低比转数离心泵的多目标优化设计

为了提高IS50-32-160低比转数离心泵在设计工况下的扬程和效率,采用数值模拟、试验设计、近似模型和遗传算法相结合的优化方法,选取了泵叶轮的叶片出口宽度、叶片出口安放角和叶片包角3个参数作为设计变量,采用最优拉丁超立方试验设计方法进行20组方案设计,应用ANSYS CFX 14.5软件对各方案进行定常数值计算,得到设计工况下的效率和扬程,并将效率和扬程作为设计目标,根据Kriging近似模型建立了设计目标与设计变量之间的近似函数,采用遗传算法对近似函数进行求解,得到最优的叶轮参数组合。研究结果表明:原始方案的外特性数值模拟结果与试验结果吻合程度较好,设计工况下预测扬程偏差为3.3%;优化后的泵水力效率提高了4.18%,而且近似模型在预测性能的准确性高;通过对比原始方案和优化方案的内流场特性,优化方案内部流动得到改善,优化的叶轮的漩涡区域比原始方案的较小;优化使得效率在主频和次频下的脉动幅值分别下降了1.52和0.84,叶轮内的较大压力脉动强度区域减小,隔舌附近监测点在主频下的压力脉动系数幅值下降了0.02。非定常压力脉动强度降低,从而泵的运行稳定性提高。提出的优化设计方法对低比转数离心泵高效以及无过载特性的优化具有一定的参考意义。     

基于键合图的全液压转向器鲁棒优化设计

为了实现全液压转向器的稳健设计,该文基于键合图方法建立了全液压转向器的动力学模型,并推导得出了转向器的状态方程,以转向器阀芯直径、等效转动惯量及转向器内部总压缩容积作为设计变量,以转向器流量动态响应超调量最小为设计目标,首先对转向器进行了传统优化设计,然后以传统优化设计结果作为设计初值,对全液压转向器进行了稳健优化设计。通过分别基于传统优化设计和稳健优化设计所得动态响应结果比较、分析得知,稳健优化后的转向器结构参数更加合理,动态响应峰值超调量降低了12.5%,稳健性有所提高。以传统优化设计结果为初值对转向器进行稳健设计是切实有效的。     

基于多目标微粒群优化算法的土地利用分区模型

土地利用分区实质上是一个多目标的土地利用空间优化问题,将传统分区方法用于解决多目标优化问题明显不足。该文提出了一种基于多目标微粒群优化的土地利用分区模型,构建了土地利用分区的属性约束指标,提取4个能够体现土地利用分区目的及意义的目标函数,即分区间差异性最大区内相似性最强、空间分区集中连片、土地利用效益最大化、土地适宜性评价指数最高,同时考虑了土地利用分区图上最小图斑面积、用途区面积、用途转换规则3类约束条件,并详细阐述了算法的核心思想、编码策略、状态更新机制及其算子等内容,最后以湖北省宜城市为例,对模型的可行性和有效性进行验证,结果表明通过对目标的权重调控可以得到不同目标偏好的土地利用分区方案,该文所构建模型在土地利用规划实践中具有可操作性。     

基于改进多目标进化算法的温室环境优化控制

该文围绕温室环境控制问题,以温湿度2个主要环境因子为研究对象,建立了温室环境动态模型。设计1种基于改进的非支配排序多目标进化算法(modified non-dominated sorting evolutionary algorithm,MNSEA-II)的双比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制器的多输入、输出温室控制系统,以误差平方矩的积分型(integrated time square error,ITSE)为性能指标,使用多目标进化算法对其确立的目标函数进行寻优,求出Pareto最优解,进而对PID控制器的参数进行整定,使系统获得良好的控制性能。本文以Matlab/Simulink为仿真环境,对此温室控制系统进行了仿真研究。结果表明了温室模型的合理性和多目标进化算法优化的PID控制方法的有效性。     

