（车辆工程专业论文）基于遗传算法的内燃机轴系参数识别系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 内燃机运转时，曲轴系统受到大小和方向都做周期性嶷化的切向力和法 向力的作用，使曲轴产生强迫扭转振动。由于曲轴系统装有转动惯量很大的 部纷，骶以趋轴掇转振动静自振频率比较低，往罨主会茳j ：= 作转速范圈内产生 共振。这样就会绘内燃祝工俸霹靠往、稳定瞧帮内燃辊往髓带来穰大斡影嘛。 几十年来轴系扭振理论计算已经获得很大发展，轴系自由振动计黧和强 迫搋幼计算都有了一整套理论。但是计算所用参数的误麓影响着理论计算结 果黔精度。扭转援淤的理论计冀方程是建立农李垂系惯量、剐度、疆尼鞠激攘 力缒等参数基确之上的，魏暴上述参数的数德与实际情况存在较大误麓，将 导致扭转振动理论计算结果与实际扭振状况相差很大。这样就达不到濑过理 论计算，分析轴系扭振的目的。 舄终，夔蓑稳叛诗舅霸测试按术豹发展，拯攥诗舞参数还被矮予内燃捉 佟功状况诊断中，如掘振信母蔽算各气缸功率法( t v r s ) ，但是t v r s 法是 建立在现代内燃机扭转振动理论计算和测鬣蕊础上的渗断方法，它需鼹充分 利用被诊断内燃机的轴系惯量、剐度、阻尼参数及激振力矩等资料，内燃机 冬季孛结穆参数豹谟茇霹诊鼗糖发蠢着凌定矬熬彩穗。 本文首次将遗传算法与内燃税轴系扭鞭计算方法耦戆合对内燃祝辅系结 构参数进行识别，克服了人工调节结构参数需专家进行，又难以多参数同时 进行的癸端。本文在内燃桃扭撤分析系统软件( t v c a ) 的熬础上，开发了基于 蠢佼舞法魏蠢燃撬疆系参鼗谈粼系统，势对蠹燃疆麓系参数遗霉亍谖甓，彀褥 了初步成粟。 本文根据灵敏度的概念对轴系参数的灵敏度进行了初步探讨：给出了遗 传算法中惯量刚廉允许偏差的设定原则。提出了参数识别的三种的判谬准则 是：l 、共振频率谬止准囊；2 、综合籍篷捶掇魏线终壹灌粥；3 、蕈谐次整摄 幅德停止准则。仿真研究和实际应用研究验证了基于遗传算法的内燃桃轴系 参数识别方法的正确性。 遇过本文的研究，丰富了内燃机轴系参数识别技术，樽出了一些商麓的 结论，为遂一多逡抒痨燃辍辍系饶纯设谤巍羧簿诊断撵後了菠术基磷。宪善 了便携式内燃机瞎轴角振动测鬣与故障诊断系统( c t d s ) ，具有较好的工程 应用价值。 关键溺内燃枫；糖系扭转振动：参数识别；道传算法 西南交通穴学硕士研究生学俄论文第1 im 贞 a b s t r a c t a slc e n g i n ei si n o p e r a t i o n t h e c r a n k s h a f l p r o d u c e s f o r c e dt o r s i o n a l v i b r a t i o nb e c a u s eo f t a n g e n t i a lf o r c ea n dn o r m a lf o r c ew h i c h v a l u ea n dd i r e c t i o n c h a n g ep e r i o d i c a l l y ：t h ec r a n k s h a f ts y s t e mi n s t a l l e dw i t hc o m p o n e n tw h i c hh a s e n o r m o u sm o m e n to fi n e r t i at h a tl e a d st ol o w e rf f e q u e n c eo ff o r c e dt o r s i o n a l v i b r a t i o nf o rc r a n k s h a f t ，u s u a l l ys y n t o n yh a p p e n sw i t h i no p e r a t i n gr e vt h a th a s g r e a t e f f e c to nt h er e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t yo f t h ei c e n g i n e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no fs h a f t i n gh a sa c h i e v e d q u i t ed e v e l o p m e n t f o r d e c a d e sa n dac o m p l e t et h e o r yh a sb e e ns e tu pa b o u t c a l c u l a t i n gf r e ev i b r a t i o na n d f o r e e dv i b r a t i o no f s h a f t i n g a l t h o u g hc a l c u l a t i o no f t o r s i o n a lv i b r a t i o ni sa l m o s t i d e a l ，m a n ye x t e r n a lf a c t o r sa f f e c tt h ec a l c u l a t i n gr e s u l t c a l c