[发明专利]一种基于遗传算法和ANSYS仿真的磁通变换器的优化设计方法

摘要

本发明涉及磁通变换器的优化设计领域，特别是一种基于遗传算法和ANSYS仿真的磁通变换器的优化设计方法，选取磁通变换器的驱动电路中电阻、电容以及驱动电压作为主要优化参量，采用遗传算法结合ANSYS仿真进行驱动电路的优化设计。衡量磁通变换器动作性能的指标有两个顶杆弹出的最终速度v和整个脱扣动作的执行时间t。优化设计的同时考虑了磁通变换器的实际脱扣动态过程。该方法有利于对磁通变换器进行优化设计，从而提高磁通变换器的动作性能指标。

主权项

一种基于遗传算法和ANSYS仿真的磁通变换器的优化设计方法，其特征在于具体步骤如下：(1)：选取磁通变换器驱动电路中的电阻R、电容C和驱动电路电压U作为影响磁通变换器最终动作性能的优化变量，每一组电阻R、电容C和驱动电路电压U的取值作为种群中的一个个体，设置进化代数计数器t=0，设置最大进化代数T，进行初始化，产生初始种群；(2)：定义适应函数：采用模糊函数作为适应度fi评价子程序，用于计算步骤(1)得到的初始种群P(t)中各个个体的适应度fi，衡量磁通变换器动作性能的两个指标：顶杆弹出的最终速度v和整个脱扣动作的执行时间t，其中适应度fi评价子程序按以下步骤进行：(2.1)：调用适应度fi评价子程序，采集初始种群P(t)中每个个体在动态计算中得到的顶杆弹出的最终速度v和整个脱扣动作的执行时间t结果；(2.2)：求解适应度fi，目标函数适应度fi是以顶杆弹出的最终速度v和整个脱扣动作的执行时间t两个指标为参量的模糊评价算法函数；(3)：对初始种群中的个体进行二进制编码，进行遗传操作，所述遗传操作包括复制交叉和变异；(3.1）复制：一代种群中所有个体（假设共m个）按适应度fi成比例的依次组成一个圆形的轮盘，随机转动轮盘，当轮盘停下来时，轮盘上指针所指向的个体就是被选中的个体，旋转m次轮盘，选出m个个体后代；(3.2）交叉：第一步在种群中随机抽取两个个体，作为交叉操作的父个体，第二步是随机地选择交叉点，对匹配的位串进行交叉繁殖，产生一对新的位串；具体过程如下：设个体的基因长度为n，在[0，n]的范围内，随机地选取一个整数值k作为交叉点，将两个配对位串从位置k后的所有字符进行交换，从而生成两个新的位串；(3.3)变异：对个体进行小概率的替换,即将变异算子作用于群体，对群体中的个体串的某些基因值作变动；(4)：对个体进行二进制解码，选取个体，调用ANSYS仿真子程序得到二维数据表格，具体步骤为：(4.1)：根据遗传算法中的个体对电阻R、电容C和驱动电压U的取值，首先在ANSYS平台上进行磁通变换器的静态仿真，在一组确定的R、C、U取值下，ANSYS的静态仿真结果取决于在一个脱扣动作过程的不同时刻，顶杆与磁通变换器内部的永磁体之间的气隙x和线圈电流值I，在动作的每一个时刻都有一组确定的气隙与电流值相对应，根据一组气隙x和电流I的取值，通过ANSYS仿真得到在这一条件下顶杆所受到的电磁合力F和线圈磁链φ的值；(4.2)：磁通变换器的动作过程非常迅速，在这个过程中，顶杆与永磁体之间的气隙值x在不断变化，同时随着电容放电，线圈电流值也在不断的变化，在动作过程中的每一个时刻，都有一组确定的气隙与电流值相对应，通过合理的改变气隙和电流的取值可以得到磁通变换器整个动作过程中其顶杆所受的电磁合力F的变化过程，最终可以得到两张顶杆所受电磁合力F和线圈磁链φ关于气隙x和电流I的二维数据表格；(5)调用Runge‑Kutta动态计算子程序进行动态特性计算，得到分别对应每一个个体的顶杆弹出的最终速度v和整个脱扣动作的执行时间t的结果，其中Runge‑Kutta动态计算子程序按以下步骤进行：(5.1)：调用四阶Runge‑Kutta算法子程序进行动态仿真，子程序从上一步骤中得到的二维数据表格中自动采集一系列的气隙——电流值组合下的电磁合力和线圈磁链结果，由气隙x和磁链φ计算出该气隙值时的线圈电流I；(5.2)：由上一步骤得到的气隙x和电流I插值计算得到电磁合力F，利用气隙值x计算得到弹簧弹力Fx；(5.3)：利用Runge‑Kutta公式计算微分方程组的系数，然后求解微分方程组；(5.4)：由气隙值x判断顶杆是否已经到达脱离状态，若否，返回步骤(5.1)；若是，转到步骤(5.5)；(5.5)：将微分方程组的求解结果输出，最终得到磁通变换器运动过程中顶杆受到的电磁合力F、弹簧弹力Fx以及线圈电流I、顶杆速度v及其变化的曲线；(6)：将新种群中不符合限制条件的个体染色体编码进行修正，对初始种群P(t)中各个个体的顶杆弹出的最终速度v和整个脱扣动作的执行时间t进行适应度fi计算，调用评价子程序，判断是否继续进行遗传操作；若否，转到步骤(7)；若是，返回步骤(3)；(7)：把在后代中出现的最高适应度fi的个体作为遗传算法运行的结果，储存该个体的电阻R、电容C和驱动电路电压U的取值，这一结果是问题的解或近似解。