转子系统固有频率的传递矩阵计算方法及其MATLAB实现
文章介绍了计算多自由度转子系统固有频率的传递矩阵法，以及用于实现该算法的Prohl法和Riccati 法的推导过程。利用Matlab 强大的绘图计算功能和改进的Riccati 传递矩阵法所具有的良好的数值稳定性，避免了传统的Prohl 传递矩阵法在计算过程中的丢根现象，提高了整个转子系统分析运算的精度。并用Matlab 对各算法的数值稳定性进行了分析。190其中112,21,2对应于(3)式的矩阵各项。将式(6)展开,得:}+1=11M}+12引入如下的 Riccal变换式中[]就是ca传递矩阵,它是一个2×2阶的待定矩阵,把式(8)代人式(7)式中得这就是 Riccait递推公式。由起始截面的边界条件(门1=0,(e小)≠0固有初始条件[S]=[0]。代人式(9)就可依次递推[S,[,.S对末端截面N+1有:由边界条件{门}x1-{0},{e≠0故得(10)式有解的条件是:+和PωM/法一样,在感兴趣的范围内按一定的步长选定试算频率计算出剩余量S-值,就可以画出剩余量随a变化的曲线,曲线与横坐标交点所对应的转速就是转子的各界临界转速。在PmM的传递矩阵法中,是用r阶的矩阵递推来求剩余量△(o2)。在Bceb的传递矩阵法中是用r/2阶的矩阵国递推来求剩余量S×+1,由于与的递推式中含有逆矩阵,使得剩余量曲线经常会出现异号无穷型奇点。因而在常见的转子动力系统中,剩余量曲线的根和奇点的位置十分接近。在实际转子系统中,临界转速值与奇点值间的间隔可能少于10/m,因此这种方法的丢根现象不可避免。参考PnoM方法中剩余量△(a2)无奇点的事实,可以对 riccati方法中的剩余量加以改造。由式(10)得+1n{%+12]1{}依次类推{}[]+∏[2+21{12在满足相同边界条件时应有△1=[]L21320064事实上(12)式就是(5)式,只是在数值计算中,它们是按不同的方法递推而得到的。因此在数值上它们的精度也不同。当PmM法出现数值不稳定时,(13)式所示的剩余量仍然保持相当的精度。由于剩余量(o2)随0变化的曲线不存在奇点,因此以作剩余量的曲线也不存在奇点。由于(12)式中un+ux]在进行S的递推过程中都已求得,所以在计算时也不会增加太多的工作量,但却可以克服丟根的缺点。事实上(13)式是把(11)式的异号无穷型奇点变为同号无穷型奇点,这样只有当跨过一个真正的根时才变号。枚除了两个临界转速值非常接近的情况,即当两临界转速的差小于所选步长时,一般不会发生漏根。三利用MmMh编制PmM/法、Bicn法及改进的kKRiccati法的程序对各算法结果进行分析。运用算例:如图转子系统简化模型,其数据如下1转子系统简化模型2.94t=588t(=236)1.3m(=1,2,,6)29592×10(kN·m)(i=1,2,)6)支承简化为如图模型相应参数为1.9600×106kN.m-1;2.7048×10kN·m=3.5771(=1,2)编制Maab程序运行待如下表所示的各阶频率。从表1可以看出在 Protel法的计算结果中,小于1058239rad/s固有频率共计算出了7个, Ricca算法计算出了13个固有频率,而改进了的ieai算法在消除奇点干扰后可以计算出17个固有频率。从而明显的看出改进的Racm法可以很好的避免计算过程中的丢根,在数值上具有很好的稳定性。计算细果慧裝protel算法(rads)Riccati算法(rads)改进的 Riccati算法(rad/s190.812100.815208249197.895197.895445924208.245208.24522.9655646.410445.9256832.610458.175458.1751058.239539925539925580.l659646.415574.265759.225580.165832.615646.415987.0057150451058.23583261516987.0051058.235利用a的绘图功能我们可以直观的从图中分析岀各算法的漏根现黎如图2、图3、图4所示:1912P法计算恩有单率输出固像1eg法计算回有率出四像t”改进计算有率始步入从图2、图3、图4可以看出在530到580的频率区间上,前两条曲线与0轴只有一个交点即所求固有频率为539925a/s的点,第三条曲线在相同的区间上与0轴的交点为三个,显然改进的 mccall方法找回了漏掉的根550.225ad/s和574265rad/s。利用 Matlab程序绘图我们还可以绘出改进的 Riccati方法把异号无穷型奇点转化成了同号的无穷型奇点的情况,如图5、图6所示。从图中区间987ras到1090rad/s的曲线可以明显的看出图5曲线以0轴为对称轴倒置后即得到图6在此区间的曲线线形,从而改进了 Riccati算法,在曲线中,只有在跨过个真正的根时剩余量才变号。所以除了两个临界转速之差小于所选步长的情况除外,一般改进后的riccati算法不会发生丢根c算利0改进的热计算有明p1m0p三41000100在计算多自由度转子系统固有频率的传递矩阵法中,我们可以利用 Matlab编程实现Ph/法、 riccati法以及改进的Riea法对于系统固有频率的计算,利用Maab的绘图功能对各算法的结果进行直观的分析,从而明显的看出各算法的漏根情况。本文对于计算复杂的多自由度系统固有频率具有参考意义,也可用于复杂系统低阶固有频率的粗算。