【硕士论文】分插机构复优化方法的研究及软件集成.pdf

浙江理工大学硕士学位论文
摘要
对水稻插秧机的核心工作部件——分插机构进行参数优化是水稻插秧机工作效率提
高的关键。由于分插机构是一种复杂的机构,目标要求众多,优化模型是非线性约束的多
目标优化模型,运用传统的优化方法很难得到满意的机构参数。机构复优化方法是目前用
于解决分插机构多目标优化问题的较好方法,该方法通过将运动学优化和动力学优化分开
进行,并以运动学优化得到的参数范围为约束条件进行动力学优化,可以很快得到机构的
最佳参数。
目前运用复优化方法对分插机构进行参数优化所存在的问题是:其中的运动学参数范
围的获取是基于人工选择的,这就需要优化工作者了解优化变量、优化目标以及约束条件
间的交互关系,才能得到满意的运动学优化结果,对优化工作者的要求高。
针对这一问题,本文从复优化方法的相关理论出发,提出了一种能自动搜寻运动学参
数范围,从而实现复优化方法的自动寻优方法。通过建立分插机构的运动学数学模型以及
运用模糊理论建立的目标要求数值化模型,采用改进的精英保留非劣排序遗传算法优化得
到多组均能满足运动学要求的机构参数,并从中选取一组机构参数进行区间扩张,将区间
搜索转化为多目标优化问题;以区间扩张得到的各参数的上下限变量缸Ⅳ和缸,为优化变
量,结合正交试验对约束作出处理,由多目标优化方法得到运动学参数区间,并运用穷举
法对该区间进行验证;以此参数区间为约束条件,结合动力学优化目标进行动力学优化,
实现复优化方法的自动寻优过程。
同时,本文采用软件模块化设计思想,对用于椭圆齿轮行星系分插机构的复优化方法
进行软件设计,并根据优化得到的最佳机构参数,通过进行实体建模,导入到舢
虚拟仿真软件中进行分插机构运动轨迹的模拟分析,将仿真得到的速度曲线与理论曲线进
行比较,验证了本文所使用的复优化方法自动寻优法的可靠性,为今后类似机构的复优化
设计提供了重要的参考价值。
关键词:水稻插秧机;分插机构;复优化;自动寻优
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浙江理工大学硕士学位论文
第一章绪论
课题研究的目的和意义
水稻是我国种植面积最大、单产最高的粮食作物,随着近几年水稻种植机械化的发展,
水稻机插面积逐年增加,对插秧机的工作效率也提出了更高的要求。分插机构是水稻插秧
机的核心工作部件之一,是水稻插秧机从秧群中分取一定数量的秧苗并将其插入土中的机
构,其性能好坏对插秧的效率和质量起着决定性的作用。而分插机构性能的优劣取决于其
机构参数的配置,一组好的参数可以保证插秧机有良好的插秧质量,即在插秧时,秧针尖
点轨迹达到不伤秧、不钩秧、不漂秧、立苗好和返青快,因此对分插机构进行参数优化是
水稻插秧机设计时最关键的工作。
对机构进行参数优化的先决条件是建立相关的优化模型,水稻插秧机分插机构机理复
杂,作业时对机构的轨迹和姿态要求严格,性能目标多,同时机构工作时存在瞬时冲击,
采用常规方法建立的优化模型相当复杂,且往往得不到全局最优解。而随着机构速度越来
越快,为了得到良好的动力学特性,在进行机构参数优化时,常规方法是把动力学性能作
为另外的目标函数,并将其加入到原复杂的运动学非线性约束多目标优化模型中,这使得
优化模型更加复杂,优化难度大大增加,得到全局最优解的可能性更小。
传统解复杂非线性约束多目标优化问题的方法是将各目标加权变成单目标优化问题,
并根据约束特性构造适当的惩罚函数项,将惩罚项加到目标函数中,将约束问题转化为无
约束问题进行求解。确定权重的方法可大致分为主观赋权法和客观赋权法两种。主观赋权
法,亦即专家评判法,主要反映的是决策者的意志,决策结果往往由于专家的看法不同而
具有很大的主观随意性;客观赋权法,亦即统计分析法,具有较强的数学理论依据,虽然
可以避免评价结果的主观随意性,但是同时也就不能体现决策者的意愿。采用这些方法均
需要较大的成本和信息量,存在一定的局限性,权重系数在现有条件下不易确定。而传统
优化方法中对约束进行处理的惩罚函数法,其惩罚因子也不易确定【。
本文研究的复优化方法将运动学和动力学优化分两步完成,将运动学优化结果的参数
范围作为动力学优化的约束