基于聯(lián)合仿真的機(jī)電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、機(jī)電液一體化系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科交叉、技術(shù)密度高的復(fù)雜系統(tǒng)，主要包括機(jī)械、液壓、控制等子系統(tǒng)，其子系統(tǒng)間存在著相互作用、相互影響的耦合關(guān)系。機(jī)電液一體化系統(tǒng)涵蓋多個(gè)學(xué)科內(nèi)容，不僅包括傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)、控制理論、人工智能等，也包括現(xiàn)代的人機(jī)工程學(xué)等。對(duì)于機(jī)電液一體化系統(tǒng)，如采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用各子系統(tǒng)或?qū)W科順序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，忽略了各子系統(tǒng)或?qū)W科之間的相互影響和耦合作用，使設(shè)計(jì)結(jié)果常常不是最優(yōu)解，而且設(shè)計(jì)效率低、周期長，設(shè)計(jì)成本高

2、。機(jī)電液一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有明顯的“多學(xué)科”特點(diǎn)，屬于典型的多學(xué)科設(shè)計(jì)問題。隨著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)、流體力學(xué)和控制學(xué)等理論的不斷完善和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們能夠采用更高精度的模型進(jìn)行子系統(tǒng)或?qū)W科分析與設(shè)計(jì)，各子系統(tǒng)或?qū)W科設(shè)計(jì)均取得了長足的進(jìn)步。因此，如何綜合協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)已成為機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。
　　 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MultidisciplinaryDesignOptimization,MDO)是

3、在復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中集成了不同學(xué)科的知識(shí)、分析與建模理論以及計(jì)算方法，采用有效的優(yōu)化策略，充分體現(xiàn)了學(xué)科間的相互作用而產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，獲得整個(gè)系統(tǒng)的最優(yōu)解。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是一種充分利用和考慮系統(tǒng)所涉及的多學(xué)科間的相互影響和耦合作用、使整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)是利用合適的優(yōu)化策略去組織和管理優(yōu)化設(shè)計(jì)過程的基本思想，通過分解、協(xié)調(diào)等方法將整個(gè)系統(tǒng)分解為若干與當(dāng)前工程設(shè)計(jì)組織形式相一致的子系統(tǒng)，以達(dá)到可以

4、充分利用現(xiàn)有的各學(xué)科分析設(shè)計(jì)工具手段，在分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上利用各學(xué)科或子系統(tǒng)現(xiàn)有的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的目的，從而縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，有效提高產(chǎn)品競爭力。
　　 由于多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化問題常常具有設(shè)計(jì)變量和約束條件的類型復(fù)雜，數(shù)量巨大，各部分、各子系統(tǒng)之間存在著互相耦合等特點(diǎn)，導(dǎo)致很難建立優(yōu)化模型并且難以找到有效的優(yōu)化算法。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化存在兩類耦合因素:一是多個(gè)領(lǐng)域都需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，即系統(tǒng)變量

5、或交叉變量;二是某個(gè)領(lǐng)域計(jì)算的結(jié)果作為另一個(gè)領(lǐng)域的輸入，即相關(guān)變量或耦合變量。機(jī)電液一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及到機(jī)械、液壓和控制等學(xué)科，包括了整體方案與結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化、系統(tǒng)性能的綜合優(yōu)化，難以解決設(shè)計(jì)全局和全過程的問題。機(jī)電液一體化系統(tǒng)的優(yōu)化能否得到圓滿解決，主要取決于能否建立合理的優(yōu)化模型和選擇適合于優(yōu)化模型的有效優(yōu)化算法。
　　 因此，本文引入在航空領(lǐng)域迅速發(fā)展起來的解決復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，對(duì)機(jī)電液一體系統(tǒng)的優(yōu)

6、化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了較全面的研究，探討多學(xué)科優(yōu)化方法在機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性和適用性。論文以機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型與優(yōu)化算法為核心，包括機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的分析、優(yōu)化模型的建立與簡化、尋優(yōu)策略、聯(lián)合仿真技術(shù)應(yīng)用研究、集成優(yōu)化平臺(tái)的搭建、并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)優(yōu)化等。論文的主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　 1、機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型構(gòu)建與簡化
　　 針對(duì)機(jī)電液一體化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將機(jī)電液一體化系

7、統(tǒng)劃分為機(jī)械、液壓和控制等3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)。在子系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，建立了各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析模型，提取了設(shè)計(jì)參數(shù)，明確了各子系統(tǒng)的輸入和輸出參數(shù)以及它們之間的相互耦合關(guān)系，構(gòu)建了機(jī)電液一體化系統(tǒng)的優(yōu)化模型。對(duì)近似模型技術(shù)進(jìn)行了研究，將二次響應(yīng)面和kriging近似模型應(yīng)用于機(jī)電液一體化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。研究表明，在機(jī)電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用近似模型替代原有復(fù)雜的、高精度分析模型進(jìn)行優(yōu)化迭代計(jì)算，大大減少了優(yōu)化計(jì)算量，有效提高了計(jì)

8、算效率，解決了機(jī)電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化中的計(jì)算瓶頸問題，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用性。
　　 2、機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型尋優(yōu)策略與算法研究
　　 對(duì)現(xiàn)有的優(yōu)化方法和優(yōu)化算法進(jìn)行了分析研究，并應(yīng)用不同優(yōu)化方法、單一優(yōu)化算法以及不同優(yōu)化算法組合對(duì)建立的機(jī)電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化分析。研究表明，傳統(tǒng)優(yōu)化算法優(yōu)化時(shí)間短，對(duì)于單峰問題優(yōu)化效果較好;對(duì)于多峰問題，智能優(yōu)化算法優(yōu)化效果較好，但優(yōu)化時(shí)間較長。因此，選擇全局探索+局部尋優(yōu)

9、的混合優(yōu)化策略對(duì)機(jī)電液一體化系統(tǒng)優(yōu)化模型進(jìn)行優(yōu)化，首先采用全局智能優(yōu)化算法搜索確定最優(yōu)值范圍，再用局部傳統(tǒng)優(yōu)化算法獲得最優(yōu)解。通過實(shí)例驗(yàn)證，采用混合優(yōu)化算法，快速高效，精度高，而且獲得的是全局最優(yōu)解。
　　 3、基于聯(lián)合仿真的機(jī)電液一體化系統(tǒng)集成優(yōu)化平臺(tái)的構(gòu)建
　　 提出了機(jī)電液一體化系統(tǒng)仿真優(yōu)化一體化思想與實(shí)現(xiàn)方法，研究了CATIA、ADAMS、ANSYS、MATLAB軟件之間的接口，基于優(yōu)化軟件ISIGHT軟件平臺(tái)，

10、集成了CATIA、ADAMS、ANSYS、MATLAB軟件，搭建了機(jī)電液一體系統(tǒng)的仿真優(yōu)化平臺(tái)，有效地利用了CATIA軟件的虛擬樣機(jī)建模、AMESim軟件的液壓系統(tǒng)建模、ADAMS軟件動(dòng)力學(xué)仿真、ANSYS軟件靜力學(xué)分析和MATLAB軟件控制仿真的功能以及ISIGHT軟件的集成優(yōu)化功能，實(shí)現(xiàn)了基于聯(lián)合仿真的機(jī)電液一體化系統(tǒng)集成優(yōu)化。通過實(shí)例驗(yàn)證，表明采用搭建的基于聯(lián)合仿真的機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化是可行的，結(jié)果是可靠的。