一種基于遺傳算法和ansys仿真的磁通變換器的優(yōu)化設計方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及磁通變換器的優(yōu)化設計領域，特別是一種基于遺傳算法和ANSYS仿真的磁通變換器的優(yōu)化設計方法，選取磁通變換器的驅動電路中電阻、電容以及驅動電壓作為主要優(yōu)化參量，采用遺傳算法結合ANSYS仿真進行驅動電路的優(yōu)化設計。衡量磁通變換器動作性能的指標有兩個：頂桿彈出的最終速度v和整個脫扣動作的執(zhí)行時間t。優(yōu)化設計的同時考慮了磁通變換器的實際脫扣動態(tài)過程。該方法有利于對磁通變換器進行優(yōu)化設計，從而提高磁通變換器的動作性能指標。
【專利說明】一種基于遺傳算法和ANSYS仿真的磁通變換器的優(yōu)化設計 方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及磁通變換器的優(yōu)化設計領域，具體涉及一種基于遺傳算法和ANSYS仿 真的磁通變換器的優(yōu)化設計方法。

【背景技術】
[0002] 隨著嵌入式微處理器技術的發(fā)展，越來越多的數字化控制器引入到了傳統(tǒng)的低壓 電器中。在新型的低壓電器中，一般通過電流互感器來感應信號，通過微處理器來分析判 斷，最后通過磁通變換器來驅動低壓電器的觸頭或機構，實現低壓電器的斷開或跳閘。因 此，磁通變換器起著傳統(tǒng)低壓電器機構與新型的數字化控制器的信號傳遞作用。
[0003] 如圖1所示，為一個典型的磁通變換器。包括有一個U型帶兩邊對稱固定爪的磁 軛2,磁軛中裝有線圈骨架3、頂桿4、線圈5,永磁體1被固定于U型磁軛2和線圈骨架3的 一部分之間。線圈骨架3內還裝有，并有設計有一臺階孔防止頂桿4脫出。頂桿4裝有、卡 簧8以及緩沖墊7。
[0004] 圖1所示狀態(tài)為磁通變換器處于吸合狀態(tài)，頂桿收到兩個方向相反的力，分別為 永磁體對頂桿的吸力和彈簧對頂桿的斥力，在吸合狀態(tài)下，永磁體的吸力大于彈簧的斥力， 從而使頂桿吸附在永磁體上。當線圈通電時，線圈中會產生一些磁通，對頂桿產生一個與彈 簧斥力方向相同的力，當線圈對頂桿的斥力和彈簧斥力的合力大于永磁體的吸力的時候， 頂桿彈出，推動相應的脫扣執(zhí)行裝置。
[0005] 如圖2所示，為磁通變換器及驅動電路的相互關系示意圖。虛框表示驅動電路。該 驅動電路的作用是接受來自微處理器的信號（高電平：5V/3. 3V，低電平：0V)，然后通過對 電容的充放電，實現對磁通變換器的控制。驅動電路的穩(wěn)定性和可靠性，關系整個磁通變換 器，甚至整個低壓電器的性能。對于磁通變換器的驅動電流，要求其抗干擾，電路穩(wěn)定性高； 動作可靠性高；動作迅速；磁通變換器不長時間通電；控制方法簡單，不獨立占用MCU的資 源。
[0006] 如圖3所示，為磁通變換器的典型驅動電路。復位芯片的電源端與微處理器的（1/ 0)口相連，正常工作時，I/O 口輸出低電平，復位芯片（ICl)輸出為低電平，MOSFET管（Ql)不 導通，直流電源對電容進行充電。當發(fā)生故障時候，I/O 口輸出高電平（5V)，復位芯片（ICl) 輸出240mS的高電平（5V)脈寬，MOSFET管（Ql)檢測到>3. 5V的電壓即導通，從而使電解電 容（C2)對磁通變換器進行供電，磁通變換器動作。
[0007] 由圖3可知，在磁通變換器確定的情況下，電容C2的容值、電容C2兩端的電壓、放 點電阻Rl直接決定流過磁通變換器線圈的電流，也直接決定了磁通變換器的動作時間和 磁通變換器的性能。
[0008] 在給定的R、C和U值以后，可以確定一個磁通變換器的動作狀態(tài)。需要對磁通變 換器進行大量復雜的磁場、電場和運動場的計算。工程上通常的做法是，對磁通變換器給定 電流和氣隙，計算磁通變換器動鐵心的受力情況。然后分析磁通變換器的動作過程。
[0009] 經過對磁通變換器工作原理圖進行分析，整個動作過程可以分為兩個階段：在第 一階段，隨著電容放電電流i的逐漸增大，產生的磁通逐漸削弱永磁體產生的磁通，因此動 鐵芯所受的電磁力Fm逐漸減小，但是此時& > & ,所以動鐵芯保持靜止狀態(tài)，該階段結束 時間長度為A。耦合線圈電路方程，得到如下的動態(tài)方程組：

【權利要求】
