摘 要：本文介紹了基于Matlab語(yǔ)言環(huán)境下的多種算法，主要詳細(xì)地介紹了模擬退火算法以及其運(yùn)用于求解超音速飛行器氣動(dòng)外形參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題的原理。主要闡述了飛行器設(shè)計(jì)的多參數(shù)決策matlab的模擬算法的基本原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，運(yùn)用Matlab語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行器設(shè)計(jì)的多參數(shù)決斷。數(shù)值仿真的結(jié)果表明了該方法能夠?qū)瘮?shù)進(jìn)行全局尋優(yōu)，有效克服了基于導(dǎo)數(shù)的優(yōu)化算法容易陷入局部最優(yōu)的問(wèn)題。該方法既可以增加對(duì)Matlab語(yǔ)言的了解又可以加深對(duì)模擬飛行器設(shè)計(jì)的多參數(shù)決策過(guò)程的認(rèn)識(shí)，并達(dá)到以此來(lái)設(shè)計(jì)智能系統(tǒng)的目的。

關(guān)鍵詞：Matlab語(yǔ)言；飛行器設(shè)計(jì)；多參數(shù)決策

中圖分類(lèi)號(hào)：V221.2

高精密飛行器的成功設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在初步設(shè)計(jì)的階段，必須依據(jù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)，設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，同時(shí)使用有效的工程數(shù)值方法。與此同時(shí)，必須使計(jì)算和在此計(jì)算的基礎(chǔ)上的決策方法得到合理的設(shè)計(jì)，所以為了使得設(shè)計(jì)方案獲得最佳，還需要再進(jìn)一步的夯實(shí)基礎(chǔ)。在一個(gè)系統(tǒng)工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何把一個(gè)實(shí)際的工程問(wèn)題量化為一系列具體的抽象模型并在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化模型設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足工程的參數(shù)和工程對(duì)象的性能指標(biāo)要求是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。如果要在以實(shí)際工程的設(shè)計(jì)指標(biāo)為基礎(chǔ)下進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，就必須要掌握扎實(shí)的、充分的基于優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和策略的基本理論知識(shí)和轉(zhuǎn)化應(yīng)用的靈活思維，在此前提下，如果具備一定的飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)則對(duì)工程模型的優(yōu)化處理更為有利[1]。

至于優(yōu)化工具方面，解決解析問(wèn)題非常有效的算法是擬牛頓法、序列二次規(guī)劃等，但是僅能得到局部最優(yōu)解。如果運(yùn)用優(yōu)化工具箱來(lái)求解沒(méi)有解析形式、非線(xiàn)性的工程優(yōu)化問(wèn)題，它或許就是一種非常有效的解決問(wèn)題的工具。實(shí)際情況是如果優(yōu)化方法選擇優(yōu)化工具箱提供的約束極小化方法時(shí)，那么得到的結(jié)果往往并不是很理想。正是基于這個(gè)出發(fā)點(diǎn)，

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)所公開(kāi)的相關(guān)資源的學(xué)習(xí)參考基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際的處理需要，將現(xiàn)代優(yōu)化算法做細(xì)節(jié)處理，使其符合研究?jī)?nèi)容的實(shí)際需要。與此同時(shí)，相比較于傳統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)，均是當(dāng)前全局優(yōu)化算法處理應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)對(duì)象，對(duì)全局最優(yōu)解問(wèn)題有很好的處理能力，但另一方面，在算法實(shí)施過(guò)程中計(jì)算量較大。

1 飛行器總體參數(shù)的設(shè)計(jì)的基本框架

飛行器的有效設(shè)計(jì)需要把多個(gè)應(yīng)用科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)的知識(shí)整合到一起，比如物理學(xué)中的牛頓定律在力學(xué)中的應(yīng)用、以數(shù)學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)的復(fù)雜公式計(jì)算和自動(dòng)控制、高性能材料設(shè)計(jì)和制造等所涉及的物理學(xué)、氣動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)和飛行控制原理等眾多的知識(shí)學(xué)科的結(jié)合，因此，飛行器的設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，難度高、牽涉領(lǐng)域廣、多學(xué)科知識(shí)交叉力度大，需要以系統(tǒng)工程學(xué)科的視角觀點(diǎn)來(lái)看待，主要目的就是要在以系統(tǒng)工程的概念和思維來(lái)建立、研究以大型化、復(fù)雜化工程為目標(biāo)的工程功能規(guī)律和應(yīng)用描述，并進(jìn)一步的進(jìn)行深入的系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合。如果在進(jìn)行飛行器的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的目標(biāo)過(guò)于單一，那么所建立的基于此設(shè)計(jì)目標(biāo)的飛行器優(yōu)化模型的具體實(shí)施方案也會(huì)與多目標(biāo)的飛行器設(shè)計(jì)存在較大的差異，那么在對(duì)多個(gè)單一目標(biāo)的綜合優(yōu)化過(guò)程中也會(huì)存在互相矛盾的問(wèn)題細(xì)節(jié)問(wèn)題處理，很難最終確定最佳的設(shè)計(jì)方案[2]。

需要明白，飛行器的設(shè)計(jì)不僅是一個(gè)劃分為多階段、多層次的設(shè)計(jì)，同時(shí)也是不斷的優(yōu)化處理最優(yōu)設(shè)計(jì)工藝的實(shí)施過(guò)程，在此過(guò)程中，對(duì)各種可能可行的設(shè)計(jì)方案方案反復(fù)分析的情況下完成對(duì)新技術(shù)的目標(biāo)綜合考評(píng)。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的全面優(yōu)化往往具有兩個(gè)作用：第一，確保從眾多方案中做出最優(yōu)的決策；第二，確保在已選的核實(shí)的方案中確定設(shè)計(jì)中的最佳參數(shù)組合，優(yōu)化器械性能。所以，綜合設(shè)計(jì)思想和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮意味著設(shè)計(jì)方案的選擇將變得日趨多元化，同時(shí)提高設(shè)計(jì)方案的全面性，以改善接近最優(yōu)的解決方案的程度，即提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短設(shè)計(jì)周期。

