本發(fā)明涉及渦輪盤溫度測量系統(tǒng)優(yōu)化，特別涉及一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、渦輪盤作用是將高溫流體中的部分熱能和勢(shì)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中其余做功部件的運(yùn)行。渦輪盤工作條件極其惡劣，工作時(shí)承受著復(fù)雜的力熱載荷，各部位所承受的應(yīng)力和溫度均不相同，特別是其要求在許用溫度范圍內(nèi)要有盡可能高的疲勞、持久性能和良好的抗蠕變能力。為了更好地保障系統(tǒng)的運(yùn)行安全，基于準(zhǔn)確的渦輪盤溫度場測量的渦輪盤剩余使用壽命預(yù)測方法已成為復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)由視情維修向預(yù)測性維修的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2、目前，渦輪盤主要通過使用特制的高溫膠將碳化硅微型測溫晶體粘貼于渦輪盤表面來實(shí)現(xiàn)渦輪盤表面測點(diǎn)溫度的非接觸式測量，其中測溫晶體的安裝位置依賴于人工經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)選取。德國西門子能源公司在其開發(fā)的sgt-800燃?xì)廨啓C(jī)中，通過在各葉片的表面安裝多達(dá)90個(gè)測溫晶體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葉片表面溫度場的精確測量。

3、現(xiàn)有的渦輪盤表面溫度場現(xiàn)場測量技術(shù)中，存在測溫晶體布局依賴專家經(jīng)驗(yàn)、溫度場的高精度反演需求大量冗余溫度測點(diǎn)等問題，受到測量成本、傳感器重量等工程條件的限制，難以滿足復(fù)雜系統(tǒng)渦輪盤表面溫度場現(xiàn)場測量的高精度要求，無法應(yīng)用于渦輪盤的剩余使用壽命預(yù)測技術(shù)。

4、背景技術(shù)部分中公開的上述信息僅僅用于增強(qiáng)對(duì)本發(fā)明背景的理解，因此可能包含不構(gòu)成本領(lǐng)域普通技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法，基于高階張量分解和張量壓縮感知指導(dǎo)測溫晶體在渦輪盤上以優(yōu)化的布局配置安裝并實(shí)現(xiàn)渦輪盤溫度場在不同系統(tǒng)運(yùn)行工況下準(zhǔn)確反演的新手段新方法。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法包括：

4、步驟a：在不同運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)渦輪盤熱力參數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間演化的趨勢(shì)進(jìn)行仿真計(jì)算，以等時(shí)間間隔dt對(duì)渦輪盤表面的溫度場信息進(jìn)行采樣得到溫度場時(shí)間快照數(shù)據(jù)，將其保存為包含離散的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)及對(duì)應(yīng)溫度數(shù)值信息的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列化格式；

5、步驟b：將各工況的溫度場信息分別處理為張量數(shù)據(jù)格式的張量數(shù)據(jù)；

6、步驟c：對(duì)所有所述張量數(shù)據(jù)依次執(zhí)行高階奇異值分解，分解得到核心張量及模態(tài)矩陣；

7、步驟d：根據(jù)得到的多個(gè)核心張量及模態(tài)矩陣構(gòu)建渦輪盤的溫度場隨時(shí)間演化的動(dòng)力系統(tǒng)的降階模型，得到用于渦輪盤溫度場重構(gòu)的字典張量a；

8、步驟e：對(duì)所述字典張量a執(zhí)行張量纖維-樞軸正交三角分解，得到置換矩陣p及優(yōu)化的傳感器布局；

9、步驟f：通過試車試驗(yàn)按照優(yōu)化的傳感器布局安裝或有限元仿真設(shè)置虛擬傳感器的方式，獲得對(duì)應(yīng)安裝位置上的渦輪盤表面溫度測量值，并將其值替換至置換矩陣p中對(duì)應(yīng)索引位置，得到測量矩陣并且||y||0＝n；

10、步驟g：根據(jù)字典張量a和測量矩陣y，使用張量壓縮感知算法重構(gòu)渦輪盤表面溫度場。

11、所述的一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法中，利用有限元仿真或者數(shù)值模擬的方式對(duì)渦輪盤熱力參數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間演化的趨勢(shì)進(jìn)行仿真計(jì)算，其中，不同運(yùn)行狀態(tài)包括起動(dòng)、變工況和額定工況。

12、所述的一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法中，渦輪盤為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)壓渦輪泵渦輪盤。

13、所述的一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法中，步驟b包括：

14、步驟b1：對(duì)第s(0<s≤n)個(gè)工況下的所有溫度場時(shí)間快照數(shù)據(jù)按照時(shí)序順序進(jìn)行讀入；

15、步驟b2：對(duì)單一時(shí)間快照數(shù)據(jù)按照給定采樣率對(duì)離散的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)執(zhí)行二次線性插值和重采樣得到結(jié)構(gòu)化的二維矩陣數(shù)據(jù)；

16、步驟b3：將二維矩陣數(shù)據(jù)按照時(shí)序?yàn)榈谌齻€(gè)維度進(jìn)行堆疊，最終將單一工況下的所有溫度場時(shí)間快照數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為張量數(shù)據(jù)；

