遗传算法的改进研究及其在压缩机性能分析与优化中的应用

论文摘要

滑片压缩机广泛用于各种中、小型压缩空气装置和小型空调制冷装置中。其主要优点是结构简单、制造容易、操作和维修保养方便，消耗功率小、排气量大。随着应用领域的拓宽，滑片式压缩机也正在逐渐得到人们的重视，新产品开发和传统机型的改进研究一直受到工程界的关注。本文在研究滑片压缩机性能的基础上，建立了压缩机性能参数优化模型，将遗传算法引入压缩机的优化设计之中，在降低压缩机摩擦功率和润滑所需的喷油量确定方面做了优化探索，包括以下几方面的工作： 对标准遗传算法进行了改进研究，使之应用于压缩机优化设计成为可能。所做的主要改进研究有：对编码机制的研究，提出了一种对同一个体的不同基因采用不同的编码的混合编码方式，这种方式更适合于设计变量的数据类型不相同的情况下对变量的编码；改进了标准算法中的遗传算子，采用基于方向的交叉和变异算子，比例选择与精英保留相结合的选择算子提高了算法的收敛性和计算效率；对初始种群的产生引入重组、筛选和修复算子，使得到较为理想的初始种群成为可能，有利于提高遗传运算的收敛性和可靠性；提出了基于惩罚和修复策略的约束处理方法，解决了单一使用修复或惩罚方法时所遇到的难以解决的问题，方便了遗传算法在约束优化问题中的应用，提高了遗传算法在工程优化问题中的适用性。 对滑片式压缩机的压力状态、传热状态进行了理论分析并建立了计算模型，还通过试验测试验证了理论模型的适用性，取得了较为一致的结果；通过对压缩机泄漏问题的分析研究，给出了泄漏部位和泄露特征，对气体和液体的泄漏建立了相应的计算模型；对压缩机的动力学特性进行了详细分析，并应用Matlab对上述内容进行模拟，清楚地反映了压缩机主要动力参数的变化规律及影响因素，为压缩机的设计及参数的选择提供有益参考。 利用本文提出的改进遗传算法对压缩机面积利用系数的优化研究取得了与理论分析相一致的结果；采用相同方法进行的压缩机摩擦功率的优化研究，找到了在保证一定排气量的前提下能够使得压缩机摩擦功率降至最小的结构参数，与同排量的机型相比，优化结果可使摩擦功率下降17.28％；通过对喷油量的优化分析得到了在满足所设定的约束条件下使得喷油量达到最小的参数值和组合方式，喷油量可以减少9.87％，对提高压缩空气的洁净度和油气分离元件的使用寿命具有实际意义。

论文目录

• 独创性声明
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 压缩机技术概述
• 1.1.1 国内外压缩机的发展与研究热点
• 1.1.2 滑片式空气压缩机的特点、发展现状及研究意义
• 1.2 遗传算法的发展及应用
• 1.2.1 遗传算法的产生与发展
• 1.2.2 遗传算法的应用
• 1.2.3 遗传算法的研究热点
• 1.3 本课题的来源与研究意义
• 1.4 本文的主要研究工作
• 1.5 本章小结
• 第二章 遗传算法及其原理
• 2.1 遗传算法的特点
• 2.2 遗传算法结构与操作
• 2.2.1 遗传算法的结构
• 2.2.2 遗传算法的操作与运算
• 2.3 遗传算法的理论基础
• 2.3.1 模式理论
• 2.3.2 隐含并行机理
• 2.3.3 遗传算法的收敛性
• 2.4 遗传算法的关键要素
• 2.4.1 编码机制
• 2.4.2 适应度函数
• 2.4.3 遗传算子
• 2.4.4 控制参数
• 2.5 本章小结
• 第三章 遗传算法的改进
• 3.1 编码机制
• 3.1.1 编码方式概述
• 3.1.2 混合编码
• 3.1.3 混合编码的遗传运算
• 3.1.4 算法测试
• 3.2 约束处理
• 3.2.1 遗传算法用于约束优化的意义
• 3.2.2 约束处理方法综述
• 3.2.3 惩罚函数的构建
• 3.2.4 惩罚和修复策略在算法中的应用
• 3.2.5 基于惩罚和修复策略的约束遗传算法测试
• 3.3 选择策略
• 3.4 基于方向的遗传运算
• 3.4.1 交叉
• 3.4.2 变异
• 3.5 初始种群的产生方法
• 3.5.1 初始种群对于算法的重要性
• 3.5.2 产生初始种群的方法
• 3.6 本章小结
• 第四章 滑片式压缩机的性能分析
• 4.1 压缩机结构及工作原理
• 4.1.1 基本结构
• 4.1.2 工作原理及热力过程
• 4.1.3 压缩机中的气路循环
• 4.2 热力学基本方程
• 4.2.1 控制容积与基本假设
• 4.2.2 热力学基本方程
• 4.2.3 基本方程的具体表达式
• 4.3 压力过程分析
• 4.3.1 压力模型的建立
• 4.3.2 测试与计算结果分析
• 4.4 传热状态分析
• 4.4.1 传热分析模型的建立
• 4.4.2 传热过程主要参数确定
• 4.4.3 测试与计算结果分析
• 4.5 泄漏机理分析
• 4.5.1 泄漏特征分析
• 4.5.2 泄漏量计算模型
• 4.5.3 泄漏通道间隙的确定
• 4.5.4 泄漏模型的Matlab模拟分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 滑片式压缩机动力学分析与模拟
• 5.1 滑片的受力分析
• 5.1.1 滑片的运动分析
• 5.1.2 滑片的受力分析
• 5.2 转子的受力分析
• 5.2.1 受力分析
• 5.2.2 扭转力矩
• 5.3 功率分析
• 5.3.1 指示功率
• 5.3.2 摩擦功率分析
• 5.3.3 其它不可逆损失功率分析
• 5.3.4 功率测试与计算结果分析
• 5.4 动力学模拟分析
• 5.4.1 滑片的受力
• 5.4.2 摩擦功率
• 5.5 本章小结
• 第六章 滑片式压缩机的参数优化研究
• 6.1 主要参数及对压缩机性能的影响
• 6.1.1 主要结构参数
• 6.1.2 主要参数对压缩机性能的影响分析
• 6.2 压缩机面积利用系数的优化计算
• 6.2.1 面积利用系数
• 6.2.2 数学模型建立
• 6.2.3 优化结果及分析
• 6.3 机械效率的优化
• 6.3.1 摩擦功率
• 6.3.2 数学模型建立
• 6.3.3 优化结果及分析
• 6.4 润滑系统的优化分析
• 6.4.1 压缩机的润滑方式
• 6.4.2 压缩机的油路循环系统
• 6.4.3 润滑系统所需油量的确定
• 6.4.4 数学模型建立
• 6.4.5 优化结果及分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 滑片式压缩机试验
• 7.1 试验系统及试验台结构
• 7.1.1 试验系统及装置
• 7.1.2 测试方法
• 7.2 热力过程的多变指数测定
• 7.2.1 多变指数
• 7.2.2 实验数据测试
• 7.3 压缩系统的压力与温度测试
• 7.3.1 压力测试
• 7.3.2 温度测试
• 7.4 压缩机的功率测定
• 7.4.1 测试方法
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论与建议
• 8.1 结论
• 8.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文