電磁逆問題序貫6Sigma穩健設計最佳化方法的研究

《電磁逆問題序貫6Sigma穩健設計最佳化方法的研究》是依託華中科技大學，由雷剛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：電磁逆問題序貫6Sigma穩健設計最佳化方法的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：雷剛
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

電磁場逆問題一直以來都是計算電磁學領域的研究熱點。本項目旨在研究基於多目標和高維序貫最佳化策略下電磁逆問題的6Sigma穩健設計最佳化方法。首先，通過對統計學中序貫試驗設計技術的引入和改進，分別提出針對多目標和高維電磁逆問題的流形空間縮減技術和序貫空間最佳化方法，並建立最佳近似模型的選擇策略。其次，通過將序貫策略引入到分布估計算法的設計中，建立新的機率圖模型並提出一種序貫多目標分布估計算法。它能利用序貫最佳化策略為算法中的種群更新提供先驗信息，從而實現最佳化效率的顯著提高。最後，項目將探討基於以上序貫策略和算法的電磁逆問題穩健設計最佳化方法；同時將建立電磁逆問題的噪聲因素定性定量分析方法和系統級多層分析方法，提出並分析驗證序貫6Sigma穩健設計最佳化這一新方法。本項目旨在為電磁逆問題提供一套系統的基於套用統計學相關原理的序貫6Sigma穩健設計最佳化方法，為工程及生物醫學電磁逆問題的高效分析奠定基礎。

結題摘要

本項目主要研究的是電磁裝置和系統的新型高效多目標和多學科設計最佳化方法。通過研究，主要取得了以下六個方面的研究成果。第一：針對多目標的電磁最佳化問題，項目提出了基於序貫最佳化策略的多目標最佳化方法。新方法結合改進的實驗設計技術（中心複合設計）、Kriging近似模型、多目標遺傳算法和序貫最佳化策略來達到最佳化空間縮減目的。通過一個標準驗證函式和一個軟磁複合材料的永磁橫向磁通電機的實例研究發現，所提出的方法能得到同樣滿足精度要求的Pareto解集，同時有限元的計算量有大幅的縮減。第二：針對高維的電磁最佳化問題，項目採取靈敏度分析技術將高維的設計最佳化空間分解為兩個低維的子空間，再利用序貫最佳化策略來最佳化這些子空間，從而達到了多層最佳化的設計思想。通過一個TEAM Workshop基準問題22（超導磁儲能系統）和一個SMC爪極電機的研究發現，新方法所需要的有限元計算量不足傳統最佳化方法的1/4。第三：針對多目標的分布估計算法，為了進一步地提高其最佳化效率，項目採取的方法是利用序貫最佳化策略為算法中的種群更新提供先驗信息，這樣達到同時更新機率圖模型、近似模型和算法參數的目的。第四：針對多學科的設計最佳化問題，項目在研究SMC永磁電機的基礎上，提出了一個通用的SMC電機的多學科設計最佳化方法。最佳化結果顯示，新方法能同時滿足多學科的最佳化目標和約束條件，如溫度場和模態分析。第五：在考慮製造條件、成本和產品可靠性的概念下，項目將6Sigma穩健設計最佳化方法引入到了電機及其驅動系統的設計和最佳化上。研究了基於SMC永磁電機的6Sigma穩健單目標和多目標設計最佳化方法。第六：研究了系統級的電磁設計最佳化問題，並提出了針對系統級的電機驅動系統（包含電機和控制）的多層6Sigma穩健設計最佳化方法。通過算例研究發現，新方法能同時滿足電機驅動系統的穩態（如平均轉矩）和動態（如超調量和超調時間）特性要求。更為重要的是，在6Sigma設計最佳化的框架下，所得到的電機和驅動系統的可靠性都基本上達到了100%，明顯地高於由傳統確定性設計最佳化得到的產品可靠性。本項目的研究成果均為通用性的，可以廣泛地適用於工程電磁裝置和系統的多目標、多學科和穩健設計最佳化問題。