前言：中文期刊网精心挑选了多目标优化设计范文供你参考和学习，希望我们的参考范文能激发你的文章创作灵感，欢迎阅读。
多目标优化设计范文1
（1.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255022；2.山东理工大学农业工程与食品科学学院，
山东 淄博 255022；3.山东理工大学理学院，山东 淄博 255022）
【摘要】折叠桌因其艺术性的设计以及节约空间、方便搬运的优点在现代家居生活中倍受青睐。同时，折叠桌因其可折叠的特性也承受着其稳定性与承受力大小的考验。我们采用刚体转动模型求解其稳定性指标，利用各个加工参数之间的数学关系求解其原料消耗，采用超静定次数进行定性分析描述其加工方便度，最终利用多目标规划模型分别赋予不同指标优先因子对折叠桌进行优化设计。
关键词 刚体转动；多目标规划；空间坐标系；最优加工参数
1 问题由来
工业设计师Robert van Embricqs 设计一款名为rising side table [1]，桌子外形由直纹曲面构成，桌面呈圆形，桌腿随着铰链的活动可以平摊成一张平板。桌腿由若干根木条组成，分成两组，每组各用一根钢筋将木条连接，钢筋两端分别固定在桌腿各组最外侧的两根木条上，并且沿木条有空槽以保证滑动的自由度（如图1所示）。
2 问题分析
在两根钢筋所在平面，以两根钢筋对称轴为x轴，两根钢筋中点连线为y轴，垂直地面向上为z轴方向建坐标系 （如图2），木条与圆形桌面的相连接的点记为P点，从外到里分别用P10，P9，…，P1来表示，最中间的点记为坐标为P1，且P10的坐标为(2.5,25,25)。钢筋穿过木条的点记为Q点，同理从外到里分别用Q10，Q9，…，Q1，标记顺序同P点一致。
Fi：第i根木条的开槽位置i=1，2…，10；fi：第i根木条的开槽长度（i=1，2，…，10）；h2：钢筋初始位置d：每根木条的宽度；li：木条长度α：最外侧木条与地面夹角；c：木板的厚度
3 构造约束条件
鉴于对折叠桌的设计，需要综合稳固性、经济性、加工便利性等因素进行优化其设计。
稳固性：
稳固性主要受重心位置的高低、支撑面的大小以及结构的影响[2]。根据桌子稳定性测试（BS4875-5）标准，设计的产品稳固性不达标就不能流通于市场，所以我们把力学性能分析放在首要地位。稳固性主要测试其竖直承受力与一侧承受力大小。竖直承受力大小多取决于折叠桌的材料，一侧受力多取决于折叠桌结构。将折叠桌视为刚体，其一侧受力发生侧翻即为刚体转动问题。[3]根据折叠桌使用的木料、钢筋求其质量分布，得其密度ρ（x，y，x）（此处密度可视为常数）。折叠桌的质量
经济性：折叠桌折叠之前为一块木板，所需材料即为木板的面积。
加工便利性：
由于桌腿由若干根木条组成，沿木条有空槽以保证滑动的自由度，进而木条的数目以及开槽长度影响加工便利性。根据力学原理，每增加一根木条，该结构的超静定次数便增加一次，因此该结构为多次超静定结构[4]，采取增加木条的方法来增加超静定次数，降低受力敏感度，是影响其加工便利性与稳定性的重要因素。
4 多目标规划模型
j：木条的宽度；e：木板的宽度；b1：最外侧木条所留桌面边沿长度；g：木板长度
5 结论分析
折叠桌以其灵活性、便捷性融入百姓生活。本文在保证折叠桌优良特性的前提下，引入刚体转动分析，结合多目标规划模型，优化设计折叠桌，保证了其稳固性、经济性、加工便利性。
参考文献
［1］韩佳成,Robert Van Embricqs.平板折叠桌[J].设计,2012，8．
［2］刘延柱．刚体动力学理论与应用[M]．上海交通大学出版社，2006-8-1．
［3］wenku.baidu.com/link?url=po 7 pey 2 xG_w0ELxvIgKKosCkC 6 jtfibAZW cBNT00Xx-YJNOh TpBOG 3_c22 TfersEysmn6 iyBkau_bkmEuV9 LDGZpqr51 HuOT2 OWNFqiFLx_&qq-pf-to=pcqq. c2[OL].
