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1. 問(wèn)題闡述 應用概述 電動(dòng)機控制系統的設計是一個(gè)涉及多學(xué)科的問(wèn)題，包括機械、電氣和控制系統。OPTIMUS 能探索設計空間并通過(guò)其強大的優(yōu)化算法在不需要用戶(hù)干涉的情況下自動(dòng)改進(jìn)設計。本應用案例演示了OPTIMUS 如何與Simulink 集成在一起，通過(guò)修改（a）電動(dòng)機的磁極寬度 （b）激勵信號，來(lái)優(yōu)化電動(dòng)機的輸出扭矩波紋和開(kāi)關(guān)損耗。 設計問(wèn)題 控制系統的模型在Simulink 中建立。電動(dòng)機不同磁極寬度對應的電磁場(chǎng)已經(jīng)在A(yíng)NSYS 中計算完成，而線(xiàn)圈電感作為結果被導入到Simulink 的模型中。逆變電路在PSpice 中完成建模，然后通過(guò)SLPS 接口將電路模塊轉換為與Simulink 兼容的模塊，由此完成了集成。 使用的軟件工具 ? OPTIMUS 及其Matlab/Simulink 接口 ? Simulink ? PSpice (SLPS 接口) ? ANSYS 仿真過(guò)程與OPTIMUS工作流OPTIMUS 圖形用戶(hù)界面集成了仿真程序，它們的工作流程以及輸入輸出文件。通過(guò)OPTIMUS 與Matlab/Simulink 的接口，OPTIMUS很方便地參數化了仿真的輸入文件，并從輸出文件中解析出需要的輸出參數（圖 1）。 圖 1 – 電動(dòng)機控制系統仿真的OPTIMUS 工作流 2. 設計參數和方法 案例中的電動(dòng)機是3 相激勵、6 極靜子、4 極轉子的開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(SRM)�？刂葡到y仿真在Simulink 中建立，電動(dòng)機電磁場(chǎng)在A(yíng)NSYS 中計算，逆變電路在PSpice 中建模。（圖2） 圖 2 – 電動(dòng)機控制系統的Simulink 模型 選擇設計參數 3 個(gè)設計參數分別是電動(dòng)機磁極寬度、激勵信號的起始角度和激勵信號的寬度。優(yōu)化目標是最小化電動(dòng)機輸出扭矩的波紋。約束條件是電動(dòng)機轉速大于1000RPM。 試驗設計（DOE）方法 與響應面模型（RSM）被用于探索設計空間。在本案例中，應用了100 個(gè)樣本點(diǎn)的拉丁超立方 方法。在此基礎上，建立了基于泰勒多項式的 最小二乘響應面，來(lái)擬合試驗設計樣本點(diǎn)。 設計優(yōu)化 OPTIMUS 在本案例中應用了自適應進(jìn)化（SAE）遺傳算法，通過(guò)在響應面上求解來(lái)找到最小的電動(dòng)機輸出扭矩波紋，同時(shí)也滿(mǎn)足電動(dòng)機轉速不低于1000 RPM。在響應面上求出的最優(yōu)解，在接下來(lái)在仿真工作流求解的局部?jì)?yōu)化過(guò)程中，被用作起始點(diǎn)。這樣，通過(guò)幾個(gè)優(yōu)化算法、不同求解方式的策略化結合，使得最后能夠找到全局最優(yōu)設計，同時(shí)縮短了優(yōu)化過(guò)程的時(shí)間。 圖3 – 貢獻度圖顯示了電動(dòng)機磁極寬度與激勵信號起始角度是對輸出扭矩波紋影響最大的設計參數 3. 結果 拉丁超立方試驗設計方法被運行來(lái)最為建立相應面的樣本。圖4 顯示了電動(dòng)機磁極寬度和激勵信號寬度是對輸出扭矩波紋有較大影響的重要設計參數。這個(gè)響應面模型是對仿真模型的近似。在優(yōu)化過(guò)程中，如果需要連續大量求解仿真模型，會(huì )需要相當大的計算量。適當地使用響應面模型能有效降低計算量，提高優(yōu)化過(guò)程的效率。響應面模型的質(zhì)量（及其對于優(yōu)化過(guò)程可靠性）可以通過(guò)在建立過(guò)程中得到的回歸系數進(jìn)行確認。 圖4 – OPTIMUS 建立響應面顯示了輸出扭矩波紋與選擇的輸入參數之間的變化關(guān)系 OPIMUS 找到了最小的電動(dòng)機輸出扭矩波紋的設計，并且滿(mǎn)足了轉速約束條件（圖5）。相對于初始設計，最優(yōu)設計有效降低了13.8%的電動(dòng)機輸出扭矩波紋（圖6）。 圖5 – 優(yōu)化目標函數的收斂: 最小化輸出扭矩波紋 圖6 – 優(yōu)化前后的電動(dòng)機的輸出扭矩和轉速 4. 結論 OPTIMUS 成功地自動(dòng)化了Simulink仿真，并找到了最優(yōu)的磁極寬度、激勵信號的起始角度和寬度，使得電動(dòng)機的輸出扭矩波紋得到了有效降低，并且保證了電動(dòng)機轉速始終高于規定轉速。 |
