平頂長脈沖強磁場的優(yōu)化設(shè)計理論和方法.pdf

1、強磁場作為一種極端實驗手段，其在科研、醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。許多重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)都是直接得益于極端強磁場條件。根據(jù)磁場持續(xù)的時間可將強磁場分為脈沖強磁場和穩(wěn)態(tài)強磁場等類型，這兩種類型的磁場在各領(lǐng)域都已經(jīng)有了重要的應(yīng)用，但二者也都有一定的應(yīng)用局限性。平頂脈沖強磁場則是介于脈沖強磁場和穩(wěn)態(tài)強磁場之間的一種強磁場裝置，由于它綜合了脈沖場的場強高和穩(wěn)態(tài)場的紋波小的特點，而且造價成本比穩(wěn)態(tài)場要低很多，所以平頂脈沖強磁場得到了許多科學(xué)家的

2、青睞。
　　由于平頂脈沖強磁場的場強高且脈寬長，磁體的功耗、溫升和應(yīng)力都很大，這對電源系統(tǒng)和磁體系統(tǒng)都是極大的挑戰(zhàn)。另外平頂脈沖強磁場的電源系統(tǒng)和磁體系統(tǒng)之間存在電和熱等耦合關(guān)系，在進行設(shè)計時必須將電源和磁體進行迭代耦合計算，這增加了設(shè)計的復(fù)雜性。本文即以在綜合考慮電源和磁體特性的基礎(chǔ)上進行平頂脈沖強磁場的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計為主要內(nèi)容。
　　在數(shù)學(xué)模型方面，文章基于華中科技大學(xué)國家脈沖強磁場中心現(xiàn)有的裝置條件，建立了脈沖發(fā)電機-整

3、流器型電源、電容器型電源和蓄電池型電源的數(shù)學(xué)模型并分析了其工作特性，同時將磁體系統(tǒng)的電磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)特性進行了解耦分析和建模。
　　在建立的電源和磁體系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，詳細闡述了平頂脈沖強磁場系統(tǒng)的設(shè)計流程和優(yōu)化方法。以單目標優(yōu)化設(shè)計為例分析了遺傳算法在平頂脈沖強磁場系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用，并用枚舉法驗證了遺傳算法在進行平頂脈沖強磁場系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計時的可行性。
　　針對單目標優(yōu)化設(shè)計只單一追求磁場最高而使電源和磁體系統(tǒng)

4、的其他參數(shù)都處于裝置運行極限的情況，引入了差分進化算法進行平頂脈沖強磁場系統(tǒng)的多目標優(yōu)化設(shè)計。將電源系統(tǒng)的電壓、電流和功率等關(guān)鍵參數(shù)與磁體的磁場和溫度等進行統(tǒng)一綜合優(yōu)化。分析了加權(quán)法在低維多目標優(yōu)化設(shè)計中的優(yōu)化設(shè)計流程及其所得最優(yōu)解在Pareto前沿上的直觀分布情況。
　　在高維多目標優(yōu)化設(shè)計方面，引入了根據(jù)各優(yōu)化目標的優(yōu)劣情況進行分層打分的可視化優(yōu)化設(shè)計方法，并以發(fā)電機-十二脈波整流器電源給單線圈供電為例闡述了該優(yōu)化方法的詳細設(shè)