用;轮缘的局部振动会随转速形成前后行波。

基于挂钩力模型的拖挂式房车同步制动控制
徐兴, 糜杰, 文楚玥, 王峰, 马世典, 陶涛
2019, 45(7): 1283-1293. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0658
摘要:

为了提升拖挂式房车制动时牵引车与房车的制动同步性能,结合纵向挂钩力观测器提出一种制动协调控制方法。分析牵引车-房车直线制动运动学特性,考虑电磁制动器机电耦合特性以及球头挂钩柔性连接特性,建立牵引车-房车直线协调制动模型;采用牵引车速度/加速度等低成本传感器所获得的信号数据,基于卡尔曼滤波算法,设计了拖挂式房车纵向挂钩力估计器;引入终端滑模变结构控制算法,建立纵向挂钩力估计值与目标值误差动力学方程,使纵向挂钩力准确跟随目标值,并在此基础上开发了拖挂式房车制动同步控制器。仿真和实车测试结果均表明,所提出的估计方案能准确跟踪拖挂式房车的纵向挂钩力;与其他常规方法相比,所采用的控制方法使得牵引车与房车在制动期间最大挂钩力值小于3 kN,有效保证两者制动的稳定性。

基于速度障碍法的飞行冲突解脱与恢复策略
王泽坤, 吴明功, 温祥西, 蒋旭瑞, 高阳阳
2019, 45(7): 1294-1302. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0650
摘要:

针对飞行中的冲突解脱和航迹恢复问题,在速度障碍法模型的基础上提出了一种几何优化的方法,并对这个问题进行了严格的数学描述。首先根据飞机之间的相对位置和速度关系,确定其冲突类型,以及是否满足各解脱策略的条件,选取相应的解脱策略,待冲突解脱完成后,飞机恢复至原航线飞行。然后通过几何分析,理论推导,该模型能够有效解决飞行冲突,并且具体给出冲突解脱和航迹恢复的位置。最后在仿真中,所提方法根据不同场景能够自主选择冲突解脱策略,结果显示该方法简单高效,并且在航迹恢复过程中不引入新的飞行冲突。

面向复杂系统的三维Bayes网络测试性验证模型
史贤俊, 王康, 肖支才, 龙玉峰, 陈垚
2019, 45(7): 1303-1313. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0663
摘要:

针对当前武器装备复杂的系统结构,现有基于装备整机系统测试性先验信息的测试性验证方法难以适用,基于分系统测试性先验信息的测试性验证方法不能系统有效地处理先验信息,导致测试性验证结果可信度不高的问题,提出一种面向复杂系统的三维Bayes网络测试性验证模型。该模型能充分运用装备各层级结构中所蕴含的条件独立性,有效降低构建Bayes网络模型的复杂度,同时能融合装备各层级单元的先验信息。通过给出的三维Bayes网络的条件概率学习方法及G/M-H算法,由底层单元数据通过模型逐步向上融合,得到顶层测试性指标的后验分布,进一步利用顶层后验分布求取故障样本量。结果表明:该模型能充分考虑复杂系统的系统结构及各层级单元先验信息,并能通过模型推理得到的指标后验分布达到有效减少测试性验证故障样本量的目的。

航空柱塞泵缸体疲劳分析及寿命预测方法
王岩, 王晓晴, 郭生荣, 卢岳良, 刘胜
2019, 45(7): 1314-1321. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0646
摘要:

缸体是航空柱塞泵核心部件之一,其直接影响航空柱塞泵的功能。针对目前缸体寿命研究的实验周期长、缺乏理论分析方法的不足,提出了基于有限元分析和线性累积损伤理论的缸体疲劳分析和寿命预测方法。首先,基于理论力学和材料力学建立缸体的力学模型,在MATLAB平台上进行仿真分析,计算缸体受力;其次,建立缸体的有限元模型,在ANSYS平台上计算缸体的应力和应变;然后,将缸体应力、应变等结果导入nCode中,基于线性累积损伤理论,探究缸体的薄弱部位及影响缸体疲劳寿命的因素;最后,进行实验验证。结果表明,靠近配流盘一侧的柱塞腔外壁较为薄弱,容易出现疲劳破坏,与仿真结果基本吻合,验证了所提的缸体疲劳分析和寿命预测方法的正确性,为结构紧凑型柱塞泵缸体的设计提供参考。

