王勝科， 徐保榮， 劉 城， 郭 猛

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081；2.中國人民解放軍 63966部隊，北京100071)

機電復合傳動是未來大功率機動平臺傳動的發(fā)展趨勢，作為平臺電能的主要供給方，針對機電復合傳動系統(tǒng)發(fā)電機的評價研究較少，往往隨整車進行測試.同時，機電復合驅動車輛對于發(fā)電機特性和指標要求與一般發(fā)電特性相比有明顯的區(qū)別，主要體現(xiàn)在嚴苛的體積重量約束，以及對于功率特性和瞬態(tài)特性具有較高的需求.因此，有必要建立一個較為完善的發(fā)電機綜合性能評價體系來實現(xiàn)與整車功能、性能相結合的集成評價，為最終電傳動方案提供理論基礎[1].

文中根據(jù)發(fā)電機的基本特性，從性能層和指標層提出發(fā)電機性能指標，在確定指標評價集之后，結合基于層次分析的模糊綜合評價法，采用梯形隸屬度函數(shù)建立機電復合驅動車輛發(fā)電機評價體系.

1 指標體系的構建過程

1.1 發(fā)電機模塊指標集構建

指標體系的構建流程如圖1所示[2].

圖1 發(fā)電機模塊指標體系的構建過程

對機電復合傳動系統(tǒng)發(fā)電機模塊上級、下級和自身的性能進行分析，采用系統(tǒng)分析法和解釋結構模型法、初步確定評價指標體系.

發(fā)電機與發(fā)動機相連，主要為驅動系統(tǒng)、上裝武器系統(tǒng)提供電能，并在必要時對電池進行充電.其主要指標有電壓紋波系數(shù)、功率過載系數(shù)、轉矩過載系數(shù)、額定電壓、額定電流、額定功率、效率、工作轉速、最大轉速、轉速變化率、質量功率密度、體積功率密度、電壓剛度、耐鹽霧、耐濕、使用壽命、溫升速度、工作溫度范圍[3].

1.2 發(fā)電機評價指標體系研究

在發(fā)電機模塊指標集基礎上，分別運用解釋結構模型法、系統(tǒng)分析法和縱向分解法構建各層級指標體系，對評價指標進行篩選及優(yōu)化，最終形成各層級評價指標體系，并理清指標間關系，為后續(xù)評估方法提供理論基礎.

1.2.1 評價指標篩選

依據(jù)可測試性、可評價性、機電傳動相關性三條準則，對發(fā)電機指標體系進行篩選，采用專家調查法，篩選出初步評價體系的指標，進而獲得各層級初步評價指標體系.

所有指標均為可測試指標，且與機電傳動緊密相關，但是，功率/轉矩過載系數(shù)、額定電壓、額定電流、額定功率、工作轉速、最大轉速、轉速變化率、和電壓剛度為設計時確定的內控指標，是在設計時根據(jù)技術指標要求確定的，故這些指標并不具備可評價性.

根據(jù)以上分析，初步確定發(fā)電機模塊評價指標體系為電壓紋波系數(shù)、效率、質量功率密度、體積功率密度、耐鹽霧、耐濕、使用壽命、工作溫度范圍.這些指標具有可比性、可測性，可作為后續(xù)性能評價的輸入.

1.2.2 單指標體系結構優(yōu)化

構建了每層的初步評價指標體系后，再分別對每個層次進行指標結構優(yōu)化，主要考慮指標的獨立性和關聯(lián)性.由于采用系統(tǒng)分析法和解釋結構模型法構建了較全面的評價指標體系，導致單個指標體系內仍有不合理的指標結構，主要是指標相互關聯(lián)，或仍可繼續(xù)分解.所以，對每個指標體系分別進行結構優(yōu)化，主要依據(jù)以下原則：

1)指標體系層次結構盡量不存在混亂、交叉和重復的問題；

2)指標元素相互獨立，不存在冗余；

3)指標獨立且分解到位，達到不需要再分解就可以清楚描述評價目標的要求.

根據(jù)獨立性、關聯(lián)性原則對發(fā)電機評價指標體系進行優(yōu)化，在評價指標體系中，“體積功率密度”與“質量功率密度”相關聯(lián)，從指標的易測試性為出發(fā)點考慮，選取相應易測試的、或行業(yè)內常用的質量功率密度作為評價指標.

