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        基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法的組合式板齒脫粒裝置參數(shù)優(yōu)化

        2014-07-16 07:27:06費強等
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:參數(shù)優(yōu)化遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

        費強等

        摘要:以喂入量、脫粒軸轉(zhuǎn)速、板齒螺旋角和排芯口壓板壓力為自變量,脫凈率、籽粒含雜率、籽粒破碎率為響應(yīng)值,建立脫粒裝置的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型。用Matlab優(yōu)化工具箱對該模型進行優(yōu)化,求得脫粒裝置各因素之間的最佳組合,并用遺傳算法對優(yōu)化結(jié)果進行驗證。結(jié)果表明:應(yīng)用Matlab優(yōu)化工具箱對該模型進行優(yōu)化后,籽粒含雜率提高了0.97%~1.70%,所求得的脫粒裝置各因素之間最佳組合與試驗優(yōu)化結(jié)果擬合度高,能夠準確地預(yù)測組合式螺旋板齒種子脫粒機的工作參數(shù)與作業(yè)性能。

        關(guān)鍵詞:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);遺傳算法;Matlab;組合式板齒;脫粒裝置;參數(shù)優(yōu)化

        中圖分類號:S226.1;S126 文獻標志碼:A 文章編號:1002-1302(2014)03-0351-04

        組合式板齒脫粒裝置是一個多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)[1]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)簡稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),是基于現(xiàn)代生物學(xué)研究人腦組織的成果基礎(chǔ)上,用大量簡單的處理單元廣泛連接組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),用于模擬人類大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)、記憶、推理和歸納等功能。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中,前饋式的BP網(wǎng)絡(luò)是一種簡單而用途廣泛的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),它適用于非線性的模式識別和分類預(yù)測問題[2]。遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法。遺傳算法提供了一種求解復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問題的模式,它不依賴于問題的具體領(lǐng)域,對問題的求解種類有很強的魯棒性,現(xiàn)已幾乎滲透到從工程到社會科學(xué)的諸多領(lǐng)域,廣泛用于函數(shù)優(yōu)化、組合優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、機器學(xué)習(xí)、自動控制、圖像處理和人工生命等領(lǐng)域[3]。應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對組合式板齒脫粒裝置進行建模與目標優(yōu)化,并利用遺傳算法對已優(yōu)化目標進行驗證。

        1 組合式板齒脫粒裝置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型的建立

        1.1 BP網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

        GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò):第1層神經(jīng)元數(shù)目為4個,傳遞函數(shù)為tansig,第2層神經(jīng)元數(shù)目為15個,傳遞函數(shù)為tansig,第3層神經(jīng)元數(shù)目為3個,傳遞函數(shù)為purelin,輸入函數(shù)為P,輸出目標是T。其中,x1為喂入量,x2為脫粒軸轉(zhuǎn)速,x3為板齒螺旋角度,x4為排芯口壓板壓力,y1為果穗脫凈率,y2為籽粒含雜率,y3為籽粒破碎率。

        1.2 仿真結(jié)果及建模

        根據(jù)BP網(wǎng)絡(luò)原理,應(yīng)用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱實現(xiàn) BP 網(wǎng)絡(luò)模型的創(chuàng)建、訓(xùn)練及仿真,其仿真結(jié)果如表1所示。

        3 基于遺傳算法的脫粒裝置參數(shù)優(yōu)化驗證

        應(yīng)用遺傳算法對“2”節(jié)中所優(yōu)化的指標、因素自變量數(shù)值進行驗證,建立M無約束函數(shù)文件與式(6)、(7)、(8)相同[10]。

