机油泵参数测试系统的研究与应用

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3.0 牛悦 2024-11-19 7 4 1.28MB 58 页 15积分

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摘要

随着汽车工业的飞速发展，对机油泵数量和质量的要求在不断提高。机油泵

产品的质量在不断改善，其质量检测水平已成为衡量机油泵产品质量的一个重要

标准。一些传统的设计方法和技术不仅浪费时间和人力，而且效率也不高。企业

要不断的改进新技术，快速地响应市场及满足客户的需求，这样才能在竞争激烈

的市场中立于不败之地。

本文分析了现有的机油泵参数测试系统的基本现状，对机油泵参数测试系统

开展以下三方面的研究工作：

1、机油泵参数测试系统试验台结构的自顶向下设计。采用基于顶层基本骨架

的自顶向下设计方法，实现了从机油泵参数测试系统试验台的功能到其装配结构

的映射。

2、采用变论域模糊 PID 控制的方法进行机油泵参数测试系统的油温控制。

油温控制具有时变性，非线性以及复杂的大滞后环节。本文采用变论域模糊 PID

控制的方法对油温进行控制。通过仿真表明，变论域模糊 PID 控制的方法对机油

泵参数测试系统的油温控制具有较强自适应能力，精确度高。

3、采用基于自适应域遗传算法对机油泵性能曲面的系数进行求解。通过对机

油泵工作特性进行分析，建立机油泵工作特性曲面的数学模型，依据实验数据，

分别采用单种群基本遗传算法和自适应域多种群遗传算法求解了所建立的机油泵

工作特性曲面模型的关键参数。通过计算和试验表明，自适应域多种群的遗传算

法根据解的离散或集中程度动态调整参数域，减少了算法的迭代次数，并且基于

多种群自适应参数域的遗传算法获得的机油泵工作特性曲面的数学模型的解具有

较优的质量。

关键词：顶层基本骨架变论域模糊 PID 控制遗传算法

机油泵参数测试

ABSTRACT

With the rapid development of automobile industry, the requirement of the quality

and the quantity of oil pump are raised. The quality of oil pump is improved

continuously. And the testing level of the quality of oil pump has become an important

standard when measuring the quality. Some traditional methods and techniques are a

waste of time and manpower, meanwhile the efficiency is low. The enterprises need

improve technology continuously, catch up with the development of market and try

their best to meet the need of customers, then they could be the winner of the

competitive market.

The paper summarized the present condition of the test system of parameters of

oil pump, and carried out the research from the following aspects:

1 The top-down design of the test board of parameters of oil pump. Achieved the

mapping of the function to the assembly of the test board of parameters of oil pump

based on the design method of Top Basic Skeleton(TBS).

2 The control of oil temperature based on fuzzy-PID with variable universe

algorithm. The oil temperature control system has characteristics of being nonlinear,

time-varying and has hysteretic complicated large inertial system. The algorithm of

fuzzy-PID with variable universe was used to control oil temperature in the paper. It

shows that the characters of the algorithm are adaptive ability and high accuracy from

simulation.

3 The coeffidents of performance surface of oil pump were solved based on

genetic algorithm with adaptive domain. A mathematical model of the characteristics

surface of the oil pump was established by analyzed the operating characteristics of the

oil pump. The coeffidents of the characteristics surface model of the oil pump were

solved using single population genetic algorithm and adaptive domain with multiple

genetic algorithm respectively based on experiment data. Experiment shows that the

adaptive domain with multiple genetic algorithm can adjust the parameter domain

dynamically by the discrete or continuous level of parameters, reducing the number of

iterations of the algorithm, and the quality of the solution is much better.

Key words: Top Basic Skeleton, fuzzy-PID with variable universe,

algorithm genetic algorithm, parameters testing of oil pump

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

§1.1 研究背景 .......................................................................................................... 1

§1.2 国内外研究现状概述 ...................................................................................... 2

§1.2.1 基于 TBS 理论的自顶向下技术 ........................................................... 2

§1.2.2 变论域模糊控制理论 ............................................................................ 2

§1.2.3 遗传算法理论 ........................................................................................ 3

§1.3 本文研究目的和主要内容 .............................................................................. 4

§1.3.1 研究的主要意义 .................................................................................... 4

§1.3.2 主要研究内容 ........................................................................................ 4

第二章机油泵参数测试系统的自顶向下设计 ............................................................ 5

§2.1 串行设计和并行设计 ....................................................................................... 5

§2.2 自顶向下设计装配模型的研究 ...................................................................... 6

§2.2.1 产品功能模型的定义 ............................................................................ 6

§2.2.2 产品装配关系和装配特征 ..................................................................... 8

§2.2.3 基于装配特征的产品装配模型 ............................................................ 9

§2.2.4 装配模型映射关系 .............................................................................. 10

