1分插机构多目标优化

1.1分插机构的工作原理

分插机构是水稻插秧机的核心工作部件之一，也是国内外水稻插秧机研究人员最主要的研究对象。椭圆齿轮行星系分插机构作为高速水稻插秧机常用的旋转式分插机构之一，此分插机构具有结构相对简单、传动较平稳和可靠性好等特点。其传动图如图1所示，该机构由5个全等的椭圆齿轮（图1中的1、2、2''''、3、3''''标示处）、行星架（图1中的5标示处）和2个栽植臂（图1中的4和5标示处）所组成，椭圆齿轮的初始安装相位相同，太阳轮与机架固定在一起，2对椭圆齿轮（图中的2，2''''和3，3''''）对称安置在太阳轮的两边[10]。分插机构在工作旋转时，太阳轮固定不动，并跟随行星架一起转动，2个中间椭圆齿轮（2，2''''）绕着太阳轮转动，同时带动另外2个行星椭圆齿轮（3，3''''）在周期内摆动。栽植臂固定在行星轮上，随行星架顺时针转动，即相对于行星架作非匀速逆时针的转动，同时可完成栽植臂上的秧针尖点的运动轨迹和姿态，从而完成插秧的工作[10]。

1.2分插机构优化分析

分插机构优化涉及到多个优化参数和多个优化目标，是一项具有强耦合性、模糊性和非线性多参数多目标的优化问题。分插机构在进行人机交互优化的过程中，主要是用户根据经验来输入一组已知参数，由软件平台来计算目标结果，并显示运动轨迹和对机构运动模拟，然后通过用户的直觉，或者专家的经验来判断当前结果是否可行，判断当前参数是否优良，如果不满足条件，就进行多个参数的调整，在试凑法的基础上，直到找到满足插秧要求的结果为止。分插机构的12个优化目标如表1所示。分插机构在进行人机交互优化的过程中，主要是用户根据经验来输入一组已知参数，由软件平台来计算目标结果，系统集成了专家的知识，根据每个目标结果值来判断当前一组参数是否满足机构要求，如果不满足，就进行参数的调整，直到找到满足插秧要求的结果为止。此优化过程属于多参数多目标优化问题，优化结果不唯一，但都满足插秧要求。优化后得到的多组优化结果，可进一步通过评价方法评价出最优解。模糊数学理论中的模糊综合评判法[11-12]是一种用于解决多目标优化问题的有效方法。根据模糊数学理论，将模糊综合评判法应用到目标结果优化中，求得所有目标的满意度，从而得到这组满意度中评价最高的优化参数，为分插机构进一步优化提供了评判依据，达到进一步提高机构性能的目的。文献[13]曾利用此方法对分插机构运动性能进行量化，继而对分插机构利用神经网络进行训练，得到满意度函数。各种评判方法中用于解决优化评判最关键的步骤是建立权重集，本文主要讨论AHP求解权重集的问题。

2AHP方法计算权重

AHP是一种解决多目标的复杂问题的定性与定量相结合的决策分析方法[14-17]。该方法用决策者的经验判断各衡量目标能否实现的标准之间的相对重要程度，并合理地给出评价对象的每个标准的重要性系数，即权重。AHP求解权重具体步骤如下：1）确定指标的量化标准。AHP的核心问题是建立一个构造合理且一致的判断矩阵，判断矩阵的合理性受到标度的合理性的影响。所谓标度是指评价者对各个评价指标（或者项目）重要性等级差异的量化概念。判断矩阵中的元素aij表示构成改矩阵的行元素Ai对列元素Aj的相对重要性。2）确定初始权数初始权数的确定常常采用定性分析和定量分析相结合的方法。一般是先组织专家，请各位专家给出自己的判断数据，再综合专家的意见，最终形成初始值。

3分插机构目标优化评价模型权重的求解

目前用于AHP方法中的标度法主要有：1～9标度方法、0～2三标度法、-1～1三标度法、-2～2五标度法、指数标度法、分数标度法等。根据文献[19]中对各标度法的相关特性比较分析，结合分插机构参数优化中评价指标的特点，本文首先选择采用0～2三标度法。根据分插机构的理论分析可知[20-22]，分插机构运动学优化有8个输入参数，12个运动学目标（目标参数见表1）。当运动学目标满足运动学轨迹要求时，可称此组解为可行解。在12个运动学目标中，object1和object2是对插秧机运动干涉的判定，可得到精确的判定结果，而其余10个目标均存在一定的模糊性，即：目标要求分解到各个目标函数值不是唯一值，而是一个范围，该范围内的值都能满足机构运动学的工作要求。根据分析，本文对分插机构设置10个评价指标，在可视化平台中，专家们已经对10个目标进行了重要性排序[20,23-24]，即排在前面的目标比排在后面的目标重要，由此可得到初始判断矩阵A的元素标度值，见表3所示。一般把三标度判断法构造的矩阵定义为比较矩阵。

4结论

（1）本文引用AHP用于排序权值的计算，结果明显得到了优化，即通过建立判断矩阵以及一致性检验可提高结果的精确度，求解结果更准确、客观，结果更贴近实际。2）应用MATLAB工具集对AHP方法所建立的矩阵进行计算，通过建立多目标之间的关联关系，经验证求解结果与实际相符。3）对分插机构的目标权值应用算法进行求解，此方法部分脱离了专家的依赖性和主观性，对其它农机多目标优化求解问题具有一定的参考价值，可为农机开发人员提供一个通用的权值求解平台。

作者：代丽朱爱华赵匀单位：浙江理工大学管理科学与工程系浙江理工大学机械与自动控制学院