［4］钱令希．超静定与静定结构学[M]．科学出版社，2011．
多目标优化设计范文2
关键词：提升运输；多目标优化；控制器；安全保护
0 引言
随着工业技术的迅速发展，矿井生产向大型化、规模化的煤炭能源基地方向发展。而矿井提升机是矿山的关键设备，是联系井下与地面的“咽喉”设备，由于单次提升量及提升容器愈来愈大，提升速度愈来愈高，提升设备的安全运行直接影响到整个矿井的生产效率、国家财产和人员生命的安全。一旦发生重大事故，除设备安全、人员生命受到威胁外，可能导致整个矿井瘫痪，将造成重大的损失。所以不断完善矿井提升机的控制系统和保护装置，开展相关研究具有重要的意义。
近年来，矿井提升机的控制与安全保护问题受到国内外众多研究机构和企业的广泛关注，并开展了很多相关的研究工作，研究的主要内容包括电动机的调速与控制技术、后备安全保护装置和运行监控系统等。例如，文献[1]～[4]等对矿井提升机用电动机的控制进行了研究，其目标主要是提高启动、制动、调速的平稳性和可靠性，降低能耗等，实现的主要技术手段是应用先进的控制理论和数字变频技术；文献[5]～[7]等对后备保护装置和监控系统做了一定的研究，内容包括防过卷、防过速、提升力矩保护、过负荷及欠压保护等。但是，矿井提升机作为一个复杂的典型的机电一体化设备，其安全保护和运行控制是密切相关，互相制约的，仅就某一个或几个方面的性能进行改善往往并不能达到预期效果。因此，开展矿井提升机的多目标优化控制的研究十分必要。
本文针对矿井提升机运行过程和安全保护的特点，设计一种面向高效、节能、安全保护等多目标的矿井提升机优化控制系统。
1 控制系统构成
在矿井提升机控制系统设计过程中，将系统的安全保护与运行控制有机地结合起来，在控制装置中通过微处理器协调控制，统一管理，既能提高电机运行的性能，又能保障系统的安全运行，达到高效、节能、安全和节约制造成本等目的。本系统主要由控制器、加速度传感器、张力传感器、旋转编码器、过卷过放检测器、液压制动器、变频调速器、欠压过载保护器和彩色显示器组成。整个系统将实现如下三个方面的功能。
1）提升机运行状态监控部分由加速度传感器、张力传感器、旋转编码器等组成，实现箕斗运行的加速度、速度、钢丝绳张力的实时采集。当箕斗加速度、速度和张力超标时实现安全保护。
2）提升机的安全保护部分由过卷过放检测器、欠压过载保护器等组成，实现提升机运行异常的检测，当可能发生过放过卷及出现欠压或过载等情况时，实现安全保护。
3）提升机运行控制部分由变频调速器和液压制动器组成，由控制器输出提升运输的五段速度，经交-交大功率变频调速器控制提升主电机，实现提升机的运行；当出现异常状况时由液压制动器紧急减速或制动。
2 控制器硬件设计
控制器mcu选择晶宏科技的stc12c5a60s2单片机，这款单片机功能强大，有8路10位精度ad采样功能，可实现加速度传感器和张力传感器的信号采集；有7路外部中断i/o，可采样旋转编码器的脉冲信号以实现提升机运行速度的检测；有2路pwm可实现d/a功能以控制变频器。另外，过卷过放信号、欠压过载信号和液压制动器控制信号等属于开关量，可由此单片机的普通i/o口采集。
该单片机的ttl电平串口经max232芯片转换成rs232电平，由9针串口接至彩色显示器，以实现人机界面功能。
由于提升机运行电磁环境恶劣，控制器的输入输出信号全隔离，以提高系统的抗电磁干扰能力。开关量输出信号采用欧姆龙继电器驱动，耐20a电流冲击。
控制器电路由作者设计并进行了pcb布线，委托深圳精敏数字机器公司加工制作而成，如图2所示。
3 系统软件及控制策略设计
系统软件实现箕斗加速度、钢丝绳张力等模拟量的采集，变频调速器模拟量的输出，过卷过放信号、欠压过载信号和液压制动器控制信号等开关量的采集，通过i/o口外部中断编程实现旋转编码器脉冲信号的采集。
彩色显示器人机界面和单片机通讯采用modbus协议，由c语言编写程序实现，能将提升机运行状态、安全保护
况以及电机运行频率等信息显示在屏幕上，供操作人员查看。
控制策略设计是本控制系统软件的一个难点，既要实现提升运输的5段速度图并保证最快的运行速度，又要在兼顾效益的情况下设计安全保护的裕度。
4 结束语
本文提出了提升运输多目标优化控制方案，并设计了控制器。经模拟实验和现场试验表明，本优化控制系统能提高提升运输的性能及运行安全性。
参考文献：
[1] 王晓晨等.采用异步机矢量控制的矿井提升机开机特性的分析及改进.煤炭学报，2007（3）.
[2] 兰云，张立.igct变频器在矿井提升机调速系统中的应用.电气传动，2008（11）.
[3] 张勇等.矢量控制在矿井提升机上的应用.煤矿机械，2008（11）.
[4] 高宇等.提升机电控系统给定环节优化方法的研究.煤炭技术，2008（9）.
[5] 陆嘉，张新.矿井提升机综合后备保护装置.煤矿机械，2006（12）.
[6] 张仕明.立井提升过卷（过放）电气保护和机械保护装置的探讨.煤炭工程，2006（7）.
