基于NLPQL算法的氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能尋優(yōu)

朱燁++楊章林

【摘要】在AMESim仿真環(huán)境下建立兩級氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型，以氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑、活塞行程為設(shè)計(jì)變量，以氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功率最小為目標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)非線性二次規(guī)劃算法（NLPQL），對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，相比初始結(jié)果，該方法能夠降低摩擦功率，提升氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

【關(guān)鍵詞】氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)；AMESim：NLPQL算法；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)帶來的污染越來越嚴(yán)重，隨著石化能源不斷枯竭，越來越多的人開始探尋新能源，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)就是在這一現(xiàn)狀下產(chǎn)生的。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)以高壓壓縮空氣為動(dòng)力源，在氣缸內(nèi)膨脹推動(dòng)活塞做功對外輸出動(dòng)力，不消耗燃料，尾氣無任何污染物質(zhì)排放。同時(shí)，壓縮空氣可以利用水力、風(fēng)力和太陽能等可再生綠色能源進(jìn)行制備，具有廣闊的發(fā)展前景。目前，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的最大問題是能量使用效率低，限制了氣動(dòng)汽車的續(xù)駛里程和推廣應(yīng)用。在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，活塞曲柄連桿組參數(shù)的優(yōu)化是關(guān)鍵，找到性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化來達(dá)到提高其性能。本文采用NLPQL（非線性序列二次規(guī)劃）這一數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，并結(jié)合氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的Amesim模型仿真計(jì)算，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用高壓壓縮空氣為動(dòng)力源，將壓縮空氣存儲(chǔ)的壓力能轉(zhuǎn)換為其它形式的機(jī)械能。本文研究的是活塞式兩級氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，如下圖所示?；钊谏现裹c(diǎn)，氣缸進(jìn)氣口打開，高壓空氣進(jìn)入第一級空壓機(jī)氣缸，高壓氣體膨脹做功，氣體推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，第一缸內(nèi)剩余氣體壓力是第二缸的始動(dòng)力，進(jìn)入第二缸繼續(xù)膨脹做功。（圖1略）

2AMESIm模型建立

AMESIm是法國Imagine公司開發(fā)的工程系統(tǒng)仿真軟件，為多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)提供建模仿真解決方案。AMESIm可以通過直接的物理方法將不同的領(lǐng)域模塊連接在一起，避免了各種程序代碼的編寫，因其采用工程技術(shù)語言，可以進(jìn)行非常直觀的各類圖形用戶界面仿真，也使它成為眾多領(lǐng)域的系統(tǒng)建模與仿真的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。它具有完全圖形界面，在整個(gè)仿真過程中，系統(tǒng)都是以圖形的形式顯示的。該軟件為用戶提供了批處理、穩(wěn)態(tài)、間斷、動(dòng)態(tài)等多種仿真模式，同時(shí)擁有頻譜圖、Bode圖、活性指數(shù)等齊全的分析工具。AMESIm也擁有元件、方塊圖、基本元素和數(shù)學(xué)方程等建模方式，用戶可自行選擇或綜合運(yùn)用。因此用戶可以更加專注于工程系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)，而不必消耗過多的精力于繁瑣的數(shù)學(xué)建模當(dāng)中。

3仿真模型的搭建

根據(jù)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工作物理過程，搭建了下圖模型。（圖2略）

4NLPQL算法在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化中的應(yīng)用

4.1數(shù)學(xué)優(yōu)化方法

選擇NLPQL優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化，它的優(yōu)點(diǎn)即：（1）能有效探索初始設(shè)計(jì)點(diǎn)周圍局部區(qū)域（2）如果設(shè)計(jì)空間是連續(xù)、單峰的形態(tài)，能夠沿最快下降方向探索（3）特定條件下能從數(shù)學(xué)上證明其收斂。因此NLPQL在求解有約束非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃問題時(shí)，具有穩(wěn)定、收斂快和易于得到全局最優(yōu)解等優(yōu)點(diǎn)。

4.2優(yōu)化問題分析

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣體的壓縮能不可能完全轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，其中機(jī)械損失主要為磨擦損失，占功率損失的絕大部分，直接反映了發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能，是衡量其經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。磨擦損失是指在活塞將獲得的功經(jīng)連桿曲軸向外傳遞過程中因磨擦而消耗的功。因此活塞曲柄連桿組的結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化是關(guān)鍵，找到性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化來減少摩擦功率，達(dá)到提高其性能的目的。采用非線性連續(xù)二次規(guī)劃法（NLNQL）這一數(shù)學(xué)優(yōu)化方法，并結(jié)合氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的AMESim模型仿真計(jì)算，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.3設(shè)計(jì)變量

將影響氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功率的主要參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量X，主要影響因素有發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸直徑D1，D2和活塞行程S1，S2。對這四個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其功率損失最小

X=X1，X2，X3，X4T

其中X1，X2為第一缸氣缸直徑和活塞行程，X3，X4為第二缸氣缸直徑和活塞行程

4.4目標(biāo)函數(shù)

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功率計(jì)算公式為：

Nm=vhpm36.72

其中vh為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸工作容積＼[m3/h＼]，pm為平均摩擦壓力

對于多級空氣發(fā)動(dòng)機(jī)，Nm=N1+N2+...Ni，i為空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的級數(shù)，本文i為2，設(shè)fx=Nm，即目標(biāo)函數(shù)為minfx

vh=πD24SN，D為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸直徑，S為活塞行程，N為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

pm=0.959-0.0087i-0.0133ε，ε為壓力比

5結(jié)論

利用Amesim建立氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的模型，并運(yùn)用NLPQL優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功率有了一定程度改善，證明此優(yōu)化方法有效可行。可以在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)采用，減少人工試算及參數(shù)調(diào)整的工作量，提高工作效率，該方法可拓展到其它機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。

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