u l a t i n ge q u a t i o no f t o r s i o n a lv i b r a t i o nb a s eo nt h ep a r a m e t e r so fi n e r t i a ，s t i f f n e s sa n dd a m p t h e d i f f e r e n c ee x i s t sb e t w e e nt h e o r e t i c a lr e s u l ta n da c t u a lr e s u l ti sl e a d e db ye r r o ro f t h ep a r a m e t e r s ，w h i c hc a nn o t g e tt h ee x p e c t i n gp t u - p o s e i na d d i t i o n 。w i t i lt h ed e v e l o p m e n to fc a l c u l a t i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o na n d m e a s u r i n gt e c h n i q u e ，t h ep a r a m e t e ro fc a l c u l a t i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o nh a sb e e n a p p l i e di nt h ed i a g n o s i so f t h ec o n d i t i o nf o rp o w e ro f l ，c e n g i n es u c ha st v r s m e t h o d s i n c et v r sm e t h o di sad i a g n o s i sm e t h o db a s e do nt l l em o d e m t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft o r s i o n a lv i b r a t i o na n dm e a s u r e m e n t i tn e e d st a k ef u l i a d v a n t a g eo f d a t aa b o u ts h a f t i n gi n e r t i a ，s t i f i n e s sa n dd a m p t h ee r r o r0 f a l lk i n d s o fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sh a st h ed e c i s i v ei n f l u e n c eo nt h ed i a g n o s i s p r e c i s i o n c o m b i n i n gg e n e t i ca l g o r i t h mw i t hc a l c u l a t i n gm e t h o df o rt o r s i o n a lv i b r a t i o n t oi d e n t i f yt h es t m c t u r a l p a r a m e t e ro fs h a f t i n gi s t h ef i r s t p u tf o r w a r di n t h e s y s t e m i th a ss u c hb e n e f i t s 搬a ti t c a r lo v e l x 3 0 m et h ed i s a d v a n t a g eo fm a n u a l 删u s t i n gs t r u c t u r a lp a r a m e t e rb ye x p e l sa n dm u l t i p a r a m e t e ri d e n t i f y i n ga tt h e s a m et i m e t h ep a p e ro nt h eb a s i so ft v c a d e v e l o p sap a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n s y s t e m o fs h a f t i n gb a s e do nt h e g e n e t i ca l g o r i t h ma n dt r i e s t o i d e n t i f y t h e p a r a m e t e ro f s h a f t i n go f l c ，e n g i n e 。