多目标优化设计范文3
【关键词】多目标优化；永磁无刷直流电机；NSGA-Ⅱ；粒子融合
1.前言
电机的优化设计技术是在满足国家标准、用户要求以及特定约束的条件下，使电机效率、体积、功率、重量等设计性能指标达到最优的一种设计技术，被描述为一个有约束、多目标、多变量以及多峰值的复杂非线性问题，属于典型的多目标优化问题。永磁无刷直流电动机的优化设计中，由于电机磁路中导磁材料磁化曲线的非线性及电枢反应的非线性，决定了其目标函数、约束函数多为非线性程度很高的数值函数，使其优化设计的难度更大，因此选择适合于永磁无刷直流电机的优化设计方法是优化设计能否成功的关键[1]。
人们一直致力于探寻非线性的电动机的优化数学模型，以期得到全局最优解及其优化算法，电机优化设计方法经历了以单纯形法、可变容差法、梯度法为代表的传统方法到以模拟退火算法、遗传算法、禁忌搜索算法等全局优化算法为代表的新型优化算法[2]。近年来，有研究将全局优化算法与直接搜索法相结合的混合寻优策略应用于某些类型电机的优化设计，如将遗传算法和模拟退火算法相结合，充分利用了遗传算法全局搜索能力强而模拟退火算法局部搜索能力强的优点，成功地进行了长定子同步直线电动机的优化设计[3]。有研究将多种优化算法综合，引入电机优化中，如先应用模糊优化设计算法建立电机的优化设计数学模型，再利用Tabu算法对目标函数进行优化，减少电机体积和设计时间，提高电机的力能指标[4]。
但是，目前流行的各类随机优化方法和确定性优化方法远没有完美地解决避免陷入局部最优解的问题[，并且优化搜索的收敛速度缓慢，不能令人满意，迫切需要探索新型的优化算法[5][6]。本文提出了基于粒子融合机制的改进NSGA-Ⅱ，并将其应用于永磁无刷直流电机的优化设计，实验结果表明与以往的电机优化方法相比，这种新型优化算法建立的电机优化模型在全局优化搜索和收敛速度方面有很好的优势，具有重要的指导意义。
2.算法描述
精英非支配解排序遗传算法（NSGA-Ⅱ）最早由印度研究人员Srinivas和Deb提出，是近年来最有效、最流行的多目标进化算法[2]，它在解决多目标优化问题上具有独特的优势，但采用的交叉算子搜索性能相对较弱，在一定程度上限制了算法的搜索性能，使得NSGA-Ⅱ在收敛速度和多样性保持方面仍需改进。而粒子群优化算法是一种基于群体智能的演化算法，具有更快的收敛速度，这就为本文设计一种新的基于粒子融合机制的改进NSGA-Ⅱ算法提供了现实的可行性。
2.1 基于粒子融合的NSGA-Ⅱ算法
考虑到在NSGA-Ⅱ中是按二进制随机竞赛选择方法选择用于产生后代的个体，而MOPSO中选择外部档案中最佳的个体作为leader时具有较快收敛速度，按如下折中方法从父代群体中选择leader。如果则选择父代群体中程度最大的个体，否则基于拥挤程度按二进制随机竞赛选择方法从父代群体中选择。其中，为选择父代群体中拥挤距离最大个体的概率，rand为[0，1]间的随机数。
2.1.2 粒子融合NSGA-Ⅱ的算法流程
本文算法流程描述大致如下[7]：
第一步：产生N个初始父代种群Pt并按比例经交叉变异形成N个子代种群Qt；
第二步：组合父代种群Pt和子代种群Qt为种群Rt，并对Rt中个体进行非支配排序，确定Pareto前沿F1；
第三步：计算F1中单个个体的局部拥挤距离，并删除F1在目标空间重叠的多余个体；
第四步：先排除F1中极端个体，再将其他个体按拥挤距离从大到小排列；
第五步：按步骤二、三、四的结果依据拥挤距离选取N个个体作为新的父代种群Pt+1；
第六步：对于子代群体Qt的每个个体（粒子），根据差异问题解决策略，选择父代种群Pt+1中拥挤距离最大个体或者基于拥挤距离按二进制随机竞赛选择方法从父代群体Pt+1中选择粒子的leader，同时按式（3）更新个置，对位置更新后的Qt中所有个体各基因座按变异概率Pm进行NSGA-Ⅱ中的多项式变异，得到子代群体Qt+1；
2.2.3 优化结果分析
用本文设计的优化算法对一台270V，10kW，10000r/min的永磁无刷直流电动机进行优化设计计算。在满足额定技术要求的前提下，优化目标定为对体积、重量、转动惯量、效率4项，并与优化前以及一般遗传算法优化的结果进行对比，运算优化结果如表1所示。通过表1对比可见，在满足技术要求的条件下，电动机本体的长度、质量、电动机的功率密度、转子外径、空载转速和额定转速以及转子转动惯量等电机因素比优化前和用一般遗传算法优化都有一定程度的改善。
以永磁无刷直流电机的效率为例，验证分析本文算法在永磁无刷直流电动机优化上的可行性和优越性。针对永磁无刷直流电动机的特性，设电机系统效率为，且=/，其中，分别为电机轴端输出功率与电机逆变器的功率，采用简化方法求出功率器件等效模型粗略估算出逆变器的损耗，最后算出电机系统效率。在仿真实验中，取最大进化代数为60，=0.85，采取线性动态变化，最小为0.04，最大为0.2，群体规模即融合粒子的个数为100，仿真结果显示电机效率比单纯的使用NSGA-Ⅱ遗传算法提高了近5%，如图1所示。永磁无刷直流电机的其它优化问题可以类似地推出相应的目标函数，设计初始种群和遗传操作算子，最终通过计算机仿真用本文的算法得出优化后的Pareto最优解，这里不再作详细讨论。
3.结束语
本文在多目标遗传算法NSGA-Ⅱ的基础上，设计了一种基于粒子融合机制的改进NSGA-Ⅱ，用多目标粒子群优化算法中的粒子位置更新模式替代搜索性能相对较弱的交叉操作，成功的解决了两种优化算法的差异问题，应用到永磁无刷直流电动机的优化设计中，在较大范围内搜索解空间，并能以较快的收敛速度提供解空间内分布均匀的Pareto最优解集，解决了电机的非线性优化设计问题，通过优化设计，在满足技术要求情况下，电机的体积、转子转动惯量和机电时间常数均减小，质量减轻，功率重量比提高，提高了电动机的使用效能，为永磁无刷直流电动机设计者提供了决策依据，具有较大的参考价值。
参考文献
[1]范镇南，韩力.电机优化设计技术发展情况[J].电机与控制应用，2006，33（8）：3-6.
