[发明专利]一种电磁线圈发射系统的预测优化设计方法

说明书

本发明提出了一种电磁线圈发射系统的预测优化设计方法。本发明构建电磁线圈发射器样本，将电磁线圈发射器样本采用电路模型法或有限元场路耦合法计算对应的发射性能样本，以发射性能样本为基础构建优化目标样本、约束目标样本，通过电磁线圈发射器样本、优化目标样本、约束目标样本构建预测模型训练集；根据预测模型训练集对支持向量回归模型训练优化，将优化后支持向量回归模型输出的电磁线圈性能预测值，优化目标值以及预测的约束目标值，构建电磁线圈参数优化模型，进一步通过智能优化算法得到优化后电磁线圈参数。本发明实现了电磁线圈发射系统参数的全局优化，极大提升了电磁线圈发射系统参数的优化效率。

技术领域

本发明属于电磁发射领域，尤其涉及一种电磁线圈发射系统的预测优化设计方法。

背景技术

电磁线圈发射器由于推进电枢和加速线圈之间采用非接触式电磁感应实现机电能量转化，因此能够将不同质量物体发射至超高速，可采用变级发射实现任意出口速度，而且寿命长，可靠性高好，发射及维护成本低，因此电磁感应线圈发射器在军事、科研、航天、工业等领域具有良好的发展前景，一直是国内外研究的热点。

虽然电磁线圈发射技术工作原理简单，但要想获得较大的炮口速度、平滑的加速度、较高的能量转化效率并不容易。电磁线圈发射技术涉及高功率脉冲电源、高强度线圈发射器、抛体结构、点火控制等多个系统。电磁线圈发射系统设计，必须综合考虑电磁场、温度场、应力场的影响及其综合作用，设计难点集中体现在以下三点：

参数之间相互耦合。电容器对线圈放电形成脉冲电流，线圈中的电流产生时变磁场，电枢产生感应电流，和磁场相互作用产生电动力驱动抛体运动；而线圈之间的电流以及电枢与线圈之间存在时变电感耦合效应，导致设计参数间相互影响，逐级点火的线圈通电后会直接影响邻近线圈以及运动电枢上的电流，改变磁场分布，时变磁场和电枢电流的相互作用可能使轴向电动力增大，但也可能反向，这取决于电枢点火位置以及电容和线圈放电电路形成的脉冲电流陡度；

发射器限制条件较多。电枢和线圈中的电流产生焦耳热，使线圈和电枢温度升高，线圈和电枢受到脉冲电磁力的作用，可能会发生形变甚至结构损坏。因此温度和结构成为发射器应用的限制条件之一。此外，受到载荷允许受力的限制，发射器的过载加速度也是设计中的限制条件之一。

电磁线圈发射系统设计主要是以速度和效率作为技术指标，以加速度、温升、应力作为约束条件，设计参数较多，包括系统总能量，每级线圈的电容、电压值，发射器的总长度、总级数，各级线圈的长度、厚度、匝数，各级线圈的触发时序，电枢的长度、外径、厚度、材料，总发射质量等。每增加一级线圈，就会增加该级线圈的尺寸、匝数、触发时刻、驱动电容量及驱动电压等参数，因此随着线圈级数的增加，发射器设计参数的数量会迅速增加，而且由于线圈与线圈之间，以及线圈与电枢之间存在耦合作用，考虑到线圈及电枢的限制条件后，实际增加的难度呈指数级增加。

发明内容

本发明的目的是提出一种电磁线圈发射系统的预测优化设计方法，能够解决电磁线圈发射系统设计约束参数少，计算时间长等问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种电磁线圈发射系统的预测优化设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：构建电磁线圈发射器样本，将电磁线圈发射器样本采用电路模型法或有限元场路耦合法计算对应的电磁线圈发射系统的发射性能样本，以发射性能样本为基础构建优化目标样本、约束目标样本，通过电磁线圈发射器样本、优化目标样本、约束目标样本构建预测模型训练集；

步骤2：根据预测模型训练集构造数据对，构建支持向量回归模型，结合发射器样本、优化目标样本、约束目标样本构建损失函数模型，根据预测模型训练集进行训练，得到优化后支持向量回归模型；

步骤3：在电磁线圈各个参数取值范围内随机生成初始的电磁线圈参数，通过优化后支持向量回归模型输出对应的电磁线圈性能预测值，将预测值拆分为优化目标值以及预测的约束目标值，构建电磁线圈参数优化模型，进一步通过智能优化算法得到优化后电磁线圈参数。