同时 Matlab的矩阵运算功能在传递矩阵法中也得到了充分的利用(Electromechanical Engineering Dept, Sichuan University of Science Engineering, Zigong 643000, China)This article introduced the transfer matrix method about the natural frequency calculation of themuulti- degrees freedom rotor system, as well as inferential reasoning process about Prohl law and thericcatilayUSing formidable cartography and computation function of the Matlab as well as the good value stability aboutimproved riccati law it avoided the losing of the natural frequency and enhanced the precision ofentire rotorsystem further analyze. The value stability of various algorithms areanalyzed with Matlab in the paper toorotor system; natural frequency; transfer matrix method; Matlab
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多目标自适应和声搜索算法
提出了一种利用Pareto支配来求解多目标优化问题的自适应和声搜索算法（MOSAHS）。该算法利用外部种群来保存非支配解，为了保持非支配解的多样性，提出了一种基于拥挤度的删除策略，这个策略能较好地度量个体的拥挤程度。用5个标准测试函数对其进行测试，并与其他多目标优化算法相比较。实验结果表明，与其他的算法相比，提出的算法在逼近性和均匀性两方面都有很好的表现，是一种有效的多目标和声搜索算法。102011,47(31)Computer Engineering and Applications计算机工程与应用HMS;(4)和声记忆保留概率HMCR的上下界;(5)音调调节其中,n为所得解的个数,d1为第个解对应目标向量与其最近概率PAR的上下界;(6)最大迭代次数M。的目标向量之间的距离,d为d的平均距离。SP=0表示算步骤2初始化和声记忆库。法所得的解均匀的分布在 Pareto前沿。该指标反映算法所得步骤3产生新解。每次可以通过三种机理产生一个新解分布的均匀程度。解。(1)保留和声记忆库中的分量:(2)随机选择产生;(3)对多样性指标:将算法获得的所有非劣解按某个目标函数(1)、(2)中某些分量进行微调扰动产生。每次产生M个新个体。值的大小有序地分布在目标空间上,h为相邻两点间的距离,步骤4外部种群的更新。从记忆库租新个体中找出非支h为h的平均值,b,b分别为算法获得的边界解与相应极端配解放在外部种群中,计算外部种群的支配关系删除支配解之间的距离,则多样性指标△为解,把非支配解侏留在外部种群中。若外部种群中非支配解的数目超过外部种群规模,则删除多余的个体,每次仅删除hy+h,+∑|h-b(8)个,直到达到外部种群的规模。h,+h1+(n-1h步骤5更新记忆库。计算记忆库和新产生的个体的序极端解指某一目标函数值最大而其他目标函数值最小的并将其按照从大到小的顺序进行排列,前HMS个个体作为新解。n为非劣解的个数。当算法获得的非劣解完全均匀的分的记忆库,进入下一次进化布在均衡面上,h=0,h1=0,所有的h=h,这时△=0。因步骤6判断是否满足终止条件,若满足,则停止迭代,输此,A指标反映非劣解能否均匀的分布在整个均衡面上。出 Pareto最优解集,否则,返回步骤3。4.2数值结果334算法分析为了验证本文提出的算法的有效性,本文采用具有不同由亍和声搜索算法主要是基于邻域搜素的,初始解的好 Pareto前沿的几个典型函数进行仿真实验测试。测试函数坏对搜索的性能影响很大。和声搜索算法可以随机产生初始ZDT1、ZDT2、ZDT3、ZDI4、ZDT6是二维目标函数。由于处理解,也可以通过使用其他的启发式算法或其他方法产生较好多目标优化问题的和声搜索算法还不是很多,所以本文仅与的初始解。和声记忆库HM的大小M是和声搜索算法的种和声搜索算法 IMOHS相比,然后与4种多目标优化算法个重要参数,和声搜索算法之所以具有更强的全局搜索能力,相比,测试结果见表1-表4很大程度上依赖于HM的存在,一般来说,M越大,找到仝局表1MOHS和 MOSAHS的G表2 IMOHS和 MOSAHS的sP最优区域的能力越强。但是随着M的増人,计算量将会变IMOHSMOSAHSIMOHSMOSAHS4大,从而影响到最终搜索到最优解的速度。和声保图概率Dm1781420241-01Dm11433D031.0OE-350100E-0055.3E-36.5328E-004HMCR是和声搜索算法的另一个重要参数,其取值范围是0到5.39-42.1293L-0043.3E-30.0059之间,它决定每次迭代过程中新解产生的方式。在和声搜索ZDT2ZDT224E-48.8573E-0052.4E-35.9104E-004算法中,因新解产生时每个变量都依赖于HMCR,故HMCRDT39.80E-465670E-004ZDT32.|B-20.0077应取较大的值,通常HMCR的值在0.8到1.0之间。