1.3 發(fā)電機評價指標樹構建

在跨指標組、跨層次上考慮指標的獨立性、關聯(lián)性、測試便利性及必要性，分別對指標體系進行綜合優(yōu)化，最終構建完善的指標體系.優(yōu)化后發(fā)電機最終評價指標如圖2所示.

圖2 優(yōu)化后發(fā)電機最終評價指標體系

2 機電復合車輛發(fā)電機評估方法研究

2.1 發(fā)電機評估方法流程

鑒于在評價指標中，有“耐濕熱能力”、“耐鹽霧能力”等較難用定量指標統(tǒng)一評價的模糊指標，故采用基于層次分析的模糊綜合評判法對發(fā)電機指標體系進行評價[4-5]，該方法的基本流程如圖3所示，其以模糊綜合評估方法為主，在確定各層指標權重時，采用層次分析法，這樣既能體現(xiàn)各組成因素對系統(tǒng)性能的影響，又能客觀合理地確定各指標對系統(tǒng)影響的重要程度.

2.2 發(fā)電機評估方法

2.2.1 指標數(shù)據(jù)標準化

由于指標相互之間通常具有不同的量綱和數(shù)量級，不能直接進行比較，因此需要對原指標值進行標準化(或規(guī)范化)處理，即將所有指標均規(guī)范到[0,1]標準區(qū)間內，同時采用一定方法轉化成同級、正向可加的標準數(shù)據(jù)，以便于進行比較.

指標標準化中影響較大的一步為上下限的確定，指標上下限的確定直接影響到方案的得分.指標上下限的確定應根據(jù)目前在研裝備性能、國外裝備水平，并結合國家中長期發(fā)展規(guī)劃綜合得出，這樣可以使得評價模型及方法具有一定的前瞻性及指導性.

根據(jù)行業(yè)當前水平、在研裝備水平以及國家規(guī)劃2025年目標，最終確定發(fā)電機模塊的各定量指標上下限如表1所示.

表1 發(fā)電機各指標上下限

2.2.2 建立評價因素

(1)建立評價因素

評價因素是對評價項目評議的具體內容，通常可以表示成集合的形式

F=[F1,F2,…,Fn],

(1)

式中:n表示評價因素的個數(shù).

可以根據(jù)評價因素的具體情況，如屬性、數(shù)量等確定評價因素的級數(shù)．比如我們的評價指標是有兩級，可以記為

F=[Fi-1,Fi-2,…,Fi-m],

(2)

式中：m表示2級評價因素的個數(shù).

(2) 建立評價集

確定評價因素后，把每個因素分成5個等級的評價集，評價集指對各個評價因素的評價結果所組成的集合，5個等級則可以記為

V=[優(yōu)，良，中，差，很差]．

總分定級時，取各級分數(shù)區(qū)間的中間值為等級參數(shù)，參數(shù)向量

C=(c1,c2,c3,c4,c5)=(95,85,75,65,30).

(3) 建立各級因素評估矩陣

首先將指標進行分類.按照機電傳動系統(tǒng)實際情況，將指標分為2類：①客觀評價指標，即可進行量化的指標，如工作溫度范圍、最大充/放電電流、效率等；②主觀評價指標，即無法或者不便于進行直接量化的指標，如耐濕熱能力、耐振能力等.

為將已有機電傳動研究成果確定的指標參量的數(shù)據(jù)運用到評價過程中，采用梯形隸屬度函數(shù)將數(shù)據(jù)進行量化，該隸屬度函數(shù)的表達式為

(3)

對于需主觀打分法進行評價的指標，主觀評價采用百分制：優(yōu)(>90分)、良(80～89分)、中(70～79分)、差(60～69分)和極差(<60分).優(yōu)、良、中、差和極差的隸屬度函數(shù)的轉折點如下：

優(yōu)，f(89,91,-,-)；

良，f(79,81,89,91) ；

中，f(69,71,79,81) ；

差，f(59,61,69,71) ；

極差，f(-,-,59,61).

梯形隸屬度函數(shù)圖像的一般形式如圖4所示.

圖4 梯形隸屬度函數(shù)的一般形式

應用隸屬度函數(shù)計算各層指標的評價值，形成各自的評價值數(shù)列.

2.2.3 建立權重矩陣

建立權重集是模糊綜合評判的重點，因為各個評價因素對總體評價結果的重要度各不相同，通過建立權重集能很好的區(qū)分各因素的重要度.