[2]JANGA REDDYM，NAGESH KUMAR D.An efficient multi-objective optimization algorithm based on swarm intelligence for engineering design[J].Engineering Optimization，2007，39（1）：49-68.
[3]Deb K，Pratab A，Agarwal S.A fast and elitist multi-objective genetic algorithm NSGA-Ⅱ[J].IEEE Transactions on Evolutionary Computation，2002，6（2）：182-197.
[4]Laurent J，Jabbar M A.Design optimization of permanent magnet motors using response surface methodology and genetic algorithms[J].IEEE Transactions on Magnetics，2005，41（10）：3928-3930.
[5]Huang V L，Suganthan P N，Liang J prehensive learning particle swarm optimizer for solving multi-objective optimization problems[J].International Journal of Intelligent Systems，2006，21（2）：209-226.
[6]武志勇，郭宏，吕振华.基于遗传算法的双余度无刷直流电机优化设计[J].北京航空航天大学学报，2011，12（5）：147-151.
[7]王金华，尹泽勇.基于NSGA-Ⅱ和MOPSO融合的一种多目标优化算法[J].计算机应用，2007，27（11）：2817-2823.
[8]陈齐平，舒红宇.基于改进遗传算法的微型电动车轮毂电机优化设计[J].中南大学学报，2012，8（7）：587-592.
[9]刘金亮，焦留成，陈群.低速永磁直线电机优化设计及仿真[J].微电机，2012，7（10）：72-74.
[10]余莉，刘合祥，胡虔生.高速永磁无刷直流电机优化设计[J].2009，6（3）：13-18.
作者简介：
多目标优化设计范文4
关键词：再制造；逆向物流网络；多周期多目标；静态选址模型；机会约束规划
中图分类号：F25
文献标识码：A
文章编号：16723198（2014）05005603
1引言
再制造是将废旧品重新焕发生命力的过程。它利用废旧品的附加值，节约自然资源，减少环境污染，从而促进循环经济的实现，已得到很多国家的重视，特别是发达国家。
以前关于再制造的研究主要集中在工程技术方面，最近几年来才扩展到物流管理领域。为了提高物流系统运作的效益和效率，成功实施再制造，很多学者研究了再制造逆向物流网络的优化设计问题，并建立了相应的模型。但是，因废旧产品的回收质量、数量以及时间等方面存在很多不确定性，与正向物流相比，逆向物流的网络结构更加复杂。当前对逆向物流网络设计的研究大多基于单周期、单目标，关于多周期、多目标的研究较少。然而，生产运作中，产品（废旧品）的生产、回收是基于多个运营周期，同时逆向物流网络设计通常要考虑多个目标。本文在现有研究的基础上，基于废旧产品回收数量的不确定性，建立了多周期多目标的逆向物流网络静态选址模型，最后通过算例验证模型。
2问题描述
一个再制造逆向物流系统考虑是由再制造厂、检测中心、回收点组成。废旧产品由回收点回收，经过检测中心处理（检测、分类）后，一部分进行废弃处理（掩埋、焚烧或机械处理），其他部分送到再制造厂进行再制造处理，如图1所示。
3模型构建
3.1模型假设
（1）仅考虑单种产品，已知消费区域的划分。
（2）消费者将废旧产品送至回收点，一旦回收点收到废旧产品就运输到检测中心，回收点没有储存能力，也没有限制最大处理能力。
（3）检测中心具有最大处理能力限制，废旧品数量超过最大处理能力时将作为库存延至下期处理，如期末有库存，其单位库存成本与库存所在设施及环节相关。
（4）已知再制造厂和废弃处理点的位置、数量，仅考虑检测中心和回收点的选址。
（5）废旧品质量已知，其表现为废旧品的再制造率已知。废旧产品在各消费区域中各周期可回收的具体数量未知，但能预测其概率分布。
（6）各节点之间的单位产品单位运输成本已知，与周期无关，且固定不变。
3.2符号说明
（1）下标。
4算例
一个企业考虑建造再制造逆向物流网络，数据取自文献[14]、[16]，并适当增删相关数据。当前有5个消费区域，郊区有1个再制造厂，政府建造了1个废弃处理厂，已知4个回收点备选地址和3个检测中心备选地址。考察时间为5个周期，建设回收点和检测中心的最大数目分别是4个和3个，各物流设施之间的相关数据见表1～表5。回收点和检测中心的相关数据见表6和表7，再制造厂和废弃处理厂对单位废旧品的处理成本分别是150和40，废旧品再制造率为0.7。此外，各周期运输成本已知为0.5，单位废旧品购买成本为80，库存单位成本均为5，单位处理负效用成本为100，负效用系数均为1，置信度均为0.9，充分大正数取106。
5结论
鉴于多周期逆向物流网络更加贴近实际，多目标逆向物流网络对各方利益考虑更为周全，研究多周期多目标的逆向物流网络具有现实意义，本文构建了多周期多目标的再制造逆向物流网络优化设计静态选址模型，给出了采用机会约束规划求解模型的方法，最后验证了模型的有效性。研究表明，模型对置信水平由比较高的灵敏度，在设计逆向物流网络时，对消费区域的废旧品回收数量要尽可能的准确预测。
参考文献
[1]Thierry M， Salomon M， van Nunen J， et al. Strategic Issues in Product Recovery Management[J].California Management Review，1995，37（2）：114135.