基于CUDA的超声二维声场EFIT仿真
宋波, 李威, 廉国选
2019, 45(7): 1322-1328. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0675
摘要:

随着图形处理器(GPU)的快速发展,基于计算设备统一构架(CUDA)可以方便地将并行计算技术应用于超声声场数值仿真计算,极大地提升计算效率。阐述了弹性动力学有限积分算法(EFIT)的原理,在采用CPU实现带吸收边界的钢材料二维点源激励声场仿真的基础上,基于GPU实现了仿真模型的并行计算,介绍了GPU程序的设计流程和参数优化方法,包括纹理内存使用、吸收边界优化和数据传输优化。对比了相同条件下CPU和GPU仿真计算的耗时和平均计算效率,定量分析了GPU对于EFIT模型效率的提升。比对结果表明,EFIT具有良好的并行计算条件,采用并行计算方法能够有效提升模型计算速度,对于复杂声场仿真应用具有广阔的应用前景。

基于生成对抗网络的航天异常事件检测方法
张克明, 蔡远文, 任元
2019, 45(7): 1329-1336. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0682
摘要:

航天环境复杂,技术难度大,风险高,安全可靠性要求苛刻。航天异常事件样本少,且难以获取,有针对性地开展异常事件检测(AED)很有必要。为预防航天事故,尽早发现可能导致故障的异常事件,深入研究了最新人工智能和生成对抗网络(GAN)技术,提出了一种基于生成对抗网络的航天异常事件检测方法。使用正生成对抗网络模拟生成正常事件样本,训练反生成对抗网络模拟生成异常事件样本,设计合理算法训练测试,计算输入事件与正生成对抗网络生成的模拟正常事件欧氏距离,以及输入事件与反生成对抗网络生成的模拟异常事件的欧氏距离差,实现对异常事件的精确检测。通过在美国国家标准与技术研究所数据库(MNIST)数据集全部使用正常数据训练,并对异常事件检测性能进行了试验验证,试验结果表明:在MNIST数据集下,精确率和召回率综合评价指标(F1)及精确率和召回率曲线下面积(PRC)等关键技术指标比变分自动编码器(VAE)方法相应指标性能至少分别提升了31%和11%。在真实环境下采集的模拟航天音频数据试验,异常事件检测性能良好,进一步证实了所提方法真实可用。

基于非线性模态的复杂系统动力学特性分析方法
黄行蓉, 刘久周, 李琳
2019, 45(7): 1337-1348. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0643
摘要:

针对非线性问题计算方法复杂和计算时间冗长一直是动力学领域的难点问题,给出了一套简单、准确、高效的非线性模态分析方法,对于常见的非线性系统(如杜芬系统、干摩擦系统和非线性材料等)均适用,具有一般性。首先,给出所提方法的基本理论与分析流程;然后,以杜芬系统为例阐述了其在非线性实模态域的应用,以干摩擦系统为例描述了其在非线性复模态域的应用,以压电系统为例展示了其在多场耦合域的应用;最后,给出了基于该理论对大型复杂非线性系统求解时的减缩方法。所提方法的核心在于建立非线性模态参数关于模态幅值的变化规律,不仅将系统的稳态响应求解问题简化为一维代数问题,极大地简化了数值计算过程,而且有助于分析、理解系统的非线性动力学行为。将所提方法与模态综合法结合,可用于高效求解大型复杂非线性系统动力学特性。