2 基于Matlab語(yǔ)言發(fā)展的模擬退火算法

模擬退火算法通過(guò)附近搜索技術(shù)，以產(chǎn)生新的解決方案，根據(jù)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)接受新解，并使用冷卻進(jìn)度表參數(shù)控制算法進(jìn)程，以便在多項(xiàng)式時(shí)間里獲得問(wèn)題的一個(gè)近似最優(yōu)解，這源于對(duì)固體退火溫度的模擬。模擬退火法（SAA）…是一種非導(dǎo)數(shù)優(yōu)化方法.由于它對(duì)組合優(yōu)化問(wèn)題像對(duì)連續(xù)問(wèn)題一樣適用，因而近年來(lái)得到廣泛的關(guān)注.模擬退火來(lái)源于拉絲玻璃的物理特性，原理類(lèi)似于以一定的速率冷卻金屬時(shí)所發(fā)生的現(xiàn)象。

最早由MetroPolis等于1953年提出的模擬退火算法（SimulatedAnnealing，SA）是根據(jù)蒙特卡洛算法進(jìn)行迭代求解策略下以指數(shù)形式的適應(yīng)度定標(biāo)的方法，采用浮點(diǎn)數(shù)編碼的一種隨機(jī)優(yōu)化算法，其設(shè)計(jì)思想主要來(lái)源于拉絲玻璃在拉絲過(guò)程中所體現(xiàn)的物理特性，原理主要同以一定速率的狀態(tài)下來(lái)進(jìn)行金屬冷卻所展現(xiàn)的現(xiàn)象具有一定的相似性。模擬退火算法從某一較高的計(jì)數(shù)初始溫度為起始點(diǎn)，通過(guò)現(xiàn)實(shí)的物理規(guī)律進(jìn)行有過(guò)程的、逐步的降溫處理，最終達(dá)到最低能量化的退火過(guò)程，這種過(guò)程正是由于整合了模擬退火算法的優(yōu)勢(shì)，極大地改善了簡(jiǎn)單遺傳算法局部搜索能力不是很強(qiáng)的不足之處。因此，算法收斂的速度得到了很大的提高。

2.1 設(shè)計(jì)實(shí)例

本文以可變彎體飛行器為例說(shuō)明如何利用Matlab語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)模擬退火算法。在Matlab的程序處理設(shè)計(jì)中，將氣動(dòng)外形參數(shù)作為超音速飛行器設(shè)計(jì)中的眾多參數(shù)目標(biāo)之一進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，使用模擬退火算法進(jìn)行氣動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化處理研究。

如圖1所示，這種飛行器的常規(guī)氣動(dòng)外形為球雙錐加十字布局的三角形全動(dòng)控制舵。本文考慮一種簡(jiǎn)化的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型：在給定飛行狀態(tài)、控制舵鎖定情況下，確定使飛行器的升阻比最大化的外形，并且底部直徑給定，飛行器全長(zhǎng)有約束上限，靜穩(wěn)定裕度在一定范圍內(nèi)。單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型可表述為：

求解設(shè)計(jì)變量，使得max升阻比，其中，

s.t. 1）飛行器全長(zhǎng)：LT≤LTO

2）靜穩(wěn)定欲度：SMR≤SMRO

3）設(shè)計(jì)變量：

這里取SMRO=0.05，LTO/D=4.661

圖1 帶控制舵飛行器氣動(dòng)布局

3 結(jié)論

本文對(duì)飛行器總體參數(shù)目標(biāo)設(shè)計(jì)過(guò)程中的相關(guān)優(yōu)化模型和實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了詳盡細(xì)致的總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上歸納出飛行器設(shè)計(jì)過(guò)程中的參數(shù)設(shè)計(jì)總體框架和總體優(yōu)化策略，并根據(jù)需要有針對(duì)性的運(yùn)用模擬退火算法，解決了飛行器設(shè)計(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化模型的問(wèn)題，同時(shí)驗(yàn)證了多目標(biāo)優(yōu)化算法求解復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的工程效益。但飛行器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的學(xué)科知識(shí)多、優(yōu)化設(shè)計(jì)難度大，在以后的工作中，還需要不斷的學(xué)習(xí)，詳細(xì)總結(jié)飛行器多參數(shù)優(yōu)化的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和處理技能，增強(qiáng)飛行器總體框架的合理性和易實(shí)施性，不斷將飛行器設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)算方法作為一個(gè)深入研究的課題和長(zhǎng)期的研究方向。與此同時(shí)，文章利用基于Matlab語(yǔ)言環(huán)境下發(fā)展起來(lái)的模擬退火算法，運(yùn)用氣動(dòng)力分析方法，得到了超音速飛行器的氣動(dòng)外形優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)方法，供廣大的研究者參考。[3]

參考文獻(xiàn)：

[1]曲強(qiáng)，陳雪波.基于MATLAB的模擬退火算法的實(shí)現(xiàn)[J].鞍山科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003.

[2]張勇，唐偉，李為吉，馬強(qiáng)，張魯民.基于MATLAB的現(xiàn)代優(yōu)化算法在飛行器氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].宇航學(xué)報(bào)，2003.

[3]梁勤，馬捷中，翟正軍.基于MATLAB的通用飛行器仿真[J].軍事控制技術(shù)，2008.