[2]Fleischmann M，Jacqueline M B， Dekker R，et al.Quantitative Models for Reverse Logistics：A Review[J].European Journal of Operational Research，1997，103（1）：117.
[3]Fleischmann M，Krikke H R， Dekker R， et al.A characterisation of logistics networks for product recovery[J].Omega，2000，28（6）：653666.
[4]代颖.再制造物流网络优化设计问题研究[D].成都：西南交通大学，2006.
[5]Listes O，Dekker R.A stochastic approach to a case study for product recovery network design[J]. European Journal of Operational Research，2005，160（1）：268287.
[6]马祖军，代颖，刘飞.再制造物流网络的稳健优化设计[J].系统工程，2005，23（1）：7478.
[7]代颖，马祖军.基于二阶段随机规划的制造/再制造集成物流网络优化设计[J].系统工程，2006，24（3）：814.
[8]Min H，Ko H J，Ko C S.A genetic algorithm approach to developing the multiechelon reverse logistics network for product returns[J]. Omega，2006，34（1）：5669.
[9]岳辉，钟学燕，叶怀珍.随机环境下再制造逆向物流网络优化设计[J].中国机械工程，2007，18（4）：442446.
[10]狄卫民.基于二阶段随机规划的回收物流网络优化设计研究[J].控制与决策，2008，23（1）：3540.
[11]Francas D， Minner S. Manufacturing network configuration in supply chains with product recovery[J].Omega，2009，37（4）：757769.
[12]Lee D H，Dong M，Bian W. The design of sustainable logistics network under uncertainty[J].International Journal of Production Economics，2010，128：159166.
[13]ElSayed M， Afia N，ElKharbotly A.A stochastic model for forwardreverse logistics network design under risk[J].Computers & Industrial Engineering，2008：19.
[14]狄卫民，胡培.制造/再制造物流网络优化设计的多周期静态选址模型[J].中国机械工程，2008，19（16）：19501954.
[15]Pishvaee M S，Torabi S A.Apossibilitic programming approach for closedloop supply chain network design under uncertainty[J].Fuzzy Set and Systems，2010，161：26682683.
[16]高阳，詹沙磊.基于第三方物流的多周期多目标产品回收网络设计[J].控制与决策，2010，25（8）：11641168.
[17]Srivastava S K. Network design for reverse logistics[J].Omega，2008，36（4）：535548.
[18]何波，杨超，杨珺.废弃物逆向物流网络设计的多目标优化模型[J].工业工程与管理，2007，（5）：4346.
多目标优化设计范文5
关键词： 机载任务电子系统； 布局优化； 多学科优化； 优化设计
中图分类号： TN971+.1?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0124?03
Optimization design of overall layout for airborne mission electronic system
WEI Qiang， LI Yu
（China Academy of Electronics and Information Technology， Beijing 100041， China）
Abstract： An optimization design of overall layout is applied to the structure project of airborne mission electronic system， which includs antenna layout optimization outside of cabin and system layout optimization in the cabin. The optimization methods involve MDO algorithm and improved genetic algorithm mainly. The methods can play a theoretical direction role in the overall structure design of airborne mission electronic system， by which the comprehensive property of the mission electronic system can be promoted effectively.