(4)

式中：aij為評價指標i對評價指標j的相對重要度，取值范圍為1～9，具體取值可以參考表2，且aij=1/aji.

表2 重要性標度含義表

求取上面的特征值，并進行一致性檢驗，滿足一致性條件，可以繼續(xù)進行以下步驟，不滿足條件時，可以適當調整A中的各項的取值.然后求出對應特征值的特征向量，并進行歸一化處理得到權重集W.

2.2.4 綜合評價

模糊綜合評估對式B=A*R中的模糊算子選擇比較重要，不同的算子含義不同，對同一問題求出的結果也會不一樣.通過對常用的幾種模式優(yōu)缺點進行分析后，選擇模式M(*，+)，即加權平均模型.該模型考慮問題比較全面，對具有互補性的各因素進行評估有效性較高，其不僅能考慮所有因素對機電復合傳動系統(tǒng)的影響，而且能保留單因素評估的全部信息，因此，選用M(*，+)模式進行模糊綜合評判.

最終，由Q=B*CT得出評估結果并進行分析.

3 實例分析

按性能層、指標層對發(fā)電機模塊進行分級評價，其性能層含有動力性(F1)和通用質量特性(F2)，以此構建一級評價體系F=[F1，F(xiàn)2].一級評價體系(性能層)下又分解成不同指標，構成二級評價體系，如對動力性來說,其二級評價體系有質量功率密度(F1-1)，效率(F1-2)，這樣動力性的二級評價體系F1=[F1-1，F(xiàn)1-2].對于各級，分別采用不同方法獲取其權重、并對各級內指標進行歸一化和規(guī)范化處理，已獲得該級綜合評價性能值，以供上一級評價使用.

3.1 建立判斷矩陣

以通用質量特性為例，專家1的判斷矩陣為：

(5)

采用方根簡化算法計算得到其最大特征根λmax為4.020 6，特征向量經(jīng)過歸一化處理后得到的權重集.

W11=[0.176 8 0.194 8 0.194 8 0.433 6].

(6)

經(jīng)過上面的一致性檢驗公式檢驗，滿足一致性條件.

我們這里取5個專家調查表，對每個專家的調查結果搭建判斷矩陣，并對求出的特征向量進行歸一化之后，得到5個權重集，對5個權重集取平均值，即為最后的權重集.

(7)

獲得5位專家關于動力性能的判斷矩陣，然后求得每個判斷矩陣的權重集之后，取平均值即為該層的權重集.

(8)

獲得5位專家關于發(fā)電機模塊總體(即1級指標)的判斷矩陣，對每個專家的調查結果搭建判斷矩陣，并對求出的特征向量進行歸一化之后，得到5個權重集，對5個權重集取平均值即為最后的權重集.

(9)

3.2 建立模糊評價矩陣

以測試數(shù)據(jù)為基礎，如表3所示，進行評估矩陣的搭建.

表3 發(fā)電機模塊評價結果值

將測量數(shù)據(jù)代入隸屬度函數(shù)就可以得到發(fā)電機的模糊評價，即為最后得到的評估矩陣.

模糊綜合評估式B=A*R中的模糊算子選擇模式M(*，+)，在模式M(*，+)下，模糊變換B=A*R是一種基于模糊的乘法合成法，即

(10)

最終把權向量A和評估矩陣R代入上式，即得到二級指標的模糊評估，進而得到一級指標的模糊評估.

對于通用質量特性的模糊評估為

(11)

對于動力性能的模糊評估為

(12)

所以，對于一級指標的模糊評估為

(13)

3.3 綜合評判

由Q=B·CT，可求出發(fā)電機模塊匹配合理性的總得分為

Q=[0 0.455 0 0.342 9 0.207 1 0]·
[95 85 75 65 30]T=78.845.

(14)

對應評價集結果為中等，所以總評結果為中等.

4 結 論

文中按照性能層和指標層進行了機電復合傳動發(fā)電機指標體系的構建，采用基于層次分析法的模糊綜合評判法進行評估方法的研究，同時,結合梯形隸屬度函數(shù)，對機電復合驅動車輛發(fā)電機的性能進行了評估，該方法為之后發(fā)電機的選用提供了很好的思路.最后,結合一實例驗證該方法的可行性和準確性.