基于粒子群优化算法的农田多目标控制排水模型

该文研究内容包括2个方面： 1）针对南方丘陵地区地表排水方式,通过田间排水试验,探求控制排水中氮、磷浓度的变化规律,拟合了累计入渗量Philip公式的参数,建立了排涝、除渍和减少氮、磷流失的多目标控制排水模型。2）在分析多目标优化问题Pareto最优解的基础上,运用MATLAB编制计算程序,针对控制排水模型的具体特点,分别定义了粒子的适应值、个体极值和全局极值的计算公式,利用粒子群优化算法对模型进行了求解。结果表明,运用基于粒子群的多目标优化算法求解农田多目标控制排水模型,所求得的控制排水时间与实际控制排水时间基本一致,为农田排水的科学管理提供参考。     

基于多目标粒子群的土地整理项目选址模型

土地整理项目选址实质上是一个多目标空间优化问题,将传统选址方法用于解决多目标土地整理项目选址存在明显不足。该文提出了一种基于多目标粒子群的土地整理项目选址模型,归纳了土地整理项目选址的选址规则,提取3个能够体现土地整理项目选址目的及意义的目标函数,即新增耕地潜力最高、空间分区集中连片、土地适宜性评价指数最高,同时考虑了土地整理项目最小新增耕地率、实施规模2类约束条件,并详细阐述了算法的核心思想、矢量编码策略、状态更新机制等内容,最后选取湖北省嘉鱼县为试验区,验证了模型的可行性和有效性,结果表明通过对目标的权重调控可以得到不同目标偏好的土地整理项目选址方案,该文所构建模型在土地整理实践中具有可操作性,提供的选址方案科学合理,为土地利用规划和土地利用调控管理提供支持。     

联合收割机多机协同作业路径优化

随着我国土地流转政策的不断推进,种植实现规模化生产和管理,采用多台联合收割机同时进行收获作业,可不仅提高效率,而且对抢种抢收,减少自然灾害的风险,实现颗粒归仓意义重大。但是由于作业路径规划不当,常常发生作业冲突、反而效率降低,成本增加等问题,因此,研究如何规划和优化联合收割机多机无冲突协同作业具有十分重要的理论意义和实用价值。本文以总作业时间和作业时长为综合优化目标,综合考虑联合收割机转弯和作业冲突的情况,提出了联合收割机多机无冲突协同作业路径优化算法(improved genetic algorithm,IGA)。结果表明,与遗传算法(genetic algorithm,GA)相比,IGA优化的矩形农田作业路径总作业时间和作业时长平均分别下降了33.72%、34.00%,IGA优化的梯形农田作业路径总作业时间和作业时长分别下降了29.93%、30.00%,与并排作业相比,IGA优化的矩形农田作业路径总作业时间和作业时长平均分别下降了2.45%、2.29%,IGA优化的梯形农田作业路径总作业时间和作业时长分别下降了2.42%、2.02%。研究结果表明采用IGA进行多联合收割机作业路径优化是可行的,可为联合收割机多机无冲突协同作业路径规划提供参考。     

基于多性能目标的拖拉机运输机组优化设计

拖拉机运输机组总体参数的设计目标多元,约束条件复杂,传统经验法和单目标优化法难以使机组综合性能达到最优。该文以机组动力性、牵引点受力情况、附着性能和经济性最优为目标设计了目标函数;通过分析拖拉机运输机组动力学模型,确定了优化参数;通过研究拖拉机运输机组使用性能,制定了约束模型;采用改进型非支配排序遗传算法,导出了拖拉机运输机组总体参数多目标优化算法。以东方红150拖拉机运输机组为实例,优化了原有拖拉机和挂车的重力参数、质心位置和变速器传动比。设计试验与已有单目标优化方案和原始机组对比,结果为:运输Ⅰ挡和运输Ⅱ挡下,最大爬坡度分别提高1.35%、1.68%和1.38%、0.57%;牵引点受力分别减少1 222、703和2 792、2 125 N;驱动轮最大滑转率更接近特征滑转率;燃油消耗量分别下降12.9%和15.8%;改善了机组动力性、牵引点受力、附着性能、经济性,可为拖拉机运输机组配重方案和总体参数设计提供参考。     