17、步驟b4：對(duì)所有工況的數(shù)據(jù)依次執(zhí)行步驟b1～b3，得到所有工況中各工況下的所有溫度場時(shí)間快照數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的多個(gè)張量數(shù)據(jù)其中i、j分別為溫度場的空間維度尺寸，k表示工況數(shù)量n與每個(gè)工況下溫度場時(shí)間快照數(shù)量的乘積。

18、所述的一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法中，步驟c包括：

19、步驟c1：設(shè)置殘差容限值ε，同時(shí)截?cái)喑叽鐁由殘差容限值ε的取值自動(dòng)確定；

20、步驟c2：對(duì)張量數(shù)據(jù)執(zhí)行高階奇異值分解得到核心張量以及模態(tài)矩陣和其中p、q、r為核心張量在時(shí)空維度上的尺寸；

21、步驟c3：對(duì)所有工況數(shù)據(jù)依次執(zhí)行步驟c1～c2，得到所有張量數(shù)據(jù)分解得到的多個(gè)核心張量向量以及模態(tài)矩陣向量[a1,a2,…,an]、[b1,b2,…,bn]和[c1,c2,…,cn]。

22、所述的一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法中，步驟d包括：

23、步驟d1：利用核心張量以及模態(tài)矩陣as和bs，計(jì)算第s個(gè)工況的降階模型其中r為降階模型的截?cái)喑叽纾?/p>

24、步驟d2：對(duì)s，以1為步長，在取值為1～n的范圍內(nèi)，依次執(zhí)行步驟d1，得到與所有運(yùn)行工況逐一對(duì)應(yīng)的降階模型張量

25、步驟d3：將所有降階模型張量按照發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際工況執(zhí)行順序按照張量的管纖維方向?qū)λ羞\(yùn)行工況對(duì)應(yīng)的降階模型進(jìn)行堆疊，得到用于渦輪盤溫度場重構(gòu)的字典張量

26、所述的一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法中，步驟d1包括：

27、步驟d11：降階模型的第h(0<h≤r)個(gè)前切片為：

28、步驟d12：對(duì)h，以1為步長，在取值為1～r的范圍內(nèi)，循環(huán)執(zhí)行步驟d11，得到降階模型

29、所述的一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法中，步驟e包括：

30、步驟e1：設(shè)置傳感器選擇數(shù)量為n，設(shè)置tfqr分解算法的截?cái)喑叽鐬閚；

31、步驟e2：定義渦輪盤中溫度傳感器安裝受限的位置和結(jié)構(gòu)化矩陣中不存在物理實(shí)體對(duì)應(yīng)的位置為拒絕域，除拒絕域外的其余位置為接受域

32、步驟e3：對(duì)字典張量執(zhí)行tfqr分解算法，得到置換矩陣其中||p||0＝n；

33、步驟e4：獲取置換矩陣p中所有n個(gè)非零值的位置索引，所述位置索引為優(yōu)化的傳感器布局位置。

34、所述的一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法中，步驟g包括：

35、步驟g1：初始化設(shè)置tcs算法參數(shù)，其包括最大迭代次數(shù)t、算法容差εtol、正則化系數(shù)λ；

36、步驟g2：使用tcs算法對(duì)進(jìn)行求解得到稀疏模態(tài)向量

37、步驟g3：計(jì)算重構(gòu)的渦輪盤表面溫度場結(jié)構(gòu)化矩陣數(shù)據(jù)yhat，由給出

38、所述的一種用于渦輪盤溫度場反演的稀疏傳感器布局優(yōu)化方法中，渦輪盤設(shè)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵、航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)中。

39、和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

40、本發(fā)明采用基于張量的降階模型構(gòu)建方法對(duì)渦輪盤溫度場隨時(shí)間演化的動(dòng)力系統(tǒng)特性進(jìn)行了建模表征，準(zhǔn)確捕捉了溫度場演化的物理特性，能夠有效降低溫度場重構(gòu)時(shí)的問題維度，降低計(jì)算資源需求，提升時(shí)間效率；充分利用基于溫度場重構(gòu)誤差最小化求解算法的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，有效指導(dǎo)渦輪盤溫度場測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中傳感器布局，有效逼近最優(yōu)的稀疏傳感器布局，在有效降低傳感器數(shù)量的同時(shí)有效保障溫度場的準(zhǔn)確重構(gòu)，在滿足大型旋轉(zhuǎn)熱力機(jī)械熱端部附件輕量化設(shè)計(jì)的需求的同時(shí)有效降低精確物理量測量系統(tǒng)搭建的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本。本發(fā)明所述不局限渦輪盤溫度場測量優(yōu)化這一特定的應(yīng)用場景，可用于多種復(fù)雜機(jī)械裝備系統(tǒng)內(nèi)多種部件隨時(shí)間演化、在給定工況下呈現(xiàn)單變量關(guān)聯(lián)性的物理量監(jiān)測系統(tǒng)的測量優(yōu)化場景。