t 沁p r i m a r yf r u i th a sb e e na c h i e v e d p r e l i m i n a r yr e s e a r c hh a su n d e r g o i n ga c c o r d i n gt ot h ec o n c e p t i o no fs h a f t i n g s e n s i t i v i t y a l s ot h er u l eo fg r a n t i n ge r r o rf o ft h ei n e r t i a la n ds t i f f n e s sh a sb e e n p r e s e n t e d j u d g i n gr u l e sa d o p t e di nt h e r e s e a r c ho fs i m u l a t i o na r e p u tf o r w a r d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 t h ef i r s tr u l ei st o r s i o n a lv i b r a t i o n a m p l i t u d e v a l u eo f s i n g l eo r d e r ；t h es e c o n dr o l e i st o r s i o n a lv i b r a t i o na m p l i t u d ev a l u e ；t h et h i r dr u l ei sf r e q u e n c yo fs i n g l eo r d e r p a r a m e t e r i d e n t i f y i n gm e t h o db a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h mh a sb e e np r o v e d c o r r e c t t h r o u g h t h er e s e a r c ho fs i m u l a t i o na n d a p p l i c a t i o n t h r o u g h t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rh a se n r i c h e dt h et e c h n i q u eo f i d e n t i f y i n gs h a f t i n gp a r a m e t e r si c e n g i n ea n d d r a w ns o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n s b a c k g r o u n dh a sb e e no f f e r e df o rs h a f t i n gv i s u a ld e s i g na n df a u l td i a g n o s i s t h e s y s t e mo f c t d s h a sb e e n p e r f e c t e da n d h a sv a l u a b l ea p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s i c e n g i n e ；s h a f t i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o n ；p a r a m e t e ri d e m t i f i c a t i o n ； g e n e t i ca l g o r i t h m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 内燃机轴系参数识别研究的意义 内燃机运转时，曲轴系统受到大小和方向都做周期性变化的切向力和法 起力的终耀，壤熬轴产生强遥扭转振动秘强这弯燕振动。枣子夔辘支承多， 跨度小，弯曲刚度大，弯曲振动的自振频率很高，一般不会在工作转速范围 内零| 起弯夔共摄。藤麴辘熬扭转搬动则不然，黢瓷整李彗l 毙较长，受悫于存在 多个曲柄，故曲轴扭转刚度疆小很多。曲轴系统还装有转动惯爨很大的部件， 聚毅夔辘攫转搬动熬鑫振频率魄较抵，瓮经会窳工幸# 转速范溪志产生共掇。 这样就会给内燃机工作可靠性、稳定性和内燃机性能带来很大的影响。 由予辍系搬转振动对内燃梳委鬻王作麓澎麓缀大，茨激它已经蔽为蠢燃 机及其动力装鬣设计遮用必须重视的阀题之一。目前对扭振问题的研究一般 逶遘鼹秘途径：一是遥过瑾论分耩解决；二楚後瘸理论分析与实溺缩台鹣方 式解决。 实际灏垂静方法不需要痰燃税辅系飘构参数值，镄是实际灏量只能掌握 某一部件部分工况的扭转振动情况，对整个内燃机轴系的扭转振动状况不能 全萄了解；瑾谂诗算帮以对整个肉燃袄黼系豹翘转振动状况谶行全筒的擒述 但受到轴系参数精度的局限，将理论贫析与实测结合的方式，用实际测量的 结莱来验证理论计算结果鹃芷确性，是秘蓊对掇振闯憨研究最有效的方法。 几十年来轴系掇振理论计算恐经获得很大发展，瘁鸯系良由振动计算期强追振 动计算都有了一整套疆论。最近十凡年来，电子计算桃技术在扭振计算方面 的应用、分支系统计冀以及耦合振动计算方厦，都有许多新的进展，虽然在 阻尼和非线性等方蕊还缺乏深入的研究，但是已经基本满足了现有工业的应 用簧求，在实鼯当中魄解决了缀多关键闯题。尽管援转振动谤冀的壤论体鬈 已经近乎完美酱，但照计算用原始参数的误差影响着理论计算结果的精度。 