水下航行器動力系統裝配質量量化評估及優化?

許則富

（中國船舶重工集團公司七五○試驗場 昆明 650051）

1 引言

水下航行器是一種航行于水下的航行體，主要包括魚雷、水下無人探測器、蛙人運載器等，它能夠完成水下勘探、偵測以及對敵攻擊等任務。以魚雷為例，該類水下航行器通過艦艇、潛艇、飛機上發射，在水中能夠自動航行、自主導航控制和目標攻擊的水下航行裝置，水下航行器在水中航行的動力裝置主要分為熱動力裝置和電動力裝置兩大類，通過燃料或者電池為發動機提供動力輸出，實現水下自主航行［2］。因此，水下航行器的動力系統是保障航行器的續航能力和生存周期的關鍵，在水下航行器的動力系統裝配中，對其質量優化控制和量化評估，能根本上保證水下航行器動力系統的質量優化，從而提高魚雷、無人潛航器等水下航行器的發動機質量水平，研究相關的動力系統裝配質量量化評估和優化方法受到人們的極大關注［2］。

對水下航行器動力系統裝配質量量化評估方法研究是建立在對動力系統的質量量化評估約束指標參量構建基礎上的，采用質量最優為控制目標函數，結合成本和效益等參數指標進行優化求解，從而提高裝配質量［3］，根據上述原理，相關文獻進行了裝配質量優化方法研究，并取得了一定的研究成果，其中，文獻［4］中提出一種基于均衡博弈控制的電機裝配質量量化評估方法，把影響電機裝配質量的機械費、材料費等不定因素納入考慮范圍，以電機輸出功率最優和效率最高為約束目標泛函，采用博弈均衡算法進行全局尋優，改善了裝配質量的優化過程控制，但該方法計算開銷過大，且裝配質量的輸入參量存在非線性特征時，容易陷入具有優化解；文獻［5］中提出一種基于主成分分析的動力系統裝配質量量化評估方法，優化參數選取發動機系統的定子軛厚和永磁體厚度，結合主成分分析方法進行裝配質量的最優控制參數求解，提高裝配質量的量化評估準確性，該方法存在計算開銷過程，不能有效解決裝配質量控制的非線性等問題。

針對上述問題，本文提出一種基于粒子群進化尋優的裝配質量量化評估及優化方法。首先構建水下航行器發動機動力系統裝配質量優化的約束指標模型，采用支持向量機模型進行動力系統裝配質量的自適應量化特征分解，然后進行裝配質量控制目標函數的粒子群優化求解，最后進行仿真實驗分析，展示了本文方法在提高水下航行器動力系統裝配質量方面的優越性能。

2 水下航行器動力系統裝配結構組成及約束參量分析

2.1 水下航行器動力系統裝配結構組成

為了實現水下航行器動力系統裝配質量量化評估及優化求解，需要首先分析水下航行器動力系統的結構構成并進行相關參量的解算，建立幾何參數和目標函數的表達式，首先分析水下航行器動力系統的材料屬性，材料采用永磁體構成，材料成本的主要約束參量為槽滿率kf，永磁體剩余磁密Br以及定/轉子鐵芯的磁密等，根據發動機的輸出功率P、電磁轉矩等Tem和額定旋轉角速度ωr，令發動機的額定繞組為l=ls，定/轉子軸向長度r=rr+lg，以及電磁損耗NI=AwJcukf，B的磁場中通過電流為I時，導體所受的力為：f=Il×B。在旋轉運動中，N個與磁場垂直的導體中，在距離旋轉中心距離為r處的轉矩為T=NILBr。依據洛倫茲法則，定義水下航行器動力系統的剩余磁密：Aw=πlw(2rr+2lg+lw)。可見，在水下航行器的動力系統裝配參量優化中，主要的優化參數包括：極對數P，粗糙系數β，磁極厚度lm，為了降低發動機裝配過程中不確定開銷，在對發動機限定最大轉速的條件下，發動機的動力傳動輸出增益為

其中kc是由發動機的耦合電磁場決定的修正系數，表示發動機實際運行的線圈與總線圈之比（比如kc=2/3），根據非線性反饋控制方法，得到發動機的定/轉子鐵芯的厚度為

其中Fm為每極磁動勢，Ag為永磁體的面積，?為繞組，考慮到漏磁系數的作用，可以估算水下航行器動力系統的電機材料成本、繞組、定/轉子鐵芯的厚度分別為

其中真空磁導率μ0=4π×10-7H/m，μr1和μr2為水下航行器發動機永磁體和磁導率。假設μr1和μr2為1，則得到單位磁場下瞬間跨度：

最后，考慮到發動機在裝配過程中的漏磁系數k1和實際跨距系數kβ，得到在優化裝配控制下的輸出轉矩可以表示為

其中α為鐵芯最大磁密，近似為

其中ks＜1，δ為經驗值。根據上述水下航行器動力系統裝配結構組成分析，對影響發動機裝配質量的參數進行優化求解［6］，為進行裝配質量的量化評估提供準確的數據輸入基礎。

2.2 裝配質量量化評估約束參量求解

根據上述分析的水下航行器動力系統的結構組成和裝配參數分析，對電磁力、功率損耗和效率等相關參數解算。水下航行器的動力裝置輸出產生 的 電 壓E=vl×B。 令v=rωr，r=rr+lg，B=kβk1Bg，l=lskfkcAw/Ac，考慮到磁損耗，則動力裝置的功率損失為

