基于随机森林的风洞马赫数预测模型

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1、航空学报May252016V01．37No．51494-1505ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000-6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．crlhkxb@buaa．edu．cn基于随机森林的风洞马赫数预测模型王晓军1，袁平1’*，毛志忠1，杜宁21．东北大学信息科学与工程学院，沈阳1108192．中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，绵阳621000摘要：在风洞试验中，马赫数的稳定性和快速性对风洞流场品质有着重要影响。为了实现马赫数的精确控制，必须对马赫数进行快速、准确的预测

2、。风洞试验积累了大量数据，大数据集包含了更多的有益信息，为实现马赫数的精确预测提拱了可能性，但也增加了建模的复杂度。通常高度复杂的模型会加重其在实际使用时的计算负担。针对大数据集问题，本文将随机森林方法应用于风洞马赫数建模。随机森林是一种集成模型建模方法，它从3方面降低模型的复杂度：产生多个样本子集，减少了子模型的训练样本个数；具有并行集成结构，子模型可在不同的CPU上运行，提高了运行速度；以简单学习算法回归树作为基学习机，降低了子模型的复杂度。试验证明基于随机森林的马赫数预测模型能够有效利用试验积累的大数据，满足工程上预测速度及精度的要求。关键词：风洞试验；马赫数

3、；大数据集；随机森林；回归树中图分类号：V217+．21文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)05—1494—12随着各类新型航空航天飞行器的研制与发展，对风洞试验的要求也日益增加，风洞已成为研究先进飞行器空气动力特性不可或缺的、最重要的试验设备[1。2]。在风洞系统运行过程中，马赫数作为风洞试验的一个重要的性能指标，它的稳定性和快速性对风洞流场品质有重要的影响。风洞系统运行过程复杂，提高马赫数的控制精度一直是其主要研究方向。首先，气源储气容量一定，随着试验进程的推进，风洞不断地消耗气源里的空气，导致气源压力随时间逐渐下降；其次，试验要求飞行器模型攻

4、角步进或连续变化，不同飞行器模型攻角的变化不同，对风洞流场品质的影响很大；再次，由于飞行器模型的特殊要求，稳定段总压和试验段马赫数的设定值不同，风洞流场的变化也不同。本文以FL-26风洞为研究对象，虽然一次试验的运行时间大约为100S，马赫数的控制周期只有lOms，但风洞流场的变化却是迅速和复杂的。提高马赫数控制精度的前提是全面而深刻地了解被控对象，尤其是对于精度要求高的控制系统，被控对象的建模显得尤为重要。另外，风洞控制策略欲采用预测控制方法，其利用滚动优化代替全局优化，可以实现多变量控制，有效地处理约束问题¨j。传统的建模方法主要包括机理分析法与基于数据的方法。

5、风洞系统由于内部结构复杂、各部分相互耦合、扰动频繁等[4-7]，难以建立机理模型。仅存的机理模型都是将空气复杂的三维流动简化为一维流动凹]。当要求进一步提高马赫数的控制精度时，该模型无法适应控制器的要求。非线性收稿日期：2015-06-17；退修日期：2015-07-09；录用日期：2015—08—19；网络出版时间：2015·08·2611：35网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detajI／11．1929．V．20150826．1135．001．html基金项目：国家自然科学基金(61473073，61333006)*通讯作者．Tel．：024·

6、83680461E-mail：yuanping@ise．neu．edu．cn荸l用罄武

7、I晓军，袁平。毛志忠，等．基于随机森林的风澜马赫数预测模型[J]i航空学报，2016，37(5)：1494．1505．WANGXJ，YUANP，MAOZz．eta1．WindtunnelMachnumberpredictionmode／basedonrandomforest[JI．ActaAeronauticaetAstronaut#C8Sinica，2016，37(5)：1494．1505．王晓军，等：基于随机森林的风洞马赫数预测模型自回归滑动平均(NARX)[93模型能够借助

8、系统输入、输出数据，确定过程的动态品质或系统的结构及参数，该方法具有逼近精度高、结构简单、收敛速度快等优点，对于先进控制方法具有很好的适应性。利用NARX模型来预测风洞系统马赫数已成为提高马赫数控制精度的必然要求[1⋯。风洞系统测试段马赫数无法使用仪器直接测量，根据亚声速一维等熵流理论，可通过稳定段总压和驻室静压间接得到(简称总压和静压)。在马赫数预测过程中，实际上建立的是总压和静压NARX模型，而总压和静压可使用高精度(0．05％)压力传感器检测得到。对风洞系统的气动结构、空气环流以及风洞试验特点的研究[4。73发现影响总压和静压的主要因素均为主调压阀位移、主