车路协同系统下区域路径实时决策方法
王庞伟, 邓辉, 于洪斌, 李振华, 王力
2019, 45(7): 1349-1360. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0613
摘要:

为解决车辆行驶数据缺失和滞后造成路径规划系统不稳定问题,建立了基于车路协同系统(CVIS)的新型区域路径实时决策方法。首先,通过获取网联车辆的实时行驶数据,结合交通信号配时和路径转向信息,并考虑车辆在途经交叉口时可能遇到的非自由流行驶情况,动态计算当前路段路阻值;其次,根据当前时刻各路段的路阻统计数据,以及区域路网拓扑结构,实时预测各备选路线的行程时间,选择行程时间最少的路线作为车辆最优行驶路径;最后,选取北京市望京地区的典型区域路网数据进行验证。在150组实验过程中,计算得出不同时段下按所提方法得到的最优路线用时平均比常规导航系统推荐最优路线用时分别短9.52 s、13.39 s及20.65 s,证明了所提方法的有效性。

六相永磁同步电机驱动控制方式
匡晓霖, 徐金全, 黄春蓉, 李嘉科, 郭宏
2019, 45(7): 1361-1369. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0695
摘要:

多相永磁同步电机(PMSM)的驱动控制方式主要包括余度和容错两种形式,为明晰多相永磁同步电机采用两种不同驱动控制方式所带来的性能差异,基于一个六相永磁同步电机,分别建立了余度和容错两种永磁同步电机驱动控制系统。在此基础上,分析研究了余度和容错两种驱动控制方式对六相永磁同步电机系统调速范围和动态性能的影响机理及影响规律。仿真和实验结果表明:相比于余度驱动控制,六相永磁同步电机采用容错驱动控制方式时具有更宽的调速范围及更好的动态性能。

一种基于改进KELM的在线状态预测方法
朱敏, 许爱强, 陈强强, 李睿峰
2019, 45(7): 1370-1379. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0685
摘要:

针对核超限学习机(KELM)在线状态预测过程中,核矩阵阶数不断增长且难以跟踪时变动态特征的问题,提出了一个具有遗忘因子的稀疏KELM在线状态预测方法。通过引入遗忘因子构建新的目标函数,使稀疏字典中各元素依据时间远近具有不同权重,保证了模型对动态变化的有效跟踪;通过最小化字典的快速留一交叉验证(FLOO-CV)误差,选择具有预定规模的关键节点构成字典;基于当前字典,通过矩阵初等变换和分块求逆,实现相关参数的递推更新。某型飞机发动机的状态预测结果表明,与目前已有的3种在线序贯KELM相比,所提方法在6个监测项目上的平均训练时间分别缩短了7.5%、62.0%和81.9%,平均预测精度分别提升了44.0%、19.9%和50.9%。

裂纹矩张量反演的传感器排布形式
孔岳, 李敏, 陈伟民
2019, 45(7): 1380-1387. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0705
摘要:

裂纹矩张量反演方法利用声发射信号求解裂纹信息,是一种有效的裂纹扩展实时监测方法。在工程应用中,传感器接收到的声发射信号总包含一定比例的噪声。噪声信号会影响矩张量反演精度,甚至导致错误结果。研究通过优化传感器排布形式来降低噪声对矩张量反演精度的影响。基于矩张量初至波反演方法,分析了传感器位置选择的理论基础。进而利用人工合成声发射信号,定量研究了在不同传感器排布形式下,矩张量反演精度对噪声的敏感度。结果表明:正五边形传感器排布形式具有较好的精度表现,这种排布形式将5个传感器布置在一个圆环上,相邻传感器的传感器-圆心连线的夹角为72°,第6个传感器布置在圆心。此时矩张量求解方程的条件数较小,当声发射信号幅值因为噪声发生变化时,求解结果具有较高的精度和稳定性。研究针对矩张量反演中的传感器位置选择问题,为相关工程实践提供了建议和理论依据。