其中ωr為磁密的慣性傳導系數，Ac為電磁轉矩。航行器的動力系統的輸出電流可以表示為I=AcJcu，裝配控制端電壓為：V=E+RI，其中R為轉子的材料損耗，因此：

其中ρ為導線電阻率，ket=1+πγ(rr+lg+lw)/(pls)，表示轉子鐵芯相對靜止狀態下的磁密修正系數，γ為線圈裝配的跨度系數，1代表整距繞組。在對發動機整機裝配過程中，輸入功率P=VI與Ac無關，由此可以估算功率損耗，在線性約束指標參量體系下，通過主成分分析，得到發動機裝配的消耗時間常數，考慮影響發動機輸出效率的繞組的自感為

在自感中計入互感，為了使得發動機的功率增益提高，將自感放大4/3倍，此時電機的輸出轉矩為

因此Ac可以在電壓和電流之間折中選取，動力裝置的定子鐵芯最大磁密為

3 裝配質量的量化評估實現及優化

3.1 支持向量機建模

在上述分析水下航行器動力系統的結構組成，并對電磁力、功率損耗和效率等相關參數解算的基礎上，進行水下航行器動力系統裝配質量量化評估優化設計，本文提出一種基于粒子群進化尋優的裝配質量量化評估及優化方法，采用支持向量機模型進行動力系統裝配質量指標參數自適應量化特征分解，支持向量機模型采用發動機裝配質量最優為控制目標函數進行樣本訓練，具有泛化能力強、求解速度快的優點［8］，假設水下航行器動力系統裝配質量訓練集T={(xi，yi)}，i=1，2，...，n，根據SVR原理［9］，得到裝配質量的優化控制回歸函數為y=f(x)=aT·x+b，其中xi∈Rd是輸入的體積/重量、堅固程度指標向量，通過f（x）來推斷任一輸入x對應的y的值，引入松弛變量ξi和ξi*，懲罰參數C，得到水下航行器動力系統裝配質量控制的支持向量機回歸控制模型：

其中C＞0，根據支持向量機模型進行動力系統裝配質量指標參數自適應量化特征分解［10］，得到裝配質量量化控制目標函數表示為

其中wp，wv，wc為權重系數，P1=Pcu+Ph+Pe+Pb+Pw為發動機的材料成本、機械損耗與功率損耗之和，Vt為發動機的體積。

3.2 粒子群優化算法

采用模糊聚類算法進行裝配質量約束指標系數的屬性分類處理，得到裝配質量約束指標的聚類輸出為

考慮到粒子在當前最優解Pg的徑向基核函數（RBF核），通過粒子位置、粒子速度的優化解，得到動力系統裝配質量控制的適應度值可表示為

設定粒子的學習因子，將發動機的裝配質量等級的劃分每個粒子有k維，即為{α1，α2，…，αk}，比較各粒子的適應度值，更新其最優的個體最優值Pi和全局最優值Pg，通過上述處理，自適應更新粒子的速度和位置，避免量化評估的最優解陷入局部最優，提高了整個水下航行器動力系統裝配質量評估和全局穩定性［12］。算法的實現過程如圖1所示。

圖1 水下航行器動力系統裝配質量量化評估粒子群算法實現過程

4 仿真實驗與性能分析

為了測試本文方法在實現水下航行器動力系統裝配質量量化評估及優化中的應用性能，進行仿真實驗，實驗采用Matlab 7軟件仿真設計，設定水下航行器動力系統的輸出轉矩為20N.m，功率總損耗為1200W，發動機的轉動慣量0.0025Kg·m2，額定轉速3000r/min，發電機的阻尼系數0.025 N·m·s/rad，發動機裝配質量控制的相關參數為：Q=200，c1=30，c2=10，cr=2，μ1=μ2=0.01，ρ1=ρ2=0.01，δ=0.8。根據上述仿真環境和參量設定，進行裝配質量的量化評估仿真，得到水下航行器動力系統裝配質量量化指標的功率輸出和效率輸出如圖2所示。

圖2 動力系統的輸出功率和效率分析

分析圖2得知，采用本文方法進行水下航行器動力系統的裝配質量量化評估，有效提高了發動機的輸出功率和效率，輸出穩定性較好，在此基礎上，測試各個裝配生產組別的質量水平和效率水平，得到結果見表1，分析表1結果得知，本文方法進行裝配質量優化處理后，各個生產組別的裝配質量水平和效率水平有顯著性提高。

為了對比不同方法的性能，采用本文方法和傳統的PID方法進行裝配質量量化評估，得到預測誤差收斂性曲線如圖3所示，分析得知，本文方法的全局收斂性較好，實現狀態過程質量優化預測，改善了系統裝配質量。

5 結語

水下航行器的動力系統是保障航行器的續航能力和生存周期的關鍵，在水下航行器的動力系統裝配中，對其質量優化控制和量化評估，能根本上保證水下航行器動力系統的質量優化，從而提高魚雷、無人潛航器等水下航行器的發動機質量水平，本文提出一種基于粒子群進化尋優的裝配質量量化評估及優化方法。構建水下航行器發動機動力系統裝配質量優化的約束指標模型，采用支持向量機模型進行動力系統裝配質量的自適應量化特征分解，進行裝配質量控制目標函數的粒子群優化求解。研究表明，本文方法能有效提升水下航行器動力系統裝配質量，在發動機裝配中具有很好的應用價值。

表1 各個生產組別的裝配質量評估水平

圖3 裝配質量評估預測誤差收斂性曲線

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