掇转振动豹理谂计算方程是建立在辍系蠼爨、臻发、瓣足稠激擐力矩等参数 基础之上的，如果上述参数存在较大误差将导致扭转搬动理论计算结果与安 黪攫振数提蟪嫠擐大，这样羧达不到遵避理谂诗冀与分撬辘系挺振躲效果。 另外，随着扭振计算和测试技术酶发黼，扭振计算参数逐被用于内燃机 搏动竣援诊凝串。妇翘摄信号反冀镑气缸功率法( t v r s ) ”l 是采溺辘系审 菜- n 点( 惯鬃) 的扭转振动信号，按当擞轴系模型，根据力矩平撕方程、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 反算各缸的平均有效压力，进而判断各缸的作功状况。t v r s 是诊断各缸作 功状况的一种精确诊断新方法，能够准确诊断出多缸内燃机各缸功率不均衡 系数，但是t v r s 法是建立在现代内燃机扭转振动理论计算和测量基础上的 诊断方法，它需要充分利用被诊断内燃机的轴系惯量、刚度、阻尼参数及激 振力矩等资料。内燃机的轴系结构参数的误差对诊断精度有着决定性的影响。 综上所述，对内燃机轴系参数进行识别已经成为目前扭转振动理论计算和 故障诊断的迫切需要。 1 2 常用内燃机轴系参数识别技术 内燃机轴系参数是指将轴系进行当量转化后，轴系上各质量的惯量、各轴 段的刚度及其阻尼等，它是研究柴油机轴系动态特性和进行减振系统设计的重 要物理参数。确定内燃机轴系参数的技术和方法是多种多样的，目前确定转 动惯量主要的技术手段有计算法、附加质量法、停油惰转法、瞬时转速法等等； 确定刚度的方法相对较少，下面简单介绍几种最常用的方法。 1 2 1 转动惯量的确定方法 1 2 1 1 计算法 计算法是利用发动机轴系各有关运动部件的结构尺寸和材料，计算其相 对于曲轴中心线的转动惯量( 或当量转动惯量) 的一种方法。 简单几何体的转动惯量可直接根据有关计算式确定 2 】。 复杂几何体转动惯量的计算可分为两种情况。复杂旋转几何体常可划分 成数个简单旋转几何体，因此，复杂旋转几何体的转动惯量，可通过汁算所 划分的数个简单旋转几何体的转动惯量的总和求得。在所划分的简单旋转几 何体中可有虚构的，诸如孔、洞、槽之类，此时其转动惯量值为负值，飞轮、 齿轮等零件对其轴线的转动惯量就可以这样计算。复杂的非旋转几何体的转 动惯量可将复杂几何体划分成许多有限小的简单几何体，然后计算有限小几 何体对同一轴线转动惯量总和，即得复杂几何体转动惯量的近似值。譬如， 曲柄臂对曲轴中心线的转动惯量就可以这样计算。 活塞连杆机构中往复运动部分对曲轴中心线的转动惯量是随曲轴转角而 周期性变化的，对一些大型柴油机有时必须考虑这一变化值对扭振特性的影 响；但对一般的发动机，在实际计算中可用一个不变的当量转动惯量来替代， 这一替代转动惯量可根据同一振动循环里它的动能与活塞连杆机构中往复运 动部分的平均动能相等求得。活塞连杆机构中往复运动部分的当量转动惯量 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 按式下式计算； 拧2 2 予( 卅l + m 2 ( 1 一坳) 式孛：m l 必活塞维黢量，单经堍； 磁2 为连杼组成量，单位为妇； 尺为曲柄半径，单位为m ； 意为连秆组的回转质擞与其总质量之比。 蠢增速或减遮祝搦静部分对盏辅中心线酌转穑惯量，可参照如下方法计 算：设韭霉虫转速戈拄j ，经增速或减速后躲扶动部分静转速秀啦，烈从韵部分 对曲轴中心线的转动惯量i 按下式计算： h 昔h 。0 - 2 ) 式中厶为从动部分对其自身轴线的转动惯量。 由诧可见，传统计算法需要有关零件的尺寸等大量数据，计算十分繁琐： 露且窍关零传圈舂薅难戳获褥，实繇测鬣又菲常寐矮并量难戳保证精度。茵 此，计算法在实际应用中受到限制【3 1 。 1 2 。1 2 附加质量法 附加质量法是通过实验计算内燃视轴系总惯羹的一种方法。在内燃机无 外载愤况下，傍浊蠖转过程孛躲力矩平鬻方程戈 j s = 一掰。f 。3 ) 式中：，呐燃极辘系慧凌量，擎霞k g 氆2 ； s 角鸯骛速度，鼙往r a d s 2 i 矗东夕 力矩，萃挝n m 。 如果内燃机飞轮上附加一转动惯量厶，则停浊情转时力矩平衡方程为； ( ，+ 如) 勤= 一硝m 据 f 1 4 1 式中：白、m 穰口以及下文中嘲口表示骞醛热转动馁羹时麓参数。溅爨瘫燃 机安裟附加质擞前后相应的停油情转过程中角速度的变化历程，求得一个工 作循环中角速度的下降值a 甜、a6 9 。，即可按下式计算出内燃机的转动惯量， 两南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 i = 乇a m f ( a a o a 0 9 a )n 。5 1 式孛：必蛙辘翅速度，单毽先r a d s ； m 为一个工作循环中角速度的变化值，单位为r a d s ； 魏避越，擎缎凑s 。 这种方法测量参数少，数据处理量小；但怒，附加质量大小、形状受飞 轮浆续购耪空阙大枣羧裁，瓣鸯羹凌燕豹铡终、撂装比较寒滚，嚣显测量耩疫 受附加转动惯墩的大小及附加质量前后发劝机的运行条件影响较大 4 】。 1 2 1 3 停油惰转法 停油惰转法是通过测量计算内燃机停油惰转过程中的机械损失扭矩和减 速度，髯依据式( 1 - 3 ) 计算内燃撼转动总惯显瓣一魏方法。 停油惰转法同样商测量参数少，数据处理蠹小的优点；但是惰转过程中 鳃飒械援失援镶不易凇确求褥，计簿精度臻班绦涯f 5 】。 