用多阈值多目标无人机图像分割优化算法检测秸秆覆盖率

为了适应航拍采集秸秆覆盖图像大尺度处理需求,提高当前多阈值差分灰狼优化算法（Differential Evolution Grey Wolf Optimizer,DE-GWO）的图像分割质量和速度,提出一种用于检测秸秆覆盖率的图像分割优化算法。该研究借鉴了人工蜂群多目标灰狼优化算法（Artificial Bee Colony Survey Multi-Objective Grey Wolf Optimizer,AS-MOGWO）,在DE-GWO算法中加入了多目标灰狼优化算法（Multi-Objective Grey Wolf Optimizer,MOGWO）的外部存档,引入多目标的概念,并添加了人工蜂群算法（Artificial Bee Colony,ABC）中观察蜂的搜索策略,提出了基于多阈值的多目标秸秆覆盖图像自动分割的优化算法（Differential Evolution Artificial Bee Colony Survey Multi-Objective Grey Wolf Optimization,DE-AS-MOGWO）。该算法不仅继承了DE-GWO算法的自动分割特性,还兼备AS-MOGWO算法的高效收敛性,提高了图像分割的准确性和处理速度。分析结果显示,在无外界影响的情况下,该研究提出的DE-AS-MOGWO优化算法与人工实际测量法匹配的误差可控制在8%以内。在算法性能方面,DE-AS-MOGWO相比于PSO（Particle Swarm Optimization）、GWO（Grey Wolf Optimizer）、DE-GWO和DE-MOGWO在平均匹配率上分别提高了4.967、3.617、2.188和3.404个百分点,平均误分率分别降低了0.168、0.131、0.089和0.116个百分点,而算法耗时分别降低了82%、84%、17%和32%。试验结果表明,多阈值多目标图像分割方法在大尺度无人机图像中可获得较好的分割效果,且针对不同秸秆覆盖率图像均具有普遍适用性,为大面积秸秆覆盖率检测以及其他相关图像检测提供了高效算法支持。     

石羊河流域多目标水资源配置模型及其应用

石羊河位于甘肃河西走廊内陆河流域,降雨稀少,生态环境脆弱,水是控制生态系统演变和限制社会经济发展的关键因子,水资源的合理配置是流域水资源持续利用的基础。遵循生态平衡原则、效率原则以及公平性原则,以流域生态需水满足度最大为生态目标、流域总的净效益最大为经济目标、流域内各计算单元人均净效益变率的均方差最小为社会公平目标,建立了水资源配置多目标评价函数。从供水、节水、结构调整、虚拟水等措施假设不同的水资源模拟配置情景,通过计算单元优化配置模型和水资源转化模拟模型的耦合模型得到各方案的配置结果,由多目标评价函数评价各方案的优劣,提出了流域水资源合理配置的方案。     

联合收割机工作过程智能监控装置的系统集成

基于模块化分布式系统理念,采用CAN总线,构建了联合收割机工作过程智能监控系统的总体架构,实现了联合收割机清选夹带损失监测装置、负荷反馈控制装置、机械系统故障监测装置、液压系统故障监测装置和电气系统开机自检装置的系统集成,并基于XScaleTM PXA270处理器设计了一套集成显示处理终端,实现了各装置模块工作参数的集中设置,各装置模块所测联合收割机工作状态参数的集中显示、报警和存储。田间试验表明,该系统工作正常,性能可靠,能够适应联合收割机的恶劣工作环境,实现各装置模块的协调工作和信息共享。     

联合收割机喂入量与收获过程损失模型

为了研究联合收割机喂入量与收获过程损失率之间的关系,该文对联合收割机喂入量和收获损失的影响因素进行了详细分析,采用3种模型试验研究了喂入量与收获过程损失的关系,基于新疆-2A型联合收割机的试验样本建立了基于幂函数、指数函数和二次函数的关系模型,其中二次函数模型具有较高准确性,其决定系数R2=0.826,并利用喂入量控制试验装置进行验证。试验表明,当喂入量在0.3～4.1?kg/s的范围内时,收获过程损失率实测值与二次函数模型计算值的绝对偏差范围为0.04%～0.91%,吻合较好,说明所建立的二次函数模型具有良好的准确性。该模型可作为预测试验用样机收获过程损失的有效工具。     