音调调节1.7OE-324699E-00529E-28.5088E-004率PAR在和声搜索中起控制局部搜索的作用,它可使搜索逃表3儿种多目标优化算法的GD离局部最优,其值一般取0.1到0.5之间。NSGA-IISPEA2MOPSOIOSADE MOSAHS1.3437E-33.8175E-31.8564E-11.2485E-329624EZITI14078E-449142E-37.7429E-297574E-550100E-0054数值实验9.8112E-48.6104E-352428E-19.8051E-42.1293E-004ZDT241算法性能的评价指标6.4138E-42.5973E-32.9699E-149107E-58.8573E-005多目标优化问题的解质量评价主要集中在所求得的解与2.4783E-397165E-34.3418E-2.1620E-36.5670E-004ZDT31.2746F-45.2305F-364880E-219962F-42.4699E-005理论最优值之间的差距,以及求得的解的分散程度和多样性,5.1635E-29.2512E12010E-349244E-004这里采用由 Van veldhuizen和 Lamont在1998年提出来的世ZDT413281E-34.282lE-18.3745E-549411E-005代距离( Generational Distance,GD)来衡量所求解与理论解75-21.909-252103E-22656-31190-004ZDT6之间的差距,世代距离被定义为如下形式:60797E-31.3994E-32.4963E-21.0967E-48.0065E-006表4儿种多目标优化算法的AGD=NSGA-IISPEA2MOPSO MOSADE MOSAHS0.504290.296440.2038050.131950.4063其中,n为最优解数目,d,为所求得第i个个体在目标空间与理ZDTI3.9251E-21.0850E-116956E-25.692lE-300219论 Pareto最优前沿的最小欧氏距离。世代距离GD越小,算法0.487750.505170.2880260.120990.3764ZDT2逼近 Pareto最优解集的程度越妤,当所得到的解刚好和从最优2.7686E-21.8356E-11.7580E-279444E-300359前端取得的点重合时,GD=0。0.590250.503100.6177960.437830.6388ZDT33.0439E-29.7283E-23.5019E-28.0801E-300103解的分散程度用下式来度量0.375240.727660.3235490.118270441ZDT42.4448E-25.515-13.2953E-25.869E-30.0227SP=n-/~(d-d1)0.486ll0.296441.1232580.1331904325(7)ZDT63.6054E-21.0850E-11.731E-19.8303E-300363InInj∈(1,n)②/(x)-/1(),=1,2,…,n,i≠其中表1、表2中MOHS算法的数据来源于文献5],和o1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net陈莹珍,高岳林:多目标自适应和声搜索算法2011,47(31)0.900.80.80.60.70.70.40.60.60.20.30.20.40.10.10.800.10.20.30.40.50.60.70.80.91.000.10.20.3040.50.60.70.80.91.000.10.20.30.40.50.60.70.80.9图1ZDT1图2ZDT2图3ZDT3声记忆库的规模为10,和声保留概率的上下界HMCR==0.95,5总结HMCR=0.85,音调调节概率的上下界PAR、=0.2,PAR=本文将和声搜索算法应用于多目标优化问题的求解,提0.15,最大迭代次数为1000.为了消除实验中的随机性,并进出了一种新的基于拥挤度的多目标和声搜索算法 MOSAHS。行算法性能指标评价,对每个测试函数均重复计算10次。表3、该算法利用单个解与解之间的距离以及单个解与整体解之间表4中 NSGA-II,SPEA2, MOPSO, MOSADE的数据,来源于文的距离,删除种群中的个体,并利用序来更新和声记忆库。数献[161。对丁本文提出的多目标和声搜素算法 MOSAHS,和值实验数据表明,提出的算法在逼近性和多样性两方面都有声保留概率的上下界分别为095085,音调调节概率的上下界很好的表现是一种有效的多目标和声搜索算法。然而,和声分别为0.2、0.15,和声记忆库的规模为10,外部种群的规模为搜索算法和其他群智能算法一样,收敛性的理论证明很困难100,最大迭代次数为10000,算法运行10次。有待进一步的深入研究。表1中上行表示算法收敛度指标GD的平均值,下行表示GiD的标准方差;表2中上行表示分散度指标SP的平均值,下参考文献:行表示SP的标准方差;表3中上行表示算法收敛度指标GD的 Schaffer J D Multiple objective optimization with vector evaluat-平均值,下行表示GD的标准方差;表4中上行表示多样性指ed genetic algorithms[C]//Proceedings of the lst IEEE International Conference on Genetic Algorithms. Lawrence Erlbaum标Δ的平均值,下行表示多样性指标△的标准方差。