Keywords： airborne mission electronic system； layout optimization； MDO； optimization design
0 引 言
机载任务电子系统是安装在飞机平台上执行某种任务的综合电子信息系统，涵盖预警机、反潜机、巡逻机、电子战飞机等特种飞机，任务电子系统在飞机上的安装设计的好坏直接影响着任务电子系统的作战使用效率。任务电子系统结构总体设计的主要工作包括系统构型设计、布局设计、结构安装设计以及环境适应性设计等方面。大系统总体设计的方法主要包括系统遗传?进化法、系统工程程序法、系统分析法、系统分解?集成法、黑箱辨识法、经验法、反馈协调法、系统优化法、模型验证法等[1]。本文重点论证系统优化法在机载任务电子系统结构总体设计中的应用。
特种飞机主要由载机和任务电子系统两部分组成，任务电子系统根据需求可包括雷达、敌我识别、通信、电子侦察、通信侦察、指控、信息综合显示和监控等组成。
任务电子系统在飞机上的安装设计，关键是要解决在飞机上安装任务电子系统设备所引起的一系列问题：一是任务电子系统设备在飞机上的安装问题，即“机械接口”的问题。这些设备的安装涉及飞机的气动外形（天线）、内部布置、安装部位的结构强度等。二是电学方面的问题。一方面是供电问题，任务电子系统设备既需要增加更大的电源供应，又需要新的电源品种；另一方面是复杂的电磁兼容问题，即“电接口”。三是热力学方面的问题。新增的设备用电带来发热量增加以及传热、散热问题，需要采取多种散热冷却方式。
总之，在一架成熟的基本飞机上安装任务电子系统设备，破坏了基本飞机原有的设计平衡。改装的目的就是要在安装任务电子系统设备、改变飞机用途的条件下，寻求新的设计平衡。任务电子系统结构总体优化设计就是采用多学科多目标优化的设计思路来满足新的设计平衡。
1 结构总体布局优化设计
机载任务电子系统设备在载机上的布置安装主要分为机舱内和机舱外两部分[2]。结构总体布局优化内容主要针对舱外天线布局优化和舱室系统布局优化设计。
1.1 舱外天线布局优化
任务电子系统对载机气动影响最大的是在机身外安装的大型天线以及天线罩，无论哪种天线安装方式都会对飞机的气动性能产生影响，而不同的天线布局形式会有不同的天线探测性能，在舱外天线布局优化时需要同时考虑气动特性和天线电磁场特性，这是一个典型的多学科优化问题[3]，场耦合关系如图1所示。
图1 各场耦合关系
以气动特性和电磁特性为设计目标，以预警任务系统布局参数为设计变量，进行多目标优化设计，得到舱外天线最佳布局方案。
以雷达天线布局优化为例，设计变量[x，][y]为雷达天线安装位置坐标，[h，][Φ]为雷达天线尺寸参数，设计目标[f1]为气动特性，[f2]为电磁特性，雷达天线设计参数如图2所示，优化设计流程如图3所示。
图2 雷达天线设计参数
图3 优化设计流程
[Findx，y，h，Φmaxf1，f2xmin≤x≤xmaxs.t.ymin≤y≤ymaxhmin≤h≤hmaxΦmin≤Φ≤Φmax] （1）
式中：[xmin，][xmax]为雷达天线前后位置范围；[ymin，][ymax]为雷达天线高度范围；[hmin，][hmax]为雷达天线罩短轴范围；[Φmin，][Φmax]为雷达天线罩直径范围。
此方法可扩展到全机天线布局优化设计。
运用流体仿真软件分析雷达天线罩尺寸、位置、支架形式对气动的影响，同时运用电磁分析软件分析全机电磁特性，经过优化，提出最佳天线布局方案。
以天线布局位置参数为优化变量，以方向图的畸变最小和飞机操稳性变化最小两个目标作为优化目标，优化算法采用多目标优化算法（MDO）进行优化。
1.2 舱室系统布局优化
任务电子系统的舱内布局应充分考虑载机平台的舱内空间特性和全机重量重心、任务电子系统使用维护、人机工效特性分布等情况，通过先进的优化算法，优化任务电子系统在舱内的布置，提高任务电子系统设备的维护性，方便战勤人员的操作，使战勤人员能在尽可能舒适的环境中高效地工作。
舱室布局优化流程如下：
（1） 系统功能使用布局设计要求和系统人机工效布局设计要求
规划系统使用功能和系统人机工效特性设计初始布局，作为布局优化的起始值和约束范围。
（2） 进行系统舱室布局优化设计
近年来，全局随机最优化方法如退火演化算法[4]和改进的遗传算法[5]等得到了广泛的研究和应用。它们在求解传统的基于梯度优化方法难以解决的复杂优化问题中显示了优良的求解特性。本文利用改进的遗传算法来求解特种飞机舱室优化布置设计问题。
