基于卡尔曼滤波的闭式循环蒸汽温度在线处理方法

高慧中; 刘洋; 马为峰; 宗潇; 郭兆元

doi:10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0089

基于卡尔曼滤波的闭式循环蒸汽温度在线处理方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2022-0089

中国船舶集团有限公司第705研究所, 陕西西安, 710077

详细信息

作者简介:
高慧中(1989-), 男, 博士, 高级工程师, 主要研究方向为动力系统控制、信号处理

中图分类号: TJ630.32
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出版历程
- 收稿日期: 2022-12-07
- 修回日期: 2023-01-10
- 录用日期: 2023-02-21
- 网络出版日期: 2023-10-12

Kalman Filter-Based Closed Cycle Steam Temperature Processing Method

The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an 710077, China

摘要

摘要: Li/SF₆能源系统是一种新型高能热源, 其能量密度高、无产物排放的特点可支持水下装备构建闭式循环动力系统。能源系统中的螺旋管出口温度作为影响反应过程的关键反馈量, 在测量噪声和系统噪声干扰下会影响系统调控精度和稳定性, 对航行器的可靠工作产生负面作用。文中基于一维分布参数法仿真得到的蒸汽出口温度变化曲线, 针对常用降噪方法的不足, 设计了一种基于卡尔曼滤波原理在线降噪处理方法。经过与常规采用的滑动平均滤波和1阶低通滤波方法的对比可知, 该方法不仅在误差概率分布、信噪比方面具有明显优势, 而且能够缩短系统稳定时间, 改善系统动态特性。
- 闭式循环 /
- 卡尔曼滤波 /
- 蒸汽温度 /
- 信号处理
Abstract: Li/SF₆ energy system is a new type of high energy power source, which can support the construction of a closed cycle power system for underwater equipment due to its high energy density and no product emission. As a key feedback parameter that affects the reaction process, the helical tube outlet temperature in the energy system will impact the precision and stability of the system control under the disturbance of measurement noise and system noise, bringing a negative effect on the reliability of the vehicle. In this paper, the steam outlet temperature curve was obtained by one-dimensional distributed parameter simulation. In view of the shortcomings of common noise reduction methods, an online noise reduction method based on Kalman filter principle was proposed. By comparing with the conventional sliding average filtering and first-order low-pass filtering methods, it can be seen that the proposed method has distinct advantages in terms of error probability distribution and signal-to-noise ratio. Besides, it can shorten the stable time and improve the dynamic characteristics of the system.
- closed cycle /
- Kalman filter /
- steam temperature /
- signal processing

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图 1 蒸发器一维分布参数模型控制体划分示意图

Figure 1. Division of one-dimensional distributed parameter model of evaporator

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图 2 一维分布参数模型控制体示意图

Figure 2. Control body of one-dimensional distributed parameter model

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图 3 螺旋管蒸发器控制体划分示意图

Figure 3. Division of spiral tube evaporator

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图 4 螺旋管蒸发器出口蒸汽温度

Figure 4. Steam temperature at outlet of helical tube evaporator

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图 5 叠加噪声的出口蒸汽温度

Figure 5. Outlet steam temperature with superimposed noise

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图 6 滤波效果与误差对比

Figure 6. Filtering effect and error comparison

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图 7 3种方法处理后的误差概率分布

Figure 7. Error probability distribution of three methods

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图 8 基于卡尔曼滤波的PI控制框图

Figure 8. Kalman filter-based PI control flowchart

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图 9 仿真计算结果对比

Figure 9. Results comparison of simulation calculation

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表 1 螺旋管蒸发器结构参数

Table 1. Parameters of helical tube evaporator

管内径/mm 壁厚/mm 管长/m 材料

5 2 14.5 不锈钢

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表 2 仿真初始稳态值

Table 2. Initial steady-state value of simulation

压强
/MPa 外壁面热流密度
/(W/m) 入口质量流量
/(g/s) 入口温度
/K

6.5 2560 13.4 467

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表 3 不同滤波方法处理后的信号SNR

Table 3. SNR of signal processed by different filtering methods

信号类型 SNR/dB

原始信号 41.31
卡尔曼滤波后信号 49.63
滑动平均滤波后信号 42.29
1阶低通滤波后信号 45.48

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