§2.3 基于 TBS 的机油泵参数测试系统试验台的结构设计 ............................... 12

§2.3.1 UG WAVE 技术简介 ........................................................................... 13

§2.3.2 基于 TBS 设计方法的机油泵参数测试系统试验台的设计 ............. 13

§2.4 本章小结 ........................................................................................................ 16

第三章变论域模糊 PID 温度控制器的设计 .............................................................. 18

§3.1 模糊集合基本概念 ........................................................................................ 18

§3.1.1 模糊集合隶属度函数 .......................................................................... 18

§3.1.2 模糊集合的基本算子 .......................................................................... 19

§3.2 变论域模糊控制理论基础 ............................................................................ 19

§3.2.1 变论域模糊控制简介 .......................................................................... 19

§3.2.2 变论域模糊控制的伸缩因子 .............................................................. 20

§3.2.3 双输入单输出潜遗传变论域模糊控制算法 ...................................... 22

§3.3 变论域模糊 PID 温度控制器的设计 ............................................................ 24

§3.3.1 控制对象数学模型的建立 .................................................................. 24

§3.3.2 变论域模糊 PID 控制原理 .................................................................. 25

§3.3.3 变论域模糊 PID 控制器初始论域的划分 .......................................... 26

§3.3.4 模糊规则的确定 .................................................................................. 28

§3.3.5 变论域模糊 PID 控制器的推理过程 .................................................. 29

§3.3.6 变论域模糊 PID 控制器的解模糊化方法 .......................................... 31

§3.3.7 变论域模糊 PID 控制器系统的确定 .................................................. 32

§3.3.8 伸缩因子参数的确定 .......................................................................... 33

§3.4 仿真及分析 .................................................................................................... 33

§3.4.1 仿真流程 .............................................................................................. 33

§3.4.2 仿真结果分析 ...................................................................................... 35

§3.5 本章小结 ........................................................................................................ 36

第四章基于自适应遗传算法建立机油泵性能参数曲面模型 .................................. 37

§4.1 遗传算法过程 ................................................................................................ 37

§4.1.1 编码及解码过程 .................................................................................. 37

§4.1.2 选择过程及适应度函数的分类 .......................................................... 38

§4.1.3 交叉过程及其分类 .............................................................................. 38

§4.1.4 变异过程 .............................................................................................. 39

§4.1.5 重插入过程 .......................................................................................... 39

§4.2 机油泵的工作特性曲面数学模型的建立 ..................................................... 40

§4.3 基于基本遗传算法求解工作特性曲面模型 ................................................ 40

§4.3.1 编码的设计 .......................................................................................... 41

§4.3.2 适应度函数的设计 .............................................................................. 42

§4.3.3 交叉算子和变异算子的设计 .............................................................. 42

§4.3.4 新一代种群构建 .................................................................................. 43

§4.4 基于自适应域多种群遗传算法求解工作特性曲面模型 ............................ 43

§4.5 仿真和分析 ..................................................................................................... 44

§4.6 本章小结 ........................................................................................................ 47

第五章总结与展望 ...................................................................................................... 49

§5.1 全文总结 ........................................................................................................ 49

§5.2 研究展望 ........................................................................................................ 49

参考文献 ........................................................................................................................ 51

在校期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 55

致谢 .............................................................................................................................. 56