1. 一種基于遺傳算法和ANSYS仿真的磁通變換器的優(yōu)化設計方法，其特征在于具體步 驟如下： (1) :選取磁通變換器驅動電路中的電阻R、電容C和驅動電路電壓U作為影響磁通變 換器最終動作性能的優(yōu)化變量，每一組電阻R、電容C和驅動電路電壓U的取值作為種群中 的一個個體，設置進化代數計數器t=0,設置最大進化代數T，進行初始化，產生初始種群； (2) :定義適應函數：采用模糊函數作為適應度fi評價子程序，用于計算步驟（1)得到 的初始種群P(t)中各個個體的適應度fi，衡量磁通變換器動作性能的兩個指標：頂桿彈出 的最終速度v和整個脫扣動作的執(zhí)行時間t ; (3) :對初始種群中的個體進行二進制編碼，進行遺傳操作，所述遺傳操作包括復制交 叉和變異； (3. 1)復制：一代種群中所有個體(假設共m個）按適應度fi成比例的依次組成一個圓 形的輪盤，隨機轉動輪盤，當輪盤停下來時，輪盤上指針所指向的個體就是被選中的個體， 旋轉m次輪盤，選出m個個體后代； (3. 2)交叉：第一步在種群中隨機抽取兩個個體，作為交叉操作的父個體，第二步是隨 機地選擇交叉點，對匹配的位串進行交叉繁殖，產生一對新的位串；具體過程如下：設個體 的基因長度為n，在[0, n]的范圍內，隨機地選取一個整數值k作為交叉點，將兩個配對位 串從位置k后的所有字符進行交換，從而生成兩個新的位串； (3.3)變異：對個體進行小概率的替換，即將變異算子作用于群體，對群體中的個體串 的某些基因值作變動； (4) :對個體進行二進制解碼，選取個體，調用ANSYS仿真子程序得到二維數據表格，調 用Runge-Kutta動態(tài)計算子程序進行動態(tài)特性計算，得到分別對應每一個個體的頂桿彈出 的最終速度v和整個脫扣動作的執(zhí)行時間t的結果； (5) :將新種群中不符合限制條件的個體染色體編碼進行修正，對初始種群P(t)中各 個個體的頂桿彈出的最終速度v和整個脫扣動作的執(zhí)行時間t進行適應度fi計算，調用評 價子程序，判斷是否繼續(xù)進行遺傳操作；若否，轉到步驟（7);若是，返回步驟（3); (6) :把在后代中出現的最高適應度fi的個體作為遺傳算法運行的結果，儲存該個體的 電阻R、電容C和驅動電路電壓U的取值，這一結果可以是問題的解或近似解。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟（2)中，適應度fi評價子程序按以下步 驟進行： (2. 1):調用適應度fi評價子程序，采集初始種群P(t)中每個個體在動態(tài)計算中得到的 頂桿彈出的最終速度v和整個脫扣動作的執(zhí)行時間t結果； (2. 2):求解適應度fi，目標函數適應度fi是以頂桿彈出的最終速度v和整個脫扣動作 的執(zhí)行時間t兩個指標為參量的模糊評價算法函數。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于步驟⑷中，ANSYS仿真子程序按以下步驟 進行： (1):調用ANSYS仿真程序，根據遺傳算法中的個體對電阻R、電容C和驅動電壓U的取 值，首先在ANSYS平臺上進行磁通變換器的靜態(tài)仿真，在一組確定的R、C、U取值下，ANSYS 的靜態(tài)仿真結果取決于在一個脫扣動作過程的不同時刻，頂桿與磁通變換器內部的永磁體 之間的氣隙x和線圈電流值I，在動作的每一個時刻都有一組確定的氣隙與電流值相對應， 根據一組氣隙X和電流I的取值，通過ANSYS仿真得到在這一條件下頂桿所受到的電磁合 力F和線圈磁鏈小的值； (2):磁通變換器的動作過程非常迅速，在這個過程中，頂桿與永磁體之間的氣隙值x 在不斷變化，同時隨著電容放電，線圈電流值也在不斷的變化，在動作過程中的每一個時 亥IJ，都有一組確定的氣隙與電流值相對應，通過合理的改變氣隙和電流的取值可以得到磁 通變換器整個動作過程中其頂桿所受的電磁合力F的變化過程，最終可以得到兩張頂桿所 受電磁合力F和線圈磁鏈小關于氣隙x和電流I的二維數據表格。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于在步驟（4)中，Runge-Kutta動態(tài)計算子程 序按以下步驟進行： (1) :調用四階Runge-Kutta算法子程序進行動態(tài)仿真，子程序從上一步驟中得到的二 維數據表格中自動采集一系列的氣隙--電流值組合下的電磁合力和線圈磁鏈結果，由氣 隙x和磁鏈$計算出該氣隙值時的線圈電流I ; (2) :由上一步驟得到的氣隙x和電流I插值計算得到電磁合力F，利用氣隙值x計算 得到彈簧彈力Fx ; (3) :利用Runge-Kutta公式計算微分方程組的系數，然后求解微分方程組； ⑷：由氣隙值x判斷頂桿是否已經到達脫離狀態(tài)，若否，返回步驟⑴；若是，轉到步驟 (5)； (5):將微分方程組的求解結果輸出，最終得到磁通變換器運動過程中頂桿受到的電磁 合力F、彈簧彈力fx以及線圈電流I、頂桿速度v等參量及其變化的曲線。
【文檔編號】G06F17/50GK104392036SQ201410659057
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權日:2014年11月19日
【發(fā)明者】黃世澤, 郭其一, 李凡璋, 陳聰, 許慧 申請人:同濟大學