基于UKF的天然氣管道的泄漏檢測(cè)與定位

【摘要】： 工業(yè)流體管道泄漏事故導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失、資源浪費(fèi)和環(huán)境污染,有時(shí)甚至危及生命安全。針對(duì)緩慢發(fā)生的小泄漏的檢測(cè)和定位方法是基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器-EKF (Extended Kalman Filter)的實(shí)時(shí)模型法。這種方法需要對(duì)管道模型線性化,但是,天然氣管道模型的非線性程度嚴(yán)重,線性化會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的誤差,影響檢測(cè)精度;每一次迭代中需要計(jì)算Jacob矩陣,影響其檢測(cè)速度。 本文提出了一種基于無(wú)偏卡爾曼濾波器-UKF (Unscented Kalman Filter)的泄漏檢測(cè)與定位方法,這種方法在對(duì)泄漏量進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)時(shí)不需要對(duì)管道模型進(jìn)行線性化,避免了線性化帶來(lái)的不精確問(wèn)題,而且在預(yù)測(cè)的階段不需要計(jì)算Jacob矩陣,只包含一些線性運(yùn)算,提高了檢測(cè)速度。 在此基礎(chǔ)上,為了進(jìn)一步提高檢測(cè)精度,本文將迭代卡爾曼濾波器-IKF (Iterated Kalman Filter)的思想引入到UKF中,對(duì)UKF進(jìn)行了改進(jìn),得到了迭代無(wú)偏卡爾曼濾波器-IUKF (Iterated Unscented Kalman Filter)?；贗UKF對(duì)管道泄漏進(jìn)行檢測(cè),可以保證在不增加系統(tǒng)維數(shù)的前提下,在狀態(tài)估計(jì)的更新過(guò)程中獲得更逼近真實(shí)值的系統(tǒng)的概率密度特征,從而提高了管道檢測(cè)精度。本文對(duì)EKF、UKF和IUKF的檢測(cè)效果都進(jìn)行了仿真對(duì)比,仿真結(jié)果表明,UKF在檢測(cè)精度和速度上對(duì)EKF都有了很大程度的改進(jìn),而IUKF又在UKF的基礎(chǔ)上對(duì)檢測(cè)精度有了一定的提高,這對(duì)于長(zhǎng)距離天然氣管道的泄漏檢測(cè)與定位有重要的實(shí)際意義。 【關(guān)鍵詞】：天然氣管道模型 泄漏檢測(cè)與定位 擴(kuò)展卡爾曼濾波器 無(wú)偏卡爾曼濾波器 迭代無(wú)偏卡爾曼濾波器
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TP274.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-21
• 1.1 引言11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外主要的泄漏檢測(cè)方法及研究現(xiàn)狀11-17
• 1.3 論文研究工作的出發(fā)點(diǎn)17-18
• 1.4 論文的研究工作及結(jié)構(gòu)安排18-21
• 第二章 基于EKF 的天然氣管道的泄漏檢測(cè)與定位21-36
• 2.1 引言21
• 2.2 天然氣管道發(fā)生泄漏的水動(dòng)力模型21-23
• 2.3 包含泄漏的管道瞬態(tài)模型的建立及其離散化23-26
• 2.3.1 包含泄漏的天然氣管道瞬態(tài)模型的建立23
• 2.3.2 包含泄漏的天然氣管道瞬態(tài)模型的離散化23-26
• 2.4 基于EKF 狀態(tài)估計(jì)對(duì)管道的離散化模型進(jìn)行泄漏檢測(cè)26-31
• 2.4.1 基于EKF 進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)26-28
• 2.4.2 瞬變流模型結(jié)合EKF 估計(jì)管道流動(dòng)水力要素28-31
• 2.4.3 泄漏大小、位置的確定31
• 2.5 仿真結(jié)果31-35
• 2.6 小結(jié)35-36
• 第三章 基于UKF 的天然氣管道的泄漏檢測(cè)與定位36-54
• 3.1 引言36-37
• 3.2 EKF 在管道檢測(cè)中的缺陷及UKF 的工作原理37-48
• 3.2.1 UKF 概述及其相對(duì)于EKF 的優(yōu)點(diǎn)37-38
• 3.2.2 Unscented Transformation(UT)-無(wú)偏變換38-43
• 3.2.3 UKF 算法43-46
• 3.2.4 UKF 中Sigma 點(diǎn)采樣策略的選擇46-48
• 3.3 應(yīng)用UKF 對(duì)天然氣管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)與定位48-50
• 3.4 基于UKF 對(duì)天然氣管道進(jìn)行泄漏檢測(cè)與定位的仿真結(jié)果50-53
• 3.5 小結(jié)53-54
• 第四章 基于改進(jìn)的UKF 的天然氣管道泄漏檢測(cè)與定位54-70
• 4.1 引言54
• 4.2 泄漏定位算法的推導(dǎo)54-58
• 4.3 泄漏定位算法中影響泄漏定位精度的因素的分析58-59
• 4.4 基于UNSCENTED 變換的新算法-IUKF59-66
• 4.4.1 將IKF 迭代思想引入U(xiǎn)KF 的原因分析及原理概述59-60
• 4.4.2 IKF 更新滿足最大后驗(yàn)估計(jì)60-62
• 4.4.3 IKF 狀態(tài)更新逼近等價(jià)于高斯-牛頓法的尋優(yōu)逼近62-64
• 4.4.4 引入IKF 的UKF 算法-IUKF64-66
• 4.5 基于IUKF 對(duì)天然氣管道進(jìn)行檢測(cè)與定位的仿真結(jié)果66-69
• 4.6 小結(jié)69-70
• 第五章 總結(jié)與展望70-72
• 參考文獻(xiàn)72-77
• 致謝77-78
• 攻讀碩士學(xué)位期間錄用、發(fā)表和投稿的學(xué)術(shù)論文78

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