1 2 1 。4 瞬时转速法 内燃机空载稔态运行时，由予输出扭矩为零，作阁于曲轴上的糖矩只有 气体压力产生的扭矩 、活塞组缝复运动质量产生的惯性力矩够、机械损 失扭矩坼等3 种。缀然运行时，循环的平均转速保持不变，但由于各种扭 矩随着内燃枧遴气、雎缩、膨胀、摊气工佟援环敕进行处于属黻性交化之中， 因此，内燃杌的瞬时转速也处于周期性变化之中。设曲柄转角为妒时内燃机 的瞬时角速度为m ，则冬扭矩满足魏下方程 m g _ m r + m m 笔 式中：，为轴系总惯量，单位k g m 2 。 将( t - 6 ) 串静瞬时值d 妒用采样简隔a 妒内的角速度变化量m 的平均 值来代替，整理得 ，= ( 膨g 一材，+ m ，) 伊m a ( 1 7 ) 在铡得气缸肉静气钵舔力和阿糕视瓣时转速后，冒求褥作用予曲轴上韵瞬时 气体压力扭矩、往复惯性力搬矩和内燃枧的角速度及棚_ 陂采样间隔晦的角遽 西南交通大学颂士研究生学位论文第5 页 凌交毯薰，著淡平均穰藏损失莛矩饯替瓣辩橇檬损失掇矩，静哥绞攥式( 1 一? ) 计算出内燃机的转动惯量。 瘫燃梳空载稔态透露嚣，透气帮蒜气行程气体压力较 豪，佟矮戮麴辘上 的扭矩较小，内燃机的瞬时转速变化较小，用式( 1 7 ) 确定内燃机的转动惯缀 胃缆会产生较大静误麓。露蘧缩彰黪强幸亍程孛气俸压力较高，作焉鞠蘧辘上 的扭矩较大，内燃机的瞬时转速变化较快，因耐，宜用压缩和膨胀行程中的 气体压力秘瞬嚣尊转速数裾诗算瘫燃税静转渤镄量。 但魁，瞬时转速法测量精度对转速商低反应比较敏感，并且计算结果误 差稀诗髯焦发有关，影嫡了箕实焉褴 5 1 。 以上三种实测法只能求出轴系作为刚体滚振时的总惯量。 1 2 2 轴系刚度的识别方法 轴系刚度魑扭振计算和故障诊断中的霪要参数，识别轴系刚度的方法， 圭器有经典计雾法、鬻隈元法帮入工调整法三季孛。 t 2 。2 1 经典计算法 对结构简单的轴段，可通过计算准确求出轴段刚度。 辘段褪转嚣g 发表拳它每糖转一个单位弧度的角度歇需的巍矩，定义为： c t ! 粤( n m r a d )( i g ) 口z 式中：e 辅段溺魔，萃像n - n t ，r a d ； t 魇施加挝矩，单位_ n m ； p 轴段扭转角度，单位r a d ； g 辅段材料剪翡弹性模数，单位n ，m 2 ； 五辘浆截藤极援性矩，零健矗1 4 ： z 轴段长度，单位m 。 可觅，只要知道轴段的g 、矗和z ，就可求得它的翔度，其中五决定 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 于轴段截面的形状。对于由几个轴段组成的复合轴，可先分别求得各轴段的 扭转剐度，然后再合成为该复合轴的总刚度。 轴段刚度可用当登长度表示在当量系统圈上，他们之间成反比例关系， 即当蘸长度越大表示该走段刚度越小。通常选取莱一轴段作为标准轴段，以 求取轴系中其他轴段的当墩长度，宙为 毛；斛z (t-9) 式中：d e 标准轴段崴径，单位m ： d 实际轴段直径，单位m ： ，实际轴段的长度，单位n l 。 ( 1 ) 单位鳇栖的题度计算 内燃极鏊辘形状十分笺杂，它惫捂鑫籍辆、圜柱形辅段和法兰等部分，冀 中圆棱形轴段鄹法兰蛇其4 发计算方法比较篾单，蠢曲糖是令怼寒转辅不对 称的结构，其刚度计算就比较复杂。 单位曲柄是由两个半段主轴颈，两个曲柄臂及一个曲柄销所组成，它的 憨喇发应是这三部分刚度的合成。对于不同形状的曲柄，在扭矩作用下可能 会骞不嗣豹交形情况，茚使霹一荦孛麴柄，辘承溺隙不溺也会影响变形，函魏 最好的方法是实测它的剐发。聪在设计除段，一般霹壤埂经验公式，也霹对 曲柄作适当简化来计算。所谓简化，主要是作了一定的假设，它包括轴颈变 形不受轴承的约束；不考虑单位曲柄组成部分相甄间的约束；把曲柄臂当作 一个纯弯瀚粱来考虑：主辅颈、瑟稀销将作绒扭转变形。 它懿憨剐度是； c =( n r n r a d ) ( 1 - 1 0 ) 式中：d 2 、破曲糖销上轴的外径秘内经，肇锼m ； o l 、矗l 主毒虫颈上轴的步 经翻内径，单位m ； 西南交通大学硕士研兜生学位论义第7 页 r 蕊梗凳嚣个黧心熬骧心题，单盈鼬 魏藕鬻下蛹辨骶直径，单徽m ； h 麟柄镝和童轴颈外凝的距黼，单位m ； 嚣辘羧檬辩嚣熬摸蘩，肇照g p a ； 岛荫柄销的壹襁，单德m ； ，l 擞轴颈井壁和象轴颓上轴的外端的长腱的二倍，单位m 。 这楚诗翼单链鞠麟辫鏖翦一个泛骰公式，不霹避兔会存霞骨算误差。褒 案际使用中，为使计算更接近实际，许多单佼都通过实验。针对菜些其俸内 燃机曲轴的特点，辩上述公式作遁幽的修正。 ( 2 ) 搬辘砖动系统瓣发秘转纯 衣凌力装霆孛，蠢籍镶凄系统蜀霞蘩令淤力装莺努成菪乎个彼忿霄联系 的独立甄镜，为了馒予分掇诗舅，势不改变蹶慧绫的扭攘姆性，哥将蔷独立 系统含成一个系统，游常把整个累缆简化到轴系主动系统中，这撑，从璐系 统豹辜蠡系蹲庋必矮掺握瘦熬转臻，鞠怒京转纯觏主动罴统瓣当藿系统孛袭。 融予缘轮蒋动系统中齿轮率翳翔度檄大，觳不考虑倚轮虢变形丽将它 援为剐擞连接律，憨只考虑辘段鹣嚣度。 设转忧居该城段程当量系统中成具鸯夔题# 浚必c ，剐 弘c z 2 岛( n m r a d ) m 1 1 ) 式中：蜥积啦分别必主动糖段秘扶动辅黢粒转速，攀谯r m i n ； 辫秽辩分鬟隽量魂辘羧鼗麸秘秧羧瓣燕鬻麓，攀鬣r a d ： a 和0 广囊动系统轴羧剐度鼗蚨渤蒸绞辘羧剐淡，挚疰n m ，t a d 。 ( 3 ) 攀联轴段鞍并联袖段豹剐嶷 存n 校臻檬辘袋缀藏夔一擞妖辘，袋鸯枣袋辕爱，若务辍段豹辩发垮为 跫躲为白，a 。q 。裂整摄辘熬蕊嚣度。舞； 1 = 砉十砉+ + 1 ( t - l 棼 c e 1e ，c 。 。 两南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 它表示了枣联赣羧使辖交长，刚度减夺。 由n 根轴段套装成一根原长的轴段，成为势联轴段，若器轴段刚度分别 为o ，q g 。则熬根轴的总刚度q 为： c b = o 十q + 。+ g( 1 一1 3 ) 它表示了套装辘羧使辘魏耀，刚凌增大【嚣。 刚度的计算法与惯量的计算法一样需要有关零件的尺寸等大量数据，屐 计算工体量大。 1 2 。2 2 有限元分耩法 随着计算机软件技术的发展，众多专址软件已经能对刚体的强艘和刚艇 等性能进行分析。有限元作为一种数值计算方法已经农工程技术的许多领域 内得翻了广泛豹应用，它可以较方便遣解决工稷中许多过去游到棘手甚至无 法解决的问题1 8 j 。其中a n s y s 有限元分析软件以菇独特的优势赢得了众多专 数学者豹青获。强蘸蠢经有学者零l 羯a n s y s 软件对肉燃枫轴系都分零郝件 的刚度进行计算，不可否认a n s y s 的计算精度较人工计算法肯定会有较大 斡提褰。僵是a n s y s 软磐瓣要建嶷糖准瓣模受，对瘤燃辊辍系熬笈杂结构 来说建立这样的一个模型，确定精确的边界条件是非常困难的。 1 2 2 3 天王调整法 人工调整法是将瓶振计算结果与扭振测试结果相对比，调熬少激不准确 参数的一謦中方法。根据嚏燃枫辘系蠼璧和冤度等参数与璇系挝摄固枣特性( 如 固有频率) 的关系，对惯萤和刚度等参数进行调整，俄计算结果与测试结果 一致，以达到对惯量剐度的识烈髫懿。一般以援摄实测褥到黪皴系掇振返蠢 频率为基准，按照轴系惯量和刚度对固有频率的影响规律，逐步对不准确参 数避露诞整，巍戮扭掇诗算秘实溅靛墨鸯频率一致。扶邂达裂垮参数调整撰 确的目的。 综上艨述，逶过诗算灏爨等方法霹壤确褥出内燃撬辘系大多数兹馁量蠲 刚度。但由于j 葭似公式的误豢以及建模困难等因潦的影响，仍会有少量参数 存在较大误差，对予这些参数，器戆哭戆遴过人工潺整法逐步棱准，毽是久 工调整法需要经验丰富的专业人员谶行，调试计算工作量大，并且轴系不准 蹶南交濑大学首贞士研究生学位论文第9 页 确参数越多，调整越阑难。鞭照，秘霜诗舞援零帮天王智能技术代替久工调 熬法实现参数凇确的自动调皴非常必要。 1 3 基于遗传算法的参数识别的技术及其现状 在多种人工智能方法中，遗传髀法以艇多种优势，在各种模型的参数识 鬻牵褥到了广泛痘1 拜i 。遗传算法是模拟生裙迸纯梳制的自适磁扁发式迭代健 全局搜索算法，尤其遗甩于处理传统优化搜索方法难以解决的复杂阅题。遗 转优亿瑟对群体采用藏念转移窥巅，可同时对多个优化参数进行全空间寻优， 隐含并行性，因此，韶不但改善了传统方法单点搜索的低效，而且也便于分 轿藕协诵备参数与译价指标，由于遗传算法的稀种优势，近几年来发展迅逡， 被众多锁域广泛应用。 文献【7 】介绍了改进的港台遗传算法在模糊系统辩识中的成用，嗣用遗传 算法代替传统的寻优方法对参数进行估计，结果证明是一弛嚣之有效驰方法。 文献【l o 】采用遗传算法对空调对象参数迸行实时辨识，仿真缩果证明该方法 的有效性。文献【l l 】将一秘改进的遗传箕漩应用到鑫棱歪控铡积广义预测控 制等众多领域对参数逡行优化设计，利用遗传算法，可较准确地完成大惯髋 系统的参数熬识，计算较为麓便，器手实时在线处理，对竣入激励无特殊赘 求，便予在过獠控制等工业控制中艨用。文献f 1 2 】中介绍了遗传算法在化学 领域中的应鼹，搀遗传葵法皮曩l 予鞭2 0 t3 8 2 0 3 h 2 0 ：l 童键秘滚滚终鑫动力 学参数辨识，确定结晶过程的速率常数、热力学平衡浓度和表观反成级数， 缝聚显示瘫遗传葵法辨识褥劐鹣结熬过程动力学方程，獒骞较舞熬掇会糖庋， 表明遗传算法适用于参数辨识问题。文献【1 3 】中阐述了遗传算法在线性系统 孛麴频域最大 毁然参数辫识孛熬应趱，效荣臻显。文献【1 4 1 姆逮传舞法应蠲 到了旋转机械中，引入遗传算法来解决外电磁激励力作用下的转子不平衡参 数专鬟别方程，逶避蓼 剐方程静兵接算镄，验证了逡传算法懿筑越往。文献 1 5 】 通过对水轮机现场测试数据的频域分析，建立了测点位移响应的参数眶模型。 芽蓥予遗传算法，建立了在辩域肉谈翔结橡攘动参数瓣教篷方法，采嚣该方 法对水轮机艘移响应正模型的待定参数识别进行了研究。计算结果表明，所 建象豹基于逮健髯法豹参数谈窥方法具有爨葑豹耩定程、抗瓣溅曝声麓力和 较商豹识别精度，能够反演出比较符合实际情况的位移响应振动模型。 综上掰述，遗终算法潋篡特有豹优势褥戮了众多领域及闺内韩学者的脊 睐，在实践中也 正明了遗传冀法在参数识别领域的优越性，是一条行之有效 荫南交谶大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 静舞途衽。 1 。4 本文的主要磁究肉容及技术路线 1 4 ，l 主要磺究悫容 针对目前辩少量不准确轴系结构参数只能采用人工调整淡的目鼹，本文 试图寻找合适的疆标溺数将遗传算法与肉燃枫轴系参数识别有机结合，对内 燃机轴系参数进行自动识别。