第一章绪论

§1.1 研究背景

汽车机油泵是发动机的关键部件，其作用是不断向摩擦表面提供润滑油。机

油泵质量的优劣直接影响着发动机的性能。机油泵出厂前要对其进行检测。其中

试验项目包括出厂试验、型式试验、性能试验和可靠性试验[1]等。汽车机油泵市

场竞争激烈，而其质量的优劣受限于试验检测手段。目前国内机油泵检测水平逐

步提高，取得了可喜的成果[2~5]。随着技术的发展，传统的设计理念应不断进行改

观和完善，这样才能加快我国制造业的发展，提高企业的整体水平和综合效益。

因此根据国家机械相关标准，更好的改进机油泵参数测试系统来完成对机油泵的

质量检验具有很大经济效益和社会效益。

在制造业发展过程中，产品的设计起着至关重要的作用。缩短产品开发时间，

降低产品的生产成本，提高产品的质量成为企业竞争和发展的关键，因此有效的

设计方法越来越得到学术界和企业的重视。目前大部分产品造型软件均支持对产

品的自底向上(bottom-up)设计，即先完成各个零件的造型，然后将各个零件装配

在一起，这种设计方法符合人们思维，容易被多数人所接受。但是如果某些零件

参数发生变动时，需要对其进行重新设计，而与之装配相关的零件同样要重新设

计，这样浪费了大量时间和人力[6]。另外随着产品多样性的发展以及客户不同层

次的需求，这种方法也受到一定的约束。

油温控制是机油泵参数测试系统进行试验的一项重要技术，压力试验和转速

试验是在油温一定的条件下进行的。油温的变化导致油黏度的变化，从而影响试

验的精度，另外油黏度的变化还会影响流量计的测试精度[7]。目前大多数机油泵

参数测试系统采用不是很严格的油温控制，误差较大，主要原因是根据现有水平

建成高精度的温控系统耗资巨大。目前上位机对油温的控制算法主要是 PID 算法

[7,8]，传统的 PID 算法虽然具有结构简单，工作可靠，调整方便等优点，但其抗干

扰能力较差。

机油泵出厂前要进行各种性能试验，可以建立一种性能曲面表示供油量 Q与

温度 T，转速 n和泵出压力 ps的关系，即为：Q=f(n,ps,T)，机油泵测试系统只能

对部分点进行检测，为了建立机油泵通用性能曲面来判断其是否达到合格指标，

如何根据部分点来建立性能曲面是机油泵检测的一项重要内容。目前机油泵工作

特性建模方法主要有试验数据拟合法，神经网络建模分析法[9]，计算流体力学分

析法[10]。目前实验数据拟合的方法还包括偏最小二乘法[11]，可用于对机油泵特定

机油泵参数测试系统的研究与应用

工况进行分析，但其建立统一表达式较为困难；神经网络建模方法需要大量实验

数据进行训练，因而工作量较大；计算流体力学分析法具有投资小，研究周期短，

精度易于提高等特点，但是要包括三维建模，网格划分，内部流场数值模拟等步

骤，因而操作较为复杂。

§1.2 国内外研究现状概述

§1.2.1 基于 TBS 理论的自顶向下技术

产品在装配过程中，表现出一定的层次性。产品的结构变型主要分为两种方

式：横向布局结构变化和纵向布局结构变化。横向布局不改变产品结构参数和配

置来发展变型产品，而纵向产品在改变产品参数后，随之的局部改变来发展系列

化产品。若在产品的变型设计中，面向三维进行一种来进行两种结构布局变化的

传递，还能实现设计信息的共享和控制。这就是顶层基本骨架(TBS)技术，它的引

入为三维设计带来一种新的设计方法[12,13]。

TBS 的基本思想是在产品设计的最初阶段，按照产品最基本功能和要求，在

设计顶层构筑一个基本骨架，称之为顶层基本骨架（top basic skeleton TBS），随

后的设计过程都是在该 TBS 基础上进行复制、修改、细化和完善并最终完成整个

设计过程。在 TBS 的建立过程中，实现了产品功能到层次之间的映射关系。

建立 TBS 一般遵循以下步骤[12,14]：①在产品设计的最初阶段,按照产品的最

基本功能和要求,在顶层建立一个三维骨架模型,用它定义一个装配体的基本功能

要求、基本结构和全局参数及参数间的关系,其零部件是一个概念上的三维参数草

图,然后建立参数、尺寸间的关系和零部件自动定位所需的全局标准。②通过复制

机制实现骨架模型在三维空间的映射。 ③通过输入零部件之间的配合关系建立装

配体的几何约束。

而TBS 设计作为一种全新的设计理念，目前以应用到各种领域，如工业领域

的减速器设计[14]和医疗领域的支持自顶向下设计的口腔涡轮手机[15]中。在众多的

三维软件中， UG WAVE 作为一种并行工程技术和商业化的软件，为产品参数化

设计提供了一个平台，使产品控制中的设计更改控制问题得到了解决。

§1.2.2 变论域模糊控制理论

模糊理论最早是由 Lotfi A. Zadeh 在1965 年发表的一篇名为《Fuzzy sets》的

文章中提出来的。后来他又相继提出模糊算法的概念，模糊决策和模糊排序等。

他于 1973 年发表的另外一篇文章中在引入语言变量的基础上，建立了模糊控制基

础理论。模糊理论能发展成一个独立领域，在很大程度上都归功于 Zadeh 的贡献

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摘要：

摘要随着汽车工业的飞速发展，对机油泵数量和质量的要求在不断提高。机油泵产品的质量在不断改善，其质量检测水平已成为衡量机油泵产品质量的一个重要标准。一些传统的设计方法和技术不仅浪费时间和人力，而且效率也不高。企业要不断的改进新技术，快速地响应市场及满足客户的需求，这样才能在竞争激烈的市场中立于不败之地。本文分析了现有的机油泵参数测试系统的基本现状，对机油泵参数测试系统开展以下三方面的研究工作：1、机油泵参数测试系统试验台结构的自顶向下设计。采用基于顶层基本骨架的自顶向下设计方法，实现了从机油泵参数测试系统试验台的功能到其装配结构的映射。2、采用变论域模糊PID控制的方法进行机油泵参数测试系统的油...

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