调距桨推进系统的优化设计.pdf

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1、吕音：调距桨推进系统的优化设计·27·调距桨推进系统的优化设计青(武汉船舶职业技术学院机械工程系，武汉430050)提要通过对遗传算法在船舶调距桨推进系统综合优化中的具体实现过程的介绍，阐述了调距桨推进系统优化设计的基本方法。关键词调距桨推进系统遗传算法优化设计中图分类号U662文献标识码A1前言调距桨推进系统主要包括主机、传动设备、轴系和螺旋桨，其中的主机和螺旋桨最为重要。对于这样一个仿真对象，经过划分和过程分解，整个系统可看成是由几个子系统组成，用集中参数化对系统进行简化，再经过合理的综合处理，可建立如图1所示

2、的物理模型。图1可调浆推进系统物理模型对推进系统控制方法采用智能控制技术，而对其进行优化一般是指在给定约束条件下选取合适的推进系统控制参数，使得所设计的船舶推进系统具有最佳的快速性能和控制性能。2设计变量的选择选取某型舰调距桨推进模糊控制系统来设计变量。分析本设计的仿真物理模型，其中有两个模糊控制器，一个是控制螺旋桨的转速咒的模糊控制器，通过调速器主要转速来实现；另一个是控制螺旋桨螺距H的模糊控制器，通过螺距调节机构来实现。并由此选取目标航速V，盘面比A。／A。、螺距比H／D以及转速PID控制器的三个控制系数K。、

3、K2、K。和螺距PID控制器的三个控制系数K。、K。、K。。将作者简介：吕青(1968一)，女，副教授。这九个参数为设计变量，它的向量表达式为X={X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，Xg)丁={V，AE／Ao，H／D，K1，K2，K3，K4，Ks，K6}T(1)3控制目标函数3．1快速性综合分析对军舰而言，快速性是一项重要的性能指标，常^Z／3V173用海军系数C。一l尘1≥上来衡量船舶的线型阻力性能，用推进系数Pc=17H·r／o·r／R·班来衡量推进效率，综合后可以得到某型舰的海军系数垦CsF=瓦

4、1x瓦1一碰潘舻Csr是一个综合衡准因子，可以衡量船舶线型优劣及螺旋桨的敞水效率的优劣，因此，可以用来衡准快速性，则目标函数为P。f(x)=c卵=碰参舻一南A廿^y凸ye2)式中△——排水量，V——船舶的航速，PE——船舶有效功率，P。——主要输出功率，硼——船身效率，7／o——螺旋浆敞水效率，亦——相对旋转效率，'7S——轴系传送效率。3．2经济性综合分析船舶动力装置的经济性主要是指燃油经济性，可采用动力装置每海里航程耗油量作为衡准因子，即bM=兰17(3)式中B——动力装置每小时燃料消耗量，B—b。×PE；b。

5、——燃油机的有效燃消耗率，·28·造船技术2010年第1期(总第293期)PE=Ps×17HXr／0×】7R×奔。目标函数为№)=6M一号一堕盟血笋地(4)3．3总目标函数设计选择将快速性和经济控制目标函数的乘积作为优化设计的总目标函数，即F(X)=，(X)·^(X)(5)4约束条件4．1力平衡条件为使船舶达到设计航速V。，螺旋桨所发出的有效推力Te应等于航速K时的船体阻力R，即丁e—R=(1一￡×tP)KT印2D4一s×Ⅵ(6)4．2运动条件螺旋桨的进程比．厂与它的直径D，螺旋桨转速九，船舶航速协和伴流系数W，保

6、持台下关系。卜墚XVs一0(7)。竹×D⋯4．3不发生螺旋桨空泡的条件螺旋桨的盘面比A。／A。必须大于或等于不发生空泡要求的最小盘面比(Ae／A。)min，即AE／Ao≥(AE／Ao)min(8)4．4各参数的取值在限定的范围内对于等式约束条件，由于仿真模型是在其等式基础上建立起来的，所以等式约束条件是实时满足的，而对于不等式约束条件，需要将其转化为惩罚函数吸收在总的目标函数当中。5遗传算法优化过程5．1编码众所周知，遗传算法中进化过程是建立在编码机制基础上的，编码对于算法的性能如搜索能力和种群多样性等影响很大。编

7、码方式主要分为浮点数编码和二进制编码两种，就二进制编码和浮点数编码比较而言，一般二进制编码比浮点编码能力强。编码、解码操作简单，交叉、变异等遗传操作便于实现，但浮点编码比二进制编码在变异操作上能够保持更好的种群多样性。基于以上考虑，采用二进制编码。5．2选择选择是实现进化的重要一环，许多学者提出了种种不同的选择方法，本设计采用比较通用的轮盘赌法。具体步骤如下。(1)计算各级每个染色体Vi(i=1，2'．．·，pop—size)的适应值eavl(vi)；翼坠堂(2)计算群体的总适应值F=≥：aval(砧)；i=l(3

8、)计算每个染色体yi(i=1，2，⋯，pop—size)的选择概率Pi：Pi=eavl(vi)／F；(4)计算每个染色体V，(i=1，2，⋯，pop_size)f的累积概率qj：qi=≥：Pj；J=1对轮盘转动pop—size次，每次按照下面的方法为新群体选择一个单个的染色体。①产生一个在区间[o，1]里的随机浮点数r；②如果r(q，，选择第一个染色体(V；