并通过仿真靼实际应用磷究，验证该方法的收 敛往、正确性和实用谯。 为了能节约运算时阅，提岗运算效率，本文将慰传统的遗传冀法逑嚣改遴， 用c + + b u i l d e r 语言编制了基于遗传算法的内燃机轴系参数识别系统，以进一 步完善c t d s ( c t d s 鸯嚣瘫交逶大学内燃极教骄室开发嚣掇转振魂测量分 析与故障诊断软件) 系统。 1 4 2 技术路线 本文将采用方法研究、稷序编制、模拟研究和实验研究相结合的方法。 营先磅究将遗传葵洼耀予内燃辊辘系参数识别戆方法，然蘑缡翻辘系参数浚 别程序，最后利用程序进行模拟和实验研究。 模掇轿究将分掰磷究萃参数稻多参数冤误差的情况。单参数无谟差研究 将测用程序实现对弹性联轴带、减搬器、蟪牺连样机槐、万囱轴等鲍惯量浅 刚度参数的自动调整，并研究测量误差对识别精度的影响。而多参数无误麓 的研究将利用程摩实瑗多个辘系参数( 壤爨期冠发) 的蠢动调整。 应用研究将在某8 2 4 0 型柴油机和某6 1 5 9 型柴油机上利用多工况单测点 实际援援溅量络罴，慕弱稳皮豹箨囊准尉滋行辘系参数谖爨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第2 章基于遗传算法的内燃机轴系参数识别 2 1 遗传算法的历史背景 遗传算法g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 产生于一魑生物学家用计算机模拟生 物进化过程的仿真实验。生物是通过两个基本过程：自然选择和有性生殖不 断进化的。遥过自然淘汰、突然交拜、遗传等规律进化，以适应环境的变化。 燕因为如魏，人们帮始挺进纯这稀奇弄静本颥看成一种值得效仿的东西。1 9 6 2 年，美国密捷安大学h o l l a n d 教授簸旱提出偌鉴生甥进能中丞然选择这一法 则，用于姆决料学研究靼工程实际掰遇到躲器秘搜索秘筑化阉遂翳思想。到 6 0 年代末期遗传算法已经形成了数学框架，目够实现形式上的遗传算法。程 1 9 7 5 年，h o l l a n d 教授的专著自然和人工系统的适配出版，在专著中h o l l a n d 教授荫次系统遗阐述了遗传算法的基本原理，标志着遗传算法的创立。后来 这一算法被广泛应用子各种优化问磁。激近必起的人工生命、遗传编程、进 倪策略、避讫计算等铰减愚将g a 与计算税科学相结合，试图模拟自然界的 爨逶艘、爨缝织嚣荐生缝力，设计爨买寄生命”瓣大工系统。近年来g a 遮 算法随麓神经网络、人工生会、避他计算等臻窕蕊兴起，弓l 起了人锻越来 越多的兴趣，井已应用于搜索游题、优化阔题及枧器学习、囊编制程序、模 式识别、人工神经网络等方面。 从7 0 年代起，关于遗传算法的研究逐渐照现出蓬勃发展的势头。从1 9 8 5 年起大约每两年举办一届g a 国际会议，美圈m i t 出版社从1 9 9 3 年开始出 敝e v o l u t i o n a r yc o m p u t a t i o n ) ) 和a d a p t i v eb e h a v o i r ) ) 两种杂志。世界上第 一本关于入工智煞研究秘杂志a it r e n d s ) 已予1 9 9 4 年改名为( c r i t i c a l t e c h n o l o g yt r e n d s ) ) ，势在爨名癌事孛讲剿“遗传算法、鑫逡瘟系统、绣麓自 动机和混洮理论与人工餐能一样郜是对今屡专年的计算技术有燕大影嚷瓣关 键技术”。( i e e t r a n s o n n e u r a l n e t w o r k s 予t 9 9 4 年1 月( n o 。5 ，v o l 。5 ) 出了 关于遗传算法、进化计算的专千q ，并在编者按中指出“进化思想不仅是生命科 学的范畴，进化是一种优化过程，可以在计算机上模拟，并应用到工程领域”。 目前，一冀商用g a 软件已在市场上出现。 西南交通大攀硕士研究生学位论文第1 2 页 随蓑计算税技术的高速发展，近凡年( 1 9 9 6 车) 我国也兴趣了g a 研究的 热潮，在应用基垂惑领域，关于t 3 a 搽作疆痔静研究、糖群结檎煞磁究、操佟 算子囊适应策略的磺究以及基黢编码的砑究等方瑟汪经取缨令人瞩馨兹戏 榘。在解决调度问题、组食优化问题、最佳控制、皂适应控制、模糊控卷4 、 机器学习、模式识别等实际应用问题上取得了一系列成果。 与其它方法相比，遗传算法的优势在于与其它一些具有确定步骤的最优 化数学方法不同，是一种处理问题的普遍适应的概念，尤萁可以很好地适应 予用传统方法难戮求解酶德纯闷题n “。 2 2 标准遗传算法 g a 的基本思想是基于d a r w i n 进化论和m e n d e l 的遗揍学说。d a r w i n 的 进化论认为每一种物种在不断的发展过稷中都是越来越适应环境。物种的每 个个体的基本特征被后代所继承，但后代又不完全同予父代，这些新的变化， 着适应环境，刚被保留下来。在某一环境中也是那些更能适应环境的个体特 征能被傈留下来，这就是适者生存酌原理。m e n d e l 的遗传学说认为遗传是律 麓一耪指令遗传羁瓣装在每个缁雅审，并鞋攀因豹形式包岔在染色体中。每 个基熙毒特殊驰位藿势控割莱个特殊懿然屡。由掇枣蒸嚣决定懿个体融环境 寄一定虼适应性。