1985:93-100从表1、表2可以看出本文提出的算法 MOSAHS在收敛(2]HomJ, Nafpliotis N, Goldberg D E A niched Pareto genetic al度和分散度上均优于 IMOHS;从表3、表4可以看出,与NSgorithm for multi-objective optimization[C],Proceedings of thGA- SPEA2、 MOPSO、 MOSADE算法相比,本文提出算法Ist IEEE Conference on Evolutionary Computation, PiscatawMOSAHS的收敛性优于前面四种算法,在多样性方面,与NS994.1:82-87GA- I SPEA2算法相当,此 MOPSO、 MOSADE算法稍差。[3] Srinivas N, Deb KMulti-objective function optimization using图1~图5是本文提出的算法( MOSAHS)对ZDT1,ZDT2non-dominated sorting genetic algorithms[J]. Evolutionary CompuZDT3,ZDT4,ZDT6的函数图像。tation,l994,2(3):221-248[4] Deb K, Pratap A, Agarwal S, et al. A fast and elitist multi-objective genetic algorithm: NSGA-IIJ.IEEE Transactions on Evolu0.8tionary Computation, 2002, 6(2): 182-1970.7[5] Zitzlcr E, Thiclc L Multi-objcctivc evolutionary algorithms: a0.6comparative case study and the strength parel approach0.5IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 1999, 3(4)0.40.2[6 Zitzler E, Thiele L SPEA2: improving the strength pareto evolu-0.1ionary algorithm for multi-objcctivc optimization[R].Rcscarch00.10.20.3040.50.60.7080.91.0JrL,2001[7 Knowles J, Corne D The pareto archived evolutionary strategy图4ZDT4A new baseline algorithm for multi-objective optimization[C]//1.0Proceedings of the Conference on Evolutionary Computation Pis-0.9ltaway, NJ: IEEE Press, 1999: 98-10508[8] Tsai S J, Sun T Y, Liu CC, et al. An improved multi-objparticle swarm optimizer for multi-objective problems[J]. ExpertSystems with Applications, 2010, 18(2): 1-150.4[9 Geem Z W, Kim J H, Loganathan G V.A new heuristic optimi-0.zation algorithm: Harmony scarch[J]. Simulation, 2001, 76(2): 60-80[10] Mahdavi M, Fesanghary M, DaInangir E An improved harmony0.20.30.40.50.60.70.80.91.0search algorithm for solving optimization problem] AppliedfMathematics and Computation, 2007, 188(2): 1567-1597图5ZDT6(下转174页o1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net1742011,47(31)Computer Engineering and Applications计算机工程与应用插值算法对(a)放大3×3倍后的效果图;图6〔g)是采用本文中个像素需24位。在实现本文算法时,需在读取位图文件信息的插值算法对(a)放大3×3倍后的效果图,其中(a-b-1/6,头时进行判断是属哪类图像(灰度/24真彩色),对于灰色图像1=2=15°)。图7(a)是256×256的原始图像,(b)为原图经只需对图像进行逐像素(也即逐字节)的处理即可。而对于24降采样生成的128×128的缩小图像;(c)、(d为分别采用最邻位彩色图像则分别对每一像素中的3个分量分别处理即可,所近插值、双线性插值算法对(b)放大2×2倍后的效果图。(e)是得到的结果与灰度图是一致的,如图8所示。(b)用 Prewitt算子检测到的图像边缘效果图,(f)是采用本文提出的插值算法对(b)放大2×2倍后的效果图,其中(a=b=1/4,q1=92=15°)。