图4为舱室布局优化设计流程图。图5为某特种飞机舱室布局三维示意图，根据系统功能要求将舱室分为三个区域，即前设备区（分为左前机柜区和右前机柜区）、中操作员区（分为左操作员区和右操作员区）、后设备区（分为左后机柜区和右后机柜区）。
图6为人员操作空间要求示意图，图7为图5的简化模型示意图，将各个设备区简化为一个固定的空间区域，并假设各个设备区重量重心在形心，对各个设备区域的相对位置进行优化调整。左前机柜区长[a1，]宽[b1，]重[m1；]右前机柜区长[a4，]宽[b4，]重[m4；]左操作员区长[a2，]宽[b2，]重[m2；]右操作员区长[a5，]宽[b5，]重[m5；]左后机柜区长[a3，]宽[b3，]重[m3；]右后机柜区长[a6，]宽[b6，]重[m6。]以设备区间隔距离[xi]为设计变量，以布局重心[xm]与要求重心[xd]之间的距离最小、人员操作空间[xi]之和平均值最大为设计目标进行布局优化，公式（2）为该舱室布局优化模型。
[Findxi， i=1，2，…，6Minxm-xdMax16xi6s.t.Lmin≤xi≤Lmax， i=1，2，…，6] （2）
图4 舱室布局优化设计流程图
图5 某特种飞机舱室布局三维示意图
图6 人员操作空间要求示意图
该多目标优化数学模型采用基于Pareto前沿的改进的遗传算法（NSGA?Ⅱ）来解决。NSGA?Ⅱ算法的基本思想为[6]：首先，随机产生规模为[N]的初始种群，非劣（Pareto）前沿分级后通过遗传算法的选择、交叉、变异3个基本操作得到第一代子代种群；其次，从第二代开始，将父代种群与子代种群合并，进行快速Pareto前沿分级，同时对每个Pareto前沿分级层中的个体进行小生境密度计算，根据Pareto前沿关系以及个体的小生境密度选择合适的个体组成新的父代种群；最后，通过遗传算法的基本操作产生新的子代种群，以此类推，直到满足程序结束的条件。
图7 该种舱室布局优化简化模型示意图
图8为布局优化迭代图，从图中可得出最优结果集，即人员操作空间优化结果为890～920 mm，重心距离优化结果为0～60 mm。证明该方法可以使得两个目标同时相对最优。
图8 布局优化迭代图
2 结 论
本文针对机载任务电子系统提出布局优化设计方法作为总体设计的一个重要内容，舱外天线布局采用气动电磁多学科优化策略，舱内设备布局采用人机工效、重量重心等多目标优化策略，通过这些设计能够得出各方面指标相对最优的结果。
参考文献
[1] 彭成荣.航天器总体设计[M].北京：中国科学技术出版社，2010.
[2] 王红.机载电子设备总体布局设计探讨[J].电子机械工程，2007（4）：6?9.
[3] 段宝岩.电子装备机电耦合理论、方法及应用[M].北京：科学出版社，2011.
[4] 李俊华，陈宾康，应文烨，等.退火演化算法在舰艇舱室优化布置设计中的应用[J].武汉交通科技大学学报，2000（4）：360?362.
多目标优化设计范文6
关键词：收集装置，泵，液、气混合介质
1 技术指标
收集装置的技术指标见表1：
表1 收集装置的技术指标
2 工作原理
该收集装置的核心为齿轮泵，齿轮泵为定量泵，其性能曲线见图1。
图1 液压泵特性曲线图
收集装置在整个工作过程中不同的工作时间需要适应液体,气体和液、气混合介质三种不同的介质,因此,对泵的性能要求比较特殊。不仅要求泵有液压泵的功能,而且需要提供一定的抽真空能力来克服收集装置在工作初期抽出管路中空气以便顺利进入液体介质工作状态。
3 理论分析与推导
3.1 理论分析
齿轮泵是该收集装置的核心，而齿轮泵中的一对齿轮则是泵的心脏，其参数选择合理与否，将直接影响着泵的性能、噪声和使用寿命。根据齿轮转动与齿轮泵齿轮使用参数有不同的性能取向，设计通过选取合理的结构设计、综合应用约束变尺度法CVMOL和离散变量复合形法MDCP两种方法进行优化设计等措施实现。在实际应用中，考虑到各方面因素，需要构建多目标的优化设计数学模型。包括：流量脉动率最小；单位排量体积最小；径向力最小这三个分目标函数。
3.2 齿形设计
由于齿轮泵与齿轮传动有着不同的性能取向，目前对于20°齿形角常常采用增一齿变位法以免根切。一般齿轮泵采取25°或30°的齿形角，同时避免进行复杂的齿轮变位计算。
3.3 齿轮基本参数计算数学模型的建立
3.3.1分析