联合收获机脱粒系统动力学模型及调速控制仿真与试验

针对目前联合收获机脱粒调速控制系统仿真设计中所采用的功耗模型的建立仅考虑了单个滚筒的运动状态,并没有考虑到其他工作部件运动对脱粒滚筒转速变化的影响,以及脱出物中杂余含量的影响,因此有必要对联合收获机脱粒系统动力学模型做进一步的研究。该文以XG610型联合收获机为例,在对运动机构进行较为全面的动力学分析和脱粒分离试验数据的基础上,建立了脱粒系统动力学模型,并与模糊逻辑控制器相结合构建了调速控制系统仿真模型。计算机仿真结果显示,当作物密度由0.95增加到1.09 kg/m2,喂入量增加约15%时,调速系统能够在5 s内做出有效调节,避免滚筒出现过载或堵塞现象。田间试验记录数据也验证了当喂入量增加约15%时,前进速度与滚筒转速在5 s内均能有效调节至稳定状态,总体变化趋势与仿真结果相符,验证了所建立的脱粒系统动力学模型的合理性与可行性。该研究为脱粒调速控制系统的仿真设计及后续控制算法的优化提供了参考。     

纵轴流联合收获机关键部件改进设计与试验

针对当前履带式纵轴流联合收获机中存在的工作状态无法在收获不同作物间快速转换,割台损失率较高、脱粒分离能力较差以及功耗高等不足,对割台、脱粒、清选、行走等主要工作部件进行了改进设计与试验研究。将割台设计为无级调速可伸缩式结构,脱粒装置改为纵轴同径差速滚筒脱粒装置,采用单HST(hydro static transmission)原地转向行走装置及防粘附清选装置,并经室内试验和田间试验表明:可伸缩割台能实现稻麦收割状态与油菜收割状态的快速转换,扩大了割台的使用功能,收获油菜损失显著减少,与常规相比较,油菜损失率降低2.8个百分点;差速轴流滚筒提高了脱粒效果和分离能力,与等长度单转速轴流滚筒相比,夹带与脱不净损失率分别减少了0.02个百分点与0.09个百分点,破碎率减少了0.017个百分点;原地转向行走机构减少了地表土壤的破坏并降低了转向功耗,以原地转向替代单边制动转向时,节约功耗37.0%;清选机构抖动板和清选筛面经不沾水处理,改善了潮湿谷物的清选性能,清选损失率降低0.9个百分点,含杂率降低0.4个百分点;这些联合收获机主要工作部件的改进设计提高了整机工作性能,以期为联合收获机主要工作部件改进,提高联合收获机工作性能提供参考。     

切纵流联合收获机小麦夹带损失检测试验与分析

为及时获知切纵流联合收获机在田间收获时的夹带损失情况,该文将切纵流联合收获机上的刀形齿切流滚筒、辅助喂入轮和钉齿纵轴流滚筒在实验室内建成切纵流脱粒分离试验台,在7 kg/s小麦喂入量时进行脱粒分离性能试验,测定脱出混合物中各成分的含量和纵向分布规律,建立脱出混合物脱分系数矩阵,求解出切纵流联合收获机上脱粒分离装置的脱分矩阵方程。利用阵列式聚偏氟乙烯PVDF压电薄膜传感器测量切纵流联合收获机田间收获时钉齿纵轴流滚筒下第11接料盒位置分离出的籽粒量,运用脱分矩阵方程计算出夹带损失质量并与人工实测值进行比较。结果表明,田间收获时运用PVDF压电薄膜传感器预测的夹带损失质量与人工实测值的误差为-4.82%～-5.87%。该研究可以对田间收获的籽粒夹带损失进行实时监控。     