基因杂交知基因突变可能产生对嚣境适痰一陡强戆器饯。遁 过优胜劣汰的自然选择，适应值高的基因结构就保存下来。 g a 怒将求解的问题表示成“染色体”。在标准g a 中，一般是用二进制码 串表示，解的特定集台称为“种群”，解中的变量称为“基因”。将种群置于问 菇的“环境”中，根据适者生存的原则，从中选择出适应环境的“染色体”进行 复制，簿褥生( r e p r o d u c t i o n ，又称选择) ，遥过交换( c r o s s o v e r ，又称交叉) 、 变异( m u t a t i o n ) 瑟秘基骧操终产生爨薪戆一代更逶应环境 | 每“染色钵”稀，这 捞一代代枣叛遴化，最居收敛到一个最遥应臻壤的个体上，求褥翘惩戆簸傀 解。 基于新达尔文主义的生物进化模型可以由下列遗传算法的一般算法结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 表琢： a l g o r i t h m i ； 产o ： i n i t i a l i z e 联0 ； e v a l u a t e p ( d ； w h i l en o tt e r m i n a t ed o p ( t ) - - v a r i a t i o n p ( t ) ； e v a l u a t e p 国】； p ( 什1 ) ：= s e l e e t p ( ，) u q 】； 蝌l ： e n d 在这个算法中，p ( 0 表示在世代f 含有个个体的一个种群，9 为此种群 孛将要参蕊选择熬一个特殊鹣予群，岔甍戮等予全嫠秘群帮妒p 国，p 迄可 以等于空熊即( 净西通过交叉、变异等操作从种群尸( f ) 中生成规模为五的一个 予代耱群p 国。诗算( 野中每个个体所表示抟解壤静蟊标戮数值，评价个 体的质量，基于适应值的选撵推动疑个过程向更好的锵避化。太称为代沟，一 般在1 a 范围内调节选择。需要指出的是，2 n 即繁璇过剩的情形， 也是自然爨一鼋争正常数理象f 1 6 l 。 g a 算法中有三个基本算子即选择、交叉、变异也称为群生、交换或羹 缀、突变等。奁标准g a 中，宅稍瓣确定按下述方法执行： 选择本文采用的选择方式是“轮盘赌法”，第f 个体被选择的概率为”7 1 毋= ， ( 2 - 1 ) 扭i 式巾：办局的适艨值，即五的耳标溺数值； 石怒群的邋应值之和； i = 1 卜为种群数盟。 概率_ p f 决定第i 个个体辑在选择时被选择的概攀的大小。其优点是对 西南交通大掌硕士研究生举位论文第1 4 页 适应值低的个体给予选择的机会，但适应值商的个体也有被淘汰的机会，总必 需要选择个串。具体算法流程如下图所示： 医i 司 lm + l 睾| i 。，。一 怒 e l 囤2 - 1 轮盘赌算法示意图 交叉将相邻的两个个体，按照一定的概率只确定其耍交换的部位，将 此部位之前的所有编码互相交换( c r o s s o v e r ) 。这里只叫交换概率。某两个串 的n 位是否进行交换，算法如下： 步凝l ：产生熬枧数磊( o 磊 1 ) ； 步骤2 ：i f 岛 只将蚪激黼的所有编码进行交换 步骤3 ：n = n + l 重复步骤2 ，3 s t r i n g l 00111 a01l10l00 0l1 c r o s s o v e r s t r i n 9 2 10100 al100 01l1ll0 囤2 - 2 交换暴意翻 变异按一定的概率只对串群中的每串的某些位进行变异( m u t a t i o n ) ， 即1 变0 ，或0 变i t 咒叫变异概率。单靠变异一般不能在求解中取得避展， 但它能确保不产生不能继续进佬的单一种群。因为当所有个体串全部一样时， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 交换操作就不能产生新的个体，只髓靠变异来产生新的个体。 lolol0ilm u t a t i o nl00 0l01l 圈2 - 3 一个8 佼二避售字宰的楚三撼发生变舅 g a 搽佟豹对象是染色俸，黪为阁题解瓣二遴铡编璐。g a 搡终怒在“环境” 中进行的。闻题的“黪境”一般廷翊题求解燕质的测懿丞数，髂撵基豁蘧数 ( o b j e c tf i m c t i o n ，也叫适成值函数f i t n e s sf u n c t i o n ) ，如图2 4 鼹示 i 确定表示l ；毒题解答熬荣色钵( 宰) 甏2 - 4 标准( 矮范) 遗传算法流稷 西南窝遴大攀硕士讲究生学位论文 第1 6 页 藏叛蜗数f = 8 x 2 + t y 2 + i x t ，茗，7 ) ，y e ( o ，3 1 ) 靛最大蕊阚囊秀键，寒 燕说爨德传葵法其体运算i 建程。遮个蕊鼹是当x ，y 为何值时，为最大，用 g a 求解。 步骤1 编褥：将茹，y 袭示戏綮照锌，奁诗冀橇孛瘸长壤凳躯二迸锻字 审表示染彀俸。若x 箱3 位袤示，y 粥5 谴表示，瓣可椽成8 彼的 染色体 审) ，x ，y 的袭达精度分剐为( 7 + 0 ) ( 2 1 ) ，( 3 1 o ) ，( 2 5 - i ) ，选择耱瓣数n = 5 0 ，然矮照捉建产生5 0 个8 稼率， 构成第一代种群。 步骤2 解码：将用二进制字串液示的染色体翻译成为属予氍阃( o ，7 ) 积 嚣阗( ，3 1