        由圖4單目標參數(shù)優(yōu)化結(jié)果可以看出,脫凈率(fun1)=99.673%,x1、x2、x3、x4所對應(yīng)的編碼值分別為-1、-0.997、-0.14、0.992;應(yīng)用線性插值法,即此時脫粒物料喂入量為 2.80 kg/s、脫粒軸轉(zhuǎn)速為220.1 r/min、板齒螺旋角為8.58°、變剛度彈力為59.92 N。含雜率(fun2)=4.107%,此時x1、x2、x3、x4所對應(yīng)的編碼值分別為-0.422、-0.926、-0.101、-0.583;應(yīng)用線性插值法,即此時脫粒物料喂入量為 2.967 8 kg/s、脫粒軸轉(zhuǎn)速為221.85 r/min、板齒螺旋角為8697°、變剛度彈力為44.17 N。破碎率(fun3)=0.440 3%,此時x1、x2、x3、x4所對應(yīng)的編碼值分別為-0.442、-0.843、-0.047、-0.613;應(yīng)用線性插值法,即此時脫粒物料喂入量為2.967 kg/s、脫粒軸轉(zhuǎn)速為223.92 r/min、板齒螺旋角為886°、變剛度彈力為43.87 N。脫凈率(fun1)、含雜率(fun2)、破碎率(fun3)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果分別相差0023%、0.001%、0.001%。按照式(9)編寫約束函數(shù)M文件myfun3_c.m求解運行結(jié)果(圖5)。

        函數(shù)求解運行結(jié)果(圖5)顯示,起點為[0 0 0 0],最優(yōu)解為fun3=0.587 344 355 281 084 5,對應(yīng)的x1、x2、x3、x4的編碼值分別為0.282、0.229、1.000、-0.232;應(yīng)用線性插值法,即此時脫粒物料喂入量為3.184 kg/s、脫粒軸轉(zhuǎn)速為 250.73 r/min、板齒螺旋角為12°、變剛度彈力為47.68 N。此時fun1=99480 005 4,fun2=5.479 301 54,脫凈率(fun1)、含雜率(fun2)、破碎率(fun3)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果分別相差0001%、0.002%、0.001%。應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化驗證結(jié)果表明,借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對組合式板齒脫粒裝置建模與參數(shù)優(yōu)化的方法可行,仿真結(jié)果可靠。

        4 結(jié)論

        以喂入量、脫粒軸轉(zhuǎn)速、板齒螺旋角和排芯口壓板壓力為自變量,脫凈率、籽粒含雜率、籽粒破碎率為響應(yīng)值建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法優(yōu)化的組合式板齒脫粒裝置最佳工作參數(shù)為喂入量2.80~3.2 kg/s、脫粒軸轉(zhuǎn)225~251 r/min、板齒螺旋角度 8.25~12.00°和排芯口壓板壓力 40.0~48.2 N。使用該參數(shù)較優(yōu)化前脫凈率減小015%~0.38%,含雜率減小0.97%~1.70%,破碎率減小0084%~0.274%,說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法優(yōu)化方法是可行的、合理的,為脫粒裝置參數(shù)優(yōu)化提供了一個新的方法。

        參考文獻:

        [1]趙武云,郭康權(quán). 組合式螺旋板齒種子玉米脫粒機工作參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2012,42(12):56-61.

        [2]陳翠英,王志華,李青林. 油菜脫出物在氣流中的運動分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2004,35(5):90-93.

        [3]雷英杰,張善文,李續(xù)武,等. MATLAB遺傳算法工具箱及其應(yīng)用[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.

        [4]趙武云,郭康權(quán). 變徑變間距螺旋板齒式玉米脫粒機設(shè)計與試驗[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2013,31(1):226-230.

        [5]趙武云,王廣萬,劉國春,等. 低破碎種子玉米脫粒機的研制[J]. 機械研究與應(yīng)用,2010(1):132-134.

        [6]戴 飛,高愛民,孫 偉,等. 縱軸流錐型滾筒脫粒裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(1):74-78.

        [7]戴 飛,張鋒偉,韓正晟,等. 自動跟蹤式小型太陽能集熱玉米果穗干燥裝置設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(5):189-193.

        [8]戴 飛,張鋒偉,韓正晟,等. 玉米果穗機械干燥裝置設(shè)計與試驗研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2011,29(3):260-264.

        [9]戴 飛. 縱軸流錐型滾筒小區(qū)小麥種子脫粒裝置設(shè)計與試驗研究[D]. 蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

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