本文關(guān)鍵詞：基于模糊自適應(yīng)Kalman濾波的傳熱過程實時反演及應(yīng)用

  更多相關(guān)文章： 傳熱學反問題 模糊自適應(yīng) 卡爾曼濾波 降階 實時反演

【摘要】：根據(jù)傳熱系統(tǒng)的部分溫度輸出信息反求系統(tǒng)的某些未知特征量(如熱物性參數(shù)、邊界條件、幾何條件及輸入源項等),構(gòu)成了傳熱學反問題(Inverse Heat Transfer Problem, IHTP)。傳熱學反問題是一類典型的反演課題。各類傳熱學反問題廣泛存在于能源動力、材料加工、航空航天、生物醫(yī)學、無損探傷等工程領(lǐng)域�？柭鼮V波(Kalman Filtering, KF)以系統(tǒng)狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ),利用輸出觀測信息對系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進行遞歸估計,并使得估計均方誤差達到最小。本文研究了基于卡爾曼濾波的非穩(wěn)態(tài)導熱過程實時反演及應(yīng)用問題,并針對傳統(tǒng)卡爾曼濾波方法在傳熱系統(tǒng)反演過程中面臨的問題,提出了基于模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波(Fuzzy Adaptive Kalman Filtering, FAKF)和系統(tǒng)降階技術(shù)的傳熱過程實時反演及溫度場重構(gòu)方法。本文的主要研究工作包括：①針對二維非穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng),采用能量平衡法建立了對應(yīng)的狀態(tài)空間模型,獲得了二維非穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng)的狀態(tài)向量、狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、輸入矩陣以及觀測矩陣。②當系統(tǒng)的噪聲協(xié)方差估計值與實際情況嚴重失配時,采用傳統(tǒng)卡爾曼濾波方法獲得的溫度場實時重構(gòu)結(jié)果將可能出現(xiàn)明顯偏差,甚至無法獲得穩(wěn)定的重構(gòu)結(jié)果。針對該問題,根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)估計的觀測誤差及誤差變化率,通過模糊推理單元,實時改變反演過程中卡爾曼濾波的過程噪聲協(xié)方差,建立了基于模糊推理的自適應(yīng)卡爾曼濾波反演算法,明顯提高了傳熱系統(tǒng)實時反演過程的穩(wěn)定性。③直接利用狀態(tài)空間模型和卡爾曼濾波方法重構(gòu)系統(tǒng)的溫度狀態(tài)面臨的另一個實際困難在于,需要提供足夠的系統(tǒng)溫度測量信息。這一要求在實際工程中無法實現(xiàn)。本文采用集結(jié)法(Aggregation Approach)對二維非穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng)狀態(tài)空間模型進行降階處理,顯著降低了溫度場重構(gòu)結(jié)果對溫度測點數(shù)目的依賴性,能夠根據(jù)較少的溫度測量信息重構(gòu)系統(tǒng)的溫度場。④基于模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波和系統(tǒng)降階技術(shù),建立了一種鍋爐汽包溫度場的實時在線監(jiān)測方法。根據(jù)汽包金屬外壁的少量溫度測量信息,對汽包啟動過程中內(nèi)壁的分布熱流進行實時反演,并實時重構(gòu)啟動過程中汽包金屬壁溫度場。利用一臺600MW亞臨界鍋爐啟動過程升壓曲線,通過仿真實驗證明了上述方法的有效性。⑤研究了基于上述模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波方法的移動熱源實時反演問題。以激光加工過程的瞬時移動點熱源為例,建立了處理移動熱源系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型。利用本文提出的反演方法,對有移動熱源的傳熱系統(tǒng)的源項進行實時反演,并討論了測量誤差和測點數(shù)目以及測點位置等對反演結(jié)果的影響。結(jié)果表明,本文所建立的方法對于移動熱源傳熱系統(tǒng)的反演問題具有較好的適用性。