基于快速自适应超螺旋算法的制导律
刘畅, 杨锁昌, 汪连栋, 张宽桥
2019, 45(7): 1388-1397. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0654
摘要:

针对地空导弹攻击机动目标的制导律设计问题,提出了一种有限时间稳定的新型二阶滑模制导律。在弹目相对运动模型的基础上,将制导问题转化为一阶系统的控制问题。在超螺旋(ST)算法中引入线性项和一种新的参数自适应律,提出了一种快速自适应超螺旋(FAST)算法,该算法不需要已知系统不确定性的边界且收敛速度较快。利用类二次型Lyapunov函数证明了系统有限时间稳定性,给出了收敛时间估计公式。通过与自适应滑模制导律、ST制导律和光滑二阶滑模制导律的仿真对比,验证了所设计的制导律在保证制导精度的同时,能够在有限时间内提高滑模变量的收敛速度,并且避免了参数选择困难的问题。

一种多层次制造服务建模和组合优选方法
丁涛, 闫光荣, 雷毅, 徐翔宇
2019, 45(7): 1398-1405. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0630
摘要:

为提高云制造环境下服务建模和组合优选的准确性,首先将制造服务分多个层次进行描述,从资源服务、功能服务和流程服务3个层次进行建模。然后针对多层次服务模型,采用服务执行时间、服务花费成本和服务用户评价等因素构建服务组合优选的质量评估函数。为解决多层次服务的组合优选问题,提出一种改进引力搜索算法(NGSA),将小生境中的拥挤度因子和适应值共享技术引入传统引力搜索算法(GSA)以提高收敛速度和准确性。算例验证表明,相比传统的遗传算法(GA)和粒子群优化(PSO)算法,NGSA能在较短的时间内收敛,且最优解的匹配准确度更高。

基于信道复用方法的GNSS共视信号模拟
李博闻, 蔚保国, 张波, 韩华, 宋伟, 吴迪
2019, 45(7): 1406-1414. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0631
摘要:

全球导航卫星系统(GNSS)共视(CV)技术应用中需要对GNSS共视信号进行模拟仿真,可以降低对共视接收机和共视算法进行测试过程中的成本。为此,提出了一种基于信道复用方法的GNSS共视信号的双路信号模拟方法。首先,对GNSS共视技术原理进行了分析。然后,根据GNSS直射信号的模拟思路,设计了基于GNSS直射信号模拟器的GNSS共视信号模拟方法,对共视信号传播过程中可能产生的误差进行了分析。最后,对零基线、短基线、长基线3种场景下仿真的共视信号,以及实场采集的试验数据进行了验证分析。验证的结果表明,仿真的GNSS共视信号定位准确,定位精度在米级;共视比对结果均方根值(RMS)精度优于12 ns,可以进行共视法时间传递,证明了提出的共视信号模拟方法能够有效地用于GNSS共视信号生成。对GNSS共视信号模拟器、共视接收机的研制和共视算法的研究具有一定的理论参考意义和实际应用价值。

地外天体起飞羽流导流气动力效应仿真
苏杨, 蔡国飙, 舒燕, 叶青, 张明星, 贺碧蛟
2019, 45(7): 1415-1423. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0660
摘要:

探测器自地外天体采样返回过程中,发动机羽流作用于起飞平台后返流至起飞器表面,产生气动力效应及干扰力矩。针对圆锥形羽流导流结构,利用计算流体力学/直接模拟蒙特卡罗(CFD/DSMC)耦合方法,对起飞器距离起飞平台200~700 mm,偏转角度0°~5°范围内的羽流导流气动力效应进行了仿真计算。计算结果表明,随着上升距离增加和偏转角度增大,起飞器受到的力矩出现了反向增加现象,严重影响起飞稳定。研究发现,上述现象产生的主要原因为偏转角度增加时,起飞器距离起飞平台较远一侧的羽流与起飞平台作用点由圆锥导流结构逐渐偏移至平面位置,导致羽流作用于起飞平台后的流动方向由贴近起飞平台向侧面流动急剧转变为反弹至起飞器底面方向流动,从而使远离起飞平台的一侧所受力矩高于靠近起飞平台一侧,产生反向力矩。

