基于改進NSGA-Ⅱ算法的發動機活塞機構優化設計

夏爾冬 ，王春榮 ，2，熊昌炯 ，劉建軍

（1.三明學院機電工程學院，福建 三明 365004；2.北京工業大學機械工程及應用電子技術學院，北京 100124）

1 引言

發動機[1-3]是汽車的動力來源，是汽車中最重要的部分，其性能直接影響汽車的動力、油耗、排放等，而活塞機構是發動機中重要的運動部件之一，活塞機構的運動速度、加速度、運動軌跡等決定對發動機的性能。因此，對活塞機構進行優化設計研究，具有十分重要的意義。

國內外有些學者已對活塞機構展開了相關研究，文獻[4]借助Pro/E對曲柄活塞機構的運動進行了仿真研究；文獻[5]用ADAMS對柴油機的曲柄兩活塞機構進行了動力學分析，得到了工作中曲柄的危險位置；文獻[6]對發動機的活塞機構各桿長進行研究，但只考慮了其跟蹤誤差，卻忽略了傳動角對其運動性能的影響。

以活塞機構的運動軌跡誤差和傳動角與90°偏差為雙目標優化函數。傳統的多目標優化是利用加權法將多目標轉化為單目標進行優化，但是由于權系數的主觀因素太強，對優化性能具有很大的影響[7]。利用NSGA-Ⅱ算法[8-12]對活塞機構進行雙目標優化，為增強其搜索能力與種群多樣性，對NSGA-Ⅱ算法進行了改進，采用改進的NSGA-Ⅱ算法對活塞機構進行優化設計分析，提高活塞機構的運動性能。

2 活塞機構數學模型建立

利用PRO/E對發動機活塞機構進行三維實體建模，如圖1所示。包括活塞、曲柄、連桿等，對其進行運動分析，機活塞機構運動簡圖，如圖2所示。

圖1 發動機活塞機構三維模型Fig.1 The Three-Dimensional Model of Engine Piston Mechanism

圖2 機活塞機構運動簡圖Fig.2 The Motion Diagram of Piston Mechanism

2.1 目標函數的確定

（1）根據圖2中幾何關系，E點的坐標可以表示為：

式中：（xi，yi），i=1，2，…，k—理論點的坐標，則 E 的軌跡誤差函數為：

（2）在四連桿機構中傳動角具有十分重要的作用，傳動角越大、越接近90°表明機械系統的傳動性能越好。圖2中最大、最小傳動角可以表示為：

2.2 設計變量的確定

根據文獻[13]可知θ3為θ2的函數，因此取設計變量為：

2.3 約束條件的確定

（1）四連桿曲柄機構，應滿足各個桿長約束條件：

（2）邊界約束條件：

3 改進算法

3.1 NSGA-Ⅱ簡介

算法是文獻[14]在算法基礎上進行改進的，主要區別為了減小算法計算的復雜度引入了快速非支配排序法、利用擁擠度和擁擠度算子、代替共享參數σshare，并具有精英保留策略，提高種群的搜索空間，是一種處理多目標問題的優秀算法。然而直接采用算法對發動機活塞機構進行優化，發現Pareto最優解分別不夠均勻，這是由于其在尋優過程中早熟收斂所引起的。為了提高種群的多樣性、算法的搜索能力，使得Pareto最優解集更加均勻的分布，提出了對交叉算子和變異算子進行改進。

3.2 NSGA-Ⅱ的改進

自適應交叉算子與變異算子和傳統的算法直接采用交叉概率PC和變異概率Pm不同，而是與個體的適應值相關。若個體的適應值比平均適應值小，此時為了盡量多的保留優秀的個體，應選用較小的PC和Pm；若個體的適應值比平均適應值大，此時為了生成下一代優秀的個體，應選用較大的PC和Pm；若種群中所有個體的適應值幾乎相同時，此時為了使算法擴大搜索區域從局部最優中跳出，應使整體的PC和Pm較大；反之，種群中所有個體的適應值差距非常大，此時為了使算法盡快收斂，應使整體的PC和Pm較小，即：

式中：f1、f2—交個體與變異個體的平均適應值；

fav、fmin—種群的平均和最小適應值，λ1，λ2，λ3，λ4∈［0，1］。

3.3 算法執行過程

所提出的算法的執行步驟，如圖3所示。

圖3 改進算法流程圖Fig.3 The Flow Chart of Improved NSGAⅡ

4 實驗分析

給定目標軌跡坐標點與文獻[6]相同，即（9.5，8.26），（9.0，8.87），（7.97，8.87），（5.65，9.94），（4.36，9.7），（3.24，9.0），（3.26，8.36），（4.79，9.11），（6.58，8.0），（9.12，7.87）；設計變量的取值范圍為：xA，yA∈［0，5］，a，b，c，d，u，v∈［0，5］，θ1，θ2（i）∈［0，5］。

4.1 不同算法對比

分別采用傳統的算法與改進的算法對發動機活塞機構進行優化，所求得的Pareto最優解集，如圖4所示。兩種算法所求得的的最小值與最大值，如表1所示。四種極值情況的軌跡曲線圖，如圖5所示。分析實驗結果，可以明顯的發現，改進的算法Pareto最優解的分布比傳統算法較為均勻且具有較快的收斂速度，即提出的改進算法提高種群的多樣性、算法的搜索能力。所改進的算法，得到的最值比傳統算法小，具有較好的優化性能。分析圖5、圖6不難發現，改進的算法所得到的軌跡比傳統算法的軌跡更加接近理論軌跡。

圖4 Pareto最優解的分布情況Fig.4 The Distribution of Pareto Optimal Solutions

圖5 傳統軌跡圖Fig.5 The Track Diagram of Traditional NSGAⅡ

圖6 改進軌跡圖Fig.6 The Track Diagram of Improved NSGAⅡ

表1 Pareto解集中極值比較Tab.1 The Extreme Comparison of Pareto Solutions

4.2 最優Pareto解對比

Pareto解集中的每個解對于F1、F2都是相互沖突的，因此采用逼近理想解排序法從圖4中的Pareto前沿選出兩種算法各自的最優解進行比較，如表2所示，兩種算法最優解的軌跡圖，如圖7所示。

表2 Pareto解集的最優解比較Tab.2 The Optimal Solution Comparison of Pareto Solutions

圖7 最優解的軌跡對比圖Fig.7 The Track Contrast Diagram of Optimal Solution

具體的實施過程為：

（1）歸一化處理。將兩種算法的F1、F2對應的值進行歸一化，即：

式中：F1j、F2j—F1、F2目標函數得第 j個值。

（2）選出最優解。分別計算Pareto解集中的每個解與兩個虛擬極端解的距離，距離越大代表此解越差，反之則為最優解，具體第k個解的距離dk為：

式中：dk1dk2—與兩個極端解的距離。

對比實驗結果表明，改進的算法比傳統算法以及文獻[6]的跟蹤精度高，證明提出的改進算法具有較好的優越性。

5 結論

針對汽車發動機的重要零部件-活塞機構的運動性能進行了優化。提出以軌跡跟蹤誤差和傳動角與直角的偏差為優化目標，采用改進的NSGAⅡ算法對活塞機構進行優化設計，結果表明所提出的改進算法可以用于活塞機構的多目標優化分析，并比傳統的算法具有更好種群的多樣性、搜索能力、更高的精度和更好的運動性能。

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