【關(guān)鍵詞】：傳熱學反問題 模糊自適應(yīng) 卡爾曼濾波 降階 實時反演
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK124
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 主要符號表10-12
• 1 緒論12-20
• 1.1 傳熱學反問題的工程背景12-14
• 1.2 傳熱學反問題研究方法14-17
• 1.2.1 空間推進法14
• 1.2.2 Tikhonov正則化方法14-15
• 1.2.3 順序函數(shù)法15
• 1.2.4 梯度優(yōu)化算法15-16
• 1.2.5 人工智能算法16-17
• 1.3 本文研究內(nèi)容17-20
• 2 二維傳熱系統(tǒng)狀態(tài)空間模型20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 狀態(tài)空間模型20-22
• 2.3 二維平板傳熱系統(tǒng)狀態(tài)空間模型22-26
• 2.3.1 傳熱系統(tǒng)數(shù)學模型22
• 2.3.2 網(wǎng)格劃分及狀態(tài)方程的建立22-26
• 2.4 二維圓筒壁傳熱系統(tǒng)狀態(tài)空間模型26-31
• 2.4.1 圓筒壁傳熱系統(tǒng)數(shù)學模型26-27
• 2.4.2 網(wǎng)格劃分及系統(tǒng)的狀態(tài)方程27-31
• 2.5 二維傳熱系統(tǒng)觀測方程31-32
• 2.6 小結(jié)32-34
• 3 基于模糊卡爾曼濾波的傳熱系統(tǒng)實時反演34-46
• 3.1 引言34
• 3.2 基于KF的傳熱系統(tǒng)實時反演34-40
• 3.2.1 卡爾曼濾波基本思想34-35
• 3.2.2 卡爾曼濾波狀態(tài)估計過程35-38
• 3.2.3 加權(quán)遞推最小二乘法反演源項38-39
• 3.2.4 基于KF的傳熱系統(tǒng)實時反演技術(shù)39-40
• 3.3 基于FAKF的傳熱系統(tǒng)實時反演40-44
• 3.3.1 過程噪聲協(xié)方差的自適應(yīng)模糊推理40-43
• 3.3.2 基于FAKF的傳熱系統(tǒng)實時反演技術(shù)43-44
• 3.4 小結(jié)44-46
• 4 鍋爐汽包溫度場的實時重構(gòu)46-58
• 4.1 引言46
• 4.2 汽包傳熱模型46-47
• 4.3 汽包壁傳熱狀態(tài)空間模型47-50
• 4.3.1 汽包壁傳熱全階狀態(tài)空間模型47-49
• 4.3.2 汽包壁傳熱區(qū)域降階49-50
• 4.4 汽包溫度場實時監(jiān)測50-56
• 4.4.1 汽包傳熱正問題求解50-52
• 4.4.2 FAKF的有效性驗證52-53
• 4.4.3 降階模型的有效性驗證53-55
• 4.4.4 測量誤差對重構(gòu)結(jié)果的影響55-56
• 4.5 小結(jié)56-58
• 5 激光加工過程移動點熱源實時反演58-70
• 5.1 引言58
• 5.2 移動熱源物理模型58-60
• 5.3 移動點熱源傳熱系統(tǒng)狀態(tài)空間模型60-63
• 5.3.1 移動點熱源傳熱系統(tǒng)輸入矩陣的確定60-62
• 5.3.2 傳熱系統(tǒng)狀態(tài)空間模型62-63
• 5.4 移動點熱源實時反演63-68
• 5.4.1 移動點熱源傳熱正問題63-64
• 5.4.2 不同熱源形式的反演結(jié)果64-66
• 5.4.3 測點布置方案對熱源反演結(jié)果的影響66-67
• 5.4.4 測量誤差對熱源反演結(jié)果的影響67-68
• 5.5 小結(jié)68-70
• 6 結(jié)論與展望70-72
• 6.1 主要結(jié)論70-71
• 6.2 后繼研究工作的展望71-72
• 致謝72-74
• 參考文獻74-82
• 附錄82
• A. 作者在攻讀學位期間完成的論文82
• B. 作者在攻讀學位期間參加的科研項目82

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