从灰度值显示及图像效果可以看出本文所提出的算法在一定程度上突出了边缘,并修复了部分断裂的边缘,图6(d)中的像素灰度值显示当放大倍数为2×2时,修复边缘的效果更加显著。(a)原图(b)双线性插(c)本文算法(2×2)值(2×2)(a=b=16,1=2=15°)图8采用不同插值算法放大的图像效果图5结论基于图像边缘信息的双线性插值算法充分利用了图像的(a)原图(b)原图降采样(c)最邻近插边缘信息对放大图像边缘上的插值点及边缘邻接点做了较好值法(2×2)的插值处理,这种处理方式使放大后的图像在很大程度上保护了图像的细节,较其他插值算法简单且效果明显,更优于传统双线性插值算法。(d)双线性(e)用 Prewitt算(f)本文算法(2×2)参考文献:插值(2×2)子检测到的边缘(a=b=14,91=中2=15[] Castleman K R数字图象处理[M]北京:清华大学出版社,202图7采用不同插值算法放大的图像效果图117-119[2]孙成叶,桑农图像双线性插值无级放大及其运算量分析[计算上述实验采用的是8位的灰度图像,其实本文所提出的算机工程,2005,31(9:167-169法同样适用于彩色图像,尤其是24位的真彩色图像。灰度图[3]谢美华,王正明基于图像梯度信息的插值方法中国图象图形像的存储文件带有图像颜色表,此颜色表共有256项,图像颜学报,2005,10(7):856-861色表中每一项由红、绿、蓝颜色分量组成,且红、绿、蓝的颜色4Liⅹi, Orchard M T New edge-direcled inlerpolalionJJIEEE分量值都相等。而且,灰度图像的每个像素由8位组成,其值Transactions on Image Processing, 2001, 10(10): 1521-1527范围从0到25,表示256种不同的灰度级,每个像素的像素值5岁立摩,杨勋年基于细分的图像抽值算法门计算机轴助设计与是图像颜色表的表项入∏地址。对于彩色图像而言,若是伪图形学学报,2006,18(9):1311316.彩色图像,则其与灰度图像相似,其存储文件中也带有图像颜孟晋字,华思基于形状的二维灰度图象插值门中国图象图形色表,整幅图像也仅有256种颜色,每个像素由8位组成,但在学报,2003,3(3):312-316图像颜色表中的红、绿、蓝颜色分量不全相等,此时,每个像素I] Yang Xunnian Normal based subdivision scheme for curve design[J]. Computer Aided Geometric Design, 2006, 23(3): 243-260的像素值不是出每个基色分量的数值决定,而是把像素值当s]杨淑莹vC+图像处理程序设计M2版北京:清华大学出版社做图像颜色表的表项入口地址。而24位的真彩色图像的存储2005:130-132文件中则不带有图像颜色表,图像中每一像素是由RGB三个19G0 nzalez r o. Woods e数字图像处理M2版北京:电子1分量组成,每个分量各占8位,每个分量的取值是0到255,每业出版社,2009:463-471上接111页)[15 van Veldhuizen D A, Lamont G B Evolutionary computation[11] Kang S L, Geen Z W.A new structural optimization methodand convergence to a Pareto front[C]/Koza J R Late Breakbased on the harmony search algorithm[J]. Comput Struct, 2004ing Papers at the genetic Programming Conference, Stanford82(9/10):781-798University, California, Stanford Bookstore, 1998: 221-228[12] Geem Z W. Optimal cost design of water distribution networks[l6]刘思远,刘景青.一种新的多目标改进和声搜索优化算法门计算using harmony search[J].Eng Optimiz, 2006, 38(3): 259-280机工程与应用,2010,46(34):27-30[131 Deb K Multi-objective optimization using evolutionary algorithm(M. [17] Wang Yaonan, Wu Lianghong, Yuan Xiaofang. Multi-objectiveChichester: lohn Wiley&Sons, 2001self-adaptive differential evolution with elitist archive and[14]陈莹珍,高岳林混沌自适应和声搜索算法太原理工大学学crowding entropy-based diversity measure[J]. Soft Compute报,2011,42(2):141-1442010:193-209o1994-2012ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
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