混合式惯导系统姿态四元数连续自标定模型
王琪, 汪立新, 周小刚, 沈强
2019, 45(7): 1424-1434. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0691
摘要:

混合式惯导系统作为一种新型惯导系统,具有三轴全姿态物理平台、捷联姿态算法和系统装机自标定等特点。针对以上特点,为提高其导航定位精度,在混合式惯导系统框架角约束方程的基础上,利用姿态四元数代替欧拉角描述混合式惯导系统中三轴物理平台的转动,建立了一种混合式惯导系统姿态四元数连续自标定模型对其进行误差系数标定。针对该模型的特点,对传统的无迹卡尔曼滤波(UKF)算法进行改进,提出了一种基于奇异值分解的四元数无迹卡尔曼滤波(SVD-QUKF)算法进行模型误差系数辨识。仿真和试验结果表明,基于SVD-QUKF算法,四元数连续自标定模型能够以低于1%的相对误差标定出混合式惯导系统所有的误差系数,在标定精度和计算速度上相比基于传统UKF算法的框架角自标定模型都具有一定优势。

自适应关联波门机动群目标跟踪算法
杜明洋, 毕大平, 潘继飞, 王渊博
2019, 45(7): 1435-1443. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0668
摘要:

为解决中心群跟踪(CGT)算法中由于群机动造成的量测丢失、估计误差增大的问题,提出了一种基于自适应关联波门的机动群目标跟踪算法。首先,将CGT算法与交互式多模型(IMM)算法结合,并利用最新量测信息对IMM算法中的转移概率矩阵进行实时修正。其次,设计了一种用于整体机动和分离机动的自适应关联波门,根据机动时刻模型的新息协方差对其进行自适应调整,确保量测点迹进入波门。仿真结果表明,所提算法一方面减小了传统固定转移概率矩阵带来的估计误差,将优势模型的平均概率由0.58增加到了0.7;另一方面,设计的自适应关联波门有效解决了目标机动带来的有效量测减少的问题,相比于传统波门,目标失跟率减少了30%,具备工程实用性。

一类反馈型非线性系统的跟踪控制
虞江航, 徐军, 黄雨可
2019, 45(7): 1444-1450. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0688
摘要:

为了完成对一类反馈型非线性系统的控制,研究了该类非线性系统。首先,根据LaSalle不变性原理论证了一类自治系统收敛的引理。然后,引入误差函数,通过误差函数的Lyapunov函数寻找使得误差函数渐近稳定的控制器,再根据引理得出系统状态所跟踪的轨迹全部收敛,从而使得系统状态均有界,系统的输出趋于输入;论述了控制器使系统状态稳定的条件,给出了闭环系统稳定性的证明。最后,给出了一个固定翼飞机纵向运动飞行控制系统的算例,并且按照所提的方法设计了控制器,在MATLAB的Simulink模块下进行了仿真验证。结果表明,对于阶跃信号和正弦信号,所提出的控制方法能够使得飞机俯仰角快速收敛跟踪指令。

随机误差对容腔瞬态换热试验影响分析及抑制
丁水汀, 邓长春, 邱天, 李江涵, 单晓明, 贺宜红
2019, 45(7): 1451-1458. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0598
摘要:

针对容腔瞬态换热试验中测试数据的随机误差被数据处理的差分过程放大的问题,定量分析了随机测试误差对换热特性的影响,并提出抑制方法。结果表明:容腔内壁面对流换热特性误差对瞬态温度随机误差最为敏感,导致换热特性试验结果不确定度高。将改进经验模态分解(EMD)算法应用于数据差分处理过程中可以有效抑制测试随机误差对换热特性的影响。在容腔充气过程中,采用误差抑制方法后,容腔壁面换热特性的最大误差从129.07%降到63.62%,时均误差从25.24%降到8.12%。

