平頂長(zhǎng)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法.pdf

1、強(qiáng)磁場(chǎng)作為一種極端實(shí)驗(yàn)手段，其在科研、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。許多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都是直接得益于極端強(qiáng)磁場(chǎng)條件。根據(jù)磁場(chǎng)持續(xù)的時(shí)間可將強(qiáng)磁場(chǎng)分為脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)等類(lèi)型，這兩種類(lèi)型的磁場(chǎng)在各領(lǐng)域都已經(jīng)有了重要的應(yīng)用，但二者也都有一定的應(yīng)用局限性。平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)則是介于脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)之間的一種強(qiáng)磁場(chǎng)裝置，由于它綜合了脈沖場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)高和穩(wěn)態(tài)場(chǎng)的紋波小的特點(diǎn)，而且造價(jià)成本比穩(wěn)態(tài)場(chǎng)要低很多，所以平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)得到了許多科學(xué)家的

2、青睞。
　　由于平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)高且脈寬長(zhǎng)，磁體的功耗、溫升和應(yīng)力都很大，這對(duì)電源系統(tǒng)和磁體系統(tǒng)都是極大的挑戰(zhàn)。另外平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的電源系統(tǒng)和磁體系統(tǒng)之間存在電和熱等耦合關(guān)系，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須將電源和磁體進(jìn)行迭代耦合計(jì)算，這增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。本文即以在綜合考慮電源和磁體特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)為主要內(nèi)容。
　　在數(shù)學(xué)模型方面，文章基于華中科技大學(xué)國(guó)家脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)中心現(xiàn)有的裝置條件，建立了脈沖發(fā)電機(jī)-整

3、流器型電源、電容器型電源和蓄電池型電源的數(shù)學(xué)模型并分析了其工作特性，同時(shí)將磁體系統(tǒng)的電磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)特性進(jìn)行了解耦分析和建模。
　　在建立的電源和磁體系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程和優(yōu)化方法。以單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)為例分析了遺傳算法在平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并用枚舉法驗(yàn)證了遺傳算法在進(jìn)行平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的可行性。
　　針對(duì)單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)只單一追求磁場(chǎng)最高而使電源和磁體系統(tǒng)

4、的其他參數(shù)都處于裝置運(yùn)行極限的情況，引入了差分進(jìn)化算法進(jìn)行平頂脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。將電源系統(tǒng)的電壓、電流和功率等關(guān)鍵參數(shù)與磁體的磁場(chǎng)和溫度等進(jìn)行統(tǒng)一綜合優(yōu)化。分析了加權(quán)法在低維多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程及其所得最優(yōu)解在Pareto前沿上的直觀分布情況。
　　在高維多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，引入了根據(jù)各優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)劣情況進(jìn)行分層打分的可視化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以發(fā)電機(jī)-十二脈波整流器電源給單線圈供電為例闡述了該優(yōu)化方法的詳細(xì)設(shè)