基于混合遗传算法的水雷最小安全出管速度

　　1　引言

　　气动不平衡式鱼雷发射装置是利用发射能量———高压气做功,使武器获得以一定的出管速度,安全脱离潜艇。当利用气动不平衡式鱼雷发射装置发射水雷武器时,水雷在管内最初运动阶段其纵轴是与发射管的纵轴相重合或平行。当水雷的雷体部分离开发射管的轨之后,水雷在重力、浮力、流体动力等作用力的作用下在垂直面和水平面上作复杂的运动。为了保证水雷安全脱离发射管,不与防波板凹龛处平台发生碰撞造成卡管,在发射艇速一定的条件下,必须选择适当的出管速度。本文采用混合遗传算法计算水雷武器安全脱离发射管的最小出管速度,克服了传统优化算法容易陷入局部极值点的弱点,取得了较好的效果。

　　2　中间弹道运动学模型

　　中间弹道是内弹道向外弹道的过渡阶段,经内弹道阶段的高压气做功,武器获得了一定的运动速度,同时,由于发射动力停止做功,武器仅在惯性的作用下继续运动,同时还受到重力、浮力、流体动力的作用。因此,中间弹道的力学现象和特征非常复杂。所以,在建立中间弹道运动模型之前,为使研究成为可能,对研究的问题做如下假设:

　　1)水雷的雷体部分离开发射管时,水雷轴线和发射管轴线重合;

　　2)水雷无纵倾且在惯性力作用下沿着发射管轴线向前运动;

　　3)不考虑由海流和艇速引起的防波板凹龛处的流体动力性能。

　　根据以上假设,如图1中所示,建立水雷与鱼雷发射管相关的直角坐标系: ox轴与鱼雷发射管的纵轴相平行,正方向与水雷运动方向一致; oy轴垂直于ox轴,正方向向下;坐标原点位于水雷尾部下部后端面处。

　　在上述坐标系下,水雷在垂直面内的运动方程组为:

　　由于,水雷在内弹道阶段获得了一定的运动速度,因此可定义水雷在中间弹道运动的初始条件为:

　　3　混合遗传算法优化分析

　　函数优化是遗传算法的经典应用领域。对一些非线性函数的优化问题,使用遗传算法可以得到较好的结果。本文采用将遗传算法与最速下降法相结合的混合遗传算法解算上述优化问题的全局最优解,即水雷的最小安全出管速度。在遗传算法停止后,为了改善适应度函数值,提高计算结果的精度,可以使用混合函数。在本例中,采用最速下降法构建混合函数,将遗传算法得到的最后点作为它的初始点。

　　3.1　遗传算法

　　遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是基于模仿生物界遗传学的直接搜索优化方法。遗传算法计算优化的操作过程就如同生物学上生物遗传进化的过程,主要有三个基本操作(或称为算子):选择(Selection)、交叉(Crossover)、变异(Mu-tation)。遗传算法包括5个基本要素:编码、初始群体、适应度函数、遗传操作以及参数控制和终止规则。