反映齿轮泵性能的指标主要有：一泵的总效率；二泵的脉动和噪声。减小齿轮径向力，减小单位排量泵的体积可以提高泵的效率；降低泵的流量脉动率可以降低泵的脉动和噪音。而流量脉动率 ，径向力 ,单位排量泵的体积 等指标与齿轮的基本参数（模数 ，齿数 ，齿顶系数 和变位系数ξ该处取0）有着密切联系。其关系如图2所示：
图2： 对 的影响
3.3.2数学模型的建立
3.3.2.1设计变量
当刀具压力角本项目取30°确定后，在一定压力P和排量q下，流量脉动率，单位排量体积以及齿轮径向力F只与齿轮的模数，齿数，齿顶系数和变位系数有关，故设计变量取为：X=［x1 x2 x3 x4］T=［m Z f ξ］T
3.3.2.2目标函数
多目标优化设计数学模型的目标函数为：MinF(x)= ［f1 f2 f3］T其中：a：第一分目标函数（流量脉动最小）： 式中：基节 ;节圆半径 ; 实际中心距 ;啮合角 ;齿顶圆半径 ;b：第二分目标函数（单位排量体积最小）：
式中： ;C：第三分目标函数（径向力最小） 式中: ——压力差 ; ——-齿顶圆直径 ; ——排量
3.3.2.3约束函数
a：边界约束： ; ; ;
; ; ; ; ; 其中：齿宽系数
;b:满足强度条件： ; 其中： ——计算齿根应力; ——许用齿根应力; ——齿轮节圆处计算接触应力; ——许用接触应力;c：齿顶厚度 的限制： 式中： ;分度圆齿厚： ;齿顶圆压力角： ;分度圆直径： ; d：重合度限制： ;式中： ;e：变位系数限制：目前，国内齿轮泵的齿轮均存在根切现象，这是因为在满足齿根抗弯强度的前提下，齿轮有轻微的根切可以减小泵的体积。 ;f：外啮合齿轮攒动，齿轮用滚切加工时不产生过渡线干涉的限制：
3.3.2.4多目标优化设计的数学模型
本文的多目标优化设计问题具体有如下形式：
式中：
首先对于三个主要分目标函数分别进行单目标优化，得到如下结果：
表2单目标优化结果
项目
单目标优化
单目标优化
单目标优化
定义上述3*3矩阵中对角线元素组成的向量为理想点向量：
定义有上述矩阵各列中最大值 组成的向量为悲观点向量： 以距理想点的距离最短为统一的单目标函数 ， 其中： ,重要性权系数 且 ,当非劣解集为凸集时取 ,否则 ,这样本文提出的优化数学模型就成了： ; ;
3.4 优化结果
根据理论推导结果,得到的优化设计结果如表2所示。
表3 设计参数优化结果
参 数 设计值
模数/mm 1.5
齿数/ mm 8
齿顶高系数/f 1.27
变位系数/ξ 0
齿宽/ mm 9.5
4 泵的结构设计
根据泵的使用环境及其特性参数对泵的结构进行详细分析设计及各种类型泵结构能够达到的性能指标，同时考虑装配的工艺性以及生产的可实现性，我们采用了无径向，轴向补偿的双片式齿轮泵结构。整个设计过程基于UG平台实现自上而下的设计模式，对于产品结构进行三维建模。
4.1 泵体的设计和泵用结构材料的选择
根据航空系统要求，该装置遵循重量轻，体积小，便于携带等原则进行。由于泵体形式结构特殊性，需要对泵用材料的热敏感性、耐磨性、耐腐蚀性进行考虑。因此，选用耐腐蚀性的钛合金TC4材料，并对结构件之间的结合面涂覆耐磨性材料WS2。
4.2 轴承的选用和
在泵中，轴承是决定泵工作寿命的关键部件。在酸碱腐蚀环境下采用了高耐腐蚀性的不锈钢轴承。为满足轴承和剂在真空环境下可靠工作，采用空脂7017。
4.3泵的结构设计
根据泵在装置中的安装形式，泵的外形设计如图4所示。
图 4
4.4 热设计
在高空环境中，散热条件恶劣。由于体积小，电机的设计要求较为紧凑，电机正常工作发热也较大，对此，采取了以下措施：
a. 电机与外壳接触的安装方式，通过对外壳进行处理，增加外壳散热效果；b. 提高电机与壳体之间接口的安装面光洁度，以减小热阻；
5 收集装置的设计
该收集装置集中了泵总体，控制部分，输入输出接口等为一体，是高度集中的一体化设计。收集装置的模型如图5
图 5
5 结论
研制的收集装置具有体积小、重量轻等特点，额定工况下实测参数如下：
表3 收集装置实测指标
项目 技术指标 项目 技术指标
流量/L/min 2.94 重量/g(不含电池盒) 343.5
进出口压力/Mpa 0.017 外形尺寸/mm 63×44.7×138.5
供电电流/A 1.2 运行5min温升 7
供电电压/V 9 使用电源 直流电源0～30V可调
满足现阶段研制要求。现阶段的研制对结构以及外观进行了初步设计为后续研制的阶段打下基础。参数变化对性能的影响符合优化设计所述规律，表明：该设计思路正确，参数选取合理。为后续工程实用化积累了经验。
参考文献