大豆联合收获机作业参数优化

现阶段国内大豆联合收获机收获作业时由于脱粒、清选系统作业参数调整不当而导致大豆机收损失率、破碎率、含杂率较高。为解决这一问题,该文对影响大豆机收作业质量的相关参数开展田间试验研究,探索各参数对大豆机收作业质量的影响规律,探寻最佳作业参数组合。以机收损失率、破碎率、含杂率为目标,选择脱粒清选系统对作业质量影响较大的前进速度、滚筒转速、脱粒段脱粒间隙、分离段脱粒间隙、导流板角度、分风板角度、风机转速、上筛前部开度、上筛后部开度共9个因素,利用Box-Behnken中心组合试验方法,进行九因素三水平响应面试验,使用Design-Expert对试验结果进行响应面分析,探索各因素对试验指标的影响规律,并构建相关数学模型。试验结果表明:对大豆收获损失率影响较为显著的因素为风机转速、脱粒段脱粒间隙、前进速度、脱粒滚筒转速;对破碎率影响较为显著的因素为脱粒滚筒转速、脱粒段脱粒间隙、前进速度、导流板角度;对含杂率影响较为显著的因素为导流板角度、风机转速、分风板角度、上筛后部开度。通过多目标参数优化,确定最佳工作参数组合为前进速度6 km/h、脱粒滚筒转速450 r/min、脱粒段脱粒间隙25 mm、分离段脱粒间隙20 mm、导流板角度26?、风机转速1 260 r/min、分风板角度11.5?、上筛前部开度19 mm、上筛后部开度11 mm,此时损失率为0.24%、破碎率为0.90%、含杂率为0.14%,田间试验实测损失率、破碎率和含杂率平均值分别为0.24%、0.90%和0.14%,与优化值相对误差分别为0、4.7%和7.7%。研究结果可为大豆联合收获机结构改进和作业参数控制提供参考。     

单垄单行甘薯联合收获机薯秧分离机构设计与参数优化

针对中国甘薯联合收获机作业薯秧分离机构分离不彻底、甘薯损伤数量多、茎秆缠绕机具部件等亟待解决的问题,该文基于自走式甘薯联合收获机设计了一种结构简单、摘净率高、伤薯率低以及防茎秆缠绕的薯秧分离机构。根据设计计算确定了分离机构结构参数,其中挖掘输送装置总长度为2050mm,水平倾角为24°;主动轴和摘辊半径分别为18、36 mm;输送装置下层杆条与摘辊间距为27 mm,最上端与摘辊之间距离为251 mm。经过理论分析明确了甘薯的运动特性及其影响作业质量的主要工作参数机具前进速度、主动轴转速、输送装置水平倾角。通过薯秧分离试验发现在甘薯收获期薯秧分离力与其含水率变化规律符合二次函数关系,进一步开展田间试验借助Box-BenhnKen的中心组合设计方法选取主要工作参数对摘净率和损伤率的影响并作试验设计,以此为基础开展三因素三水平一次回归正交试验。在DESIGNEXPERT中使用响应曲面法分析各因素对摘净率和损伤率影响效应并对回归模型的参数进行优化。当田间试验取最优参数组合机具前进速度1.2 m/s、主动轴转速895 r/min、输送装置水平倾角24°时,摘净率和损伤率分别为98.14%、2.76%,分离效果满足甘薯收获要求。该研究也为其他土下果实联合收获作业果秧分离机构提供思路。     