进动弹道目标平动补偿与分离
韩立珣, 田波, 冯存前, 贺思三
2019, 45(7): 1459-1466. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0641
摘要:

弹道目标在中段高速运动时会造成微多普勒曲线的叠加折叠,此时传统的平动补偿方法并不适用于弹道目标。在分析进动锥体弹道目标各个散射点的频率特性后,发现曲线交点处的频率完全是由平动引起的。根据这一特性,提出一种利用时频图交点信息进行平动补偿的方法。首先,得到回波信号的时频骨架图;然后,采用基于双边滤波器的Harris角点检测方法提取出时频骨架中的角点进而得到时频图中的交点坐标;最后,利用交点坐标估计出平动参数进行平动补偿。针对传统Viterbi算法在曲线交点容易产生错误关联的问题,提出一种利用交点信息的分段Viterbi算法对补偿后的时频曲线进行分离。仿真实验验证了所提方法的有效性。

一种低轨遥感卫星按需数据传输机制
毕梦格, 徐伟琳, 侯蓉晖
2019, 45(7): 1467-1473. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0609
摘要:

针对现有低轨(LEO)遥感卫星数据下行机制普遍存在的低效率、高时延、传输路径易损等问题,提出了一种新型的遥感数据传输机制。所提机制中,支持地面站按需实时定位遥感影像资源,并建立定位卫星到达地面站的传输路径;在建立传输路径时,考虑到协作卫星与地面的可视时间有限,提出了以路径持续服务时间最大化为度量的路由算法,降低因协作卫星改变而引入的传输时延。基于NS3仿真平台实现了所设计的数据传输机制,实验表明,提出机制相比现有数据传输机制可降低数据传输时延,减少数据丢失。

含初始裂缝水泥混凝土路面对冲击荷载响应分析
陈扬, 童朝霞, 冯锦艳, 高政国
2019, 45(7): 1474-1480. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0639
摘要:

冲击荷载对水泥混凝土路面的破坏与普通交通荷载有很大不同。采用数值模拟方法,探索了冲击荷载作用下面层具有不同初始裂缝长度和位置的水泥混凝土路面的动态响应特性。研究发现水泥混凝土路面最终扩展的裂缝长度和沉降随初始裂缝长度的增加而增大,随初始裂缝与荷载作用中心距离的增加而减小。当初始裂缝长度与面层厚度的比超过某一值时,水泥混凝土路面会产生贯穿性的裂缝。初始裂缝长度的不同主要影响的是面层以下约5倍水泥混凝土面层厚度范围内石灰土和黄土的压缩变形。初始裂缝长度和位置的不同对荷载作用中心1 m范围内水泥混凝土路面的沉降有较显著的影响。

中国CNG/汽油两用燃料汽车全生命周期评价
胡守信, 李兴虎
2019, 45(7): 1481-1488. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0659
摘要:

基于GaBi软件建立了压缩天然气(CNG)/汽油两用燃料汽车全生命周期评价模型,利用该模型分析了两用燃料汽车从原材料获取到报废回收各阶段的能耗和排放,以及全生命周期能耗和排放对CNG-汽油使用里程比、整车总使用里程和电力结构的敏感性。研究结果表明:全生命周期内,使用阶段能耗和污染物排放最多,占全生命周期的50%以上;主要污染物为CO、NOx和SO2等;CNG/汽油两用燃料汽车在成本较低的情况下可有效降低环境影响,但发展CNG专用汽车则对节能减排更为有利;实施报废汽车回收利用、增大CNG使用里程比、提高利用可再生能源发电的比例可有效降低全生命周期的能耗和排放。

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