履带式花生联合收获机路径跟踪控制方法与试验

为提高无人驾驶履带式花生收获机沙地作业路径跟踪精度,以4HBL-2型自走式花生联合收获机为研究对象,开展了履带式收获机无人驾驶路径跟踪控制研究。建立了履带式收获机运动学模型与虚拟转向角函数关系;以航向偏差值作为观测量、阿克曼模型推算角速度作为测量值,设计卡尔曼融合算法,获得基于阿克曼模型的虚拟转向角度;根据虚拟转向角度对PID路径跟踪算法进行改进,提出了基于预瞄跟踪的双PID路径跟踪控制方法;通过脉冲宽度控制器实现了履带式花生收获机路径跟踪精准控制。仿真试验结果表明：基于预瞄跟踪双PID的路径跟踪控制方法能够进行路径跟踪控制,具有控制平滑和稳态误差小等特点。田间试验表明：花生收获机在沙地以0.6m/s的速度作业时,系统直线跟踪平均绝对误差为2.23 cm,最大偏差为4.14 cm,相对于PD路径跟踪控制器分别提高了56.12%和66.07%。上线试验中,初始偏差分别是0.5、1.0和1.5 m时,上线时间分别为11.00、12.92和13.78 s,上线距离为6.60、7.75和8.26 m;最大超调量分别为5.68%、5.84%和8.06%,相较于轮式收获机,上线距离分别减小了1.92%、4.43%、8.71%,超调量分别减少了8.45%、17.56%、5.17%;接行最大偏差为5.87 cm,平均绝对误差为2.72 cm,接行偏差在±5和±10 cm内的比例分别为97.11%和100%,路径跟踪控制精度能够满足沙地无人驾驶作业要求。     

油菜联合收获机种子籽粒脱粒装置结构及运行参数优化

为探究油菜联合收获机脱粒系统对油菜籽粒的收获效果,寻求较优的脱粒装置结构及运行参数,以喂入量、脱粒滚筒间隙、脱粒滚筒转速和脱粒元件型式种类为影响因素,油菜种子籽粒发芽率、脱粒损失为评价指标,开展油菜联合收获脱粒试验、发芽率试验及无损伤籽粒发芽率对比试验,探究了联合收获油菜籽粒的脱粒损伤机理。结果表明:影响油菜种子籽粒脱粒损伤的主次因素依次为脱粒元件型式、脱粒滚筒间隙、脱粒滚筒转速、喂入量;所选因素水平下,综合考虑脱粒损伤及损失,采用喂入量3.2 kg/s、脱粒滚筒间隙9 mm、脱粒滚筒转速856 r/min、全钉齿时为较优组合。分析表明:联合收获脱粒会对油菜种子籽粒造成损伤,影响脱粒损伤的直接因素为种子籽粒在滚筒内受打击次数及打击力大小;通过调整脱粒系统结构及运行参数,能够显著降低油菜的脱粒损伤及损失,本文为脱粒装置结构及运行参数的优化提供参考。     

大豆联合收获机田间清选作业参数优化

为了改变国内大豆联合收获机田间作业时因清选装置的参数调节缺乏相应理论指导,造成清选参数调控不及时与不精确而导致大豆机收清选损失率和含杂率均较高的现状,该研究利用多参数可调可测式清选系统进行了大豆机收清选参数优化田间试验,分析了大豆机收时清选参数（作业速度、鱼鳞筛筛片开度、风门开度、风机转速和振动筛曲柄转速）对清选指标（清选损失率和含杂率）的影响规律,求解出最佳清选参数组合,完成大豆机收最佳清选参数组合的田间验证试验。试验结果表明,清选参数对清选损失率影响大小排序为振动筛曲柄转速、风机转速、作业速度、风门开度、鱼鳞筛筛片开度,清选参数对含杂率影响大小排序为鱼鳞筛筛片开度、风门开度、风机转速、作业速度、振动筛曲柄转速。求解出清选损失率偏小和含杂率偏小且喂入量偏大时最佳清选参数组合为作业速度6 km/h、鱼鳞筛筛片开度32 mm、风门开度17°、风机转速1 310 r/min和振动筛曲柄转速410 r/min,此时清选损失率为0.25%,含杂率为0.61%,与模型优化值的相对误差分别是0.250%和0.113%,对比常用清选参数条件下大豆联合收获机田间试验的清选指标,清选损失率下降了0.05%,含杂率下降了2.09%。研究结果可为大豆联合收获机田间作业时清选参数的设定与调控以及自适应清选系统调控策略的研发提供理论依据。