基于預(yù)測(cè)控制的非穩(wěn)態(tài)傳熱反問(wèn)題及應(yīng)用研究.pdf

1、利用傳熱系統(tǒng)的部分溫度測(cè)量信息來(lái)辨識(shí)傳熱系統(tǒng)的熱源強(qiáng)度、熱邊界條件、熱物性參數(shù)以及邊界形狀等未知信息,稱為傳熱學(xué)反問(wèn)題（Inverse Heat Transfer Problem, IHCP）。IHCP及其應(yīng)用廣泛存在于許多工程領(lǐng)域。
　　動(dòng)態(tài)矩陣控制（Dynamic MatrixControl, DMC）反演方法采用系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)作為預(yù)測(cè)模型，利用系統(tǒng)歷史信息以及未來(lái)輸入預(yù)測(cè)未來(lái)輸出，通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化來(lái)代替全局優(yōu)化，避免了模型誤

2、差或環(huán)境干擾引起的不適定性。本文針對(duì)三維非穩(wěn)態(tài)傳熱反問(wèn)題，建立了一種基于 DMC算法的表面瞬態(tài)熱流反演方法。DMC反演方法采用動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)函數(shù)作為預(yù)測(cè)模型,通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)刻瞬態(tài)分布熱流的反演。另外，本算法建立了一種基于殘差原理的正則化參數(shù)優(yōu)化方法，明顯降低了反演結(jié)果對(duì)未來(lái)時(shí)間步的依賴性和反演結(jié)果對(duì)溫度測(cè)量誤差的敏感性，能夠用很小的未來(lái)時(shí)間步r來(lái)獲得較好的熱流反演結(jié)果。動(dòng)態(tài)矩陣控制算法運(yùn)用于解決一維、二維非穩(wěn)態(tài)傳熱學(xué)反問(wèn)題已經(jīng)有了

3、一定量的研究基礎(chǔ)，并且動(dòng)態(tài)矩陣控制在解決非穩(wěn)態(tài)傳熱學(xué)反問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)得到證明。
　　本文研究了基于DMC方法的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng)的反演問(wèn)題，主要研究?jī)?nèi)容包括如下：
　?、俸?jiǎn)要介紹了預(yù)測(cè)控制基本內(nèi)容及動(dòng)態(tài)矩陣控制的基本原理；建立了三維非穩(wěn)態(tài)傳熱正問(wèn)題的模型，并通過(guò)有限容積法和交替隱式算法求解正問(wèn)題，獲得了模型的瞬態(tài)溫度場(chǎng)。
　?、诟攀隽瞬捎茫⊿equential Function Specification Method

4、, SFSM）方法求解傳熱學(xué)反問(wèn)題的基本原理，并基于SFSM，反演了三維非穩(wěn)態(tài)傳熱系統(tǒng)的瞬態(tài)分布熱流。結(jié)合數(shù)值試驗(yàn)，討論了未來(lái)時(shí)間步以及測(cè)量誤差對(duì)反演結(jié)果的影響，總結(jié)了SFSM在求解三維反問(wèn)題中存在的問(wèn)題。
　　③針對(duì)SFSM求解傳熱學(xué)反問(wèn)題存在的問(wèn)題，基于DMC的特點(diǎn)，建立了求解三維非穩(wěn)態(tài)傳熱反問(wèn)題的DMC方法。該方法采用動(dòng)態(tài)階躍響應(yīng)函數(shù)作為預(yù)測(cè)模型，無(wú)需預(yù)先假定未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)待反演熱流的具體函數(shù)形式，通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)刻輸

5、入熱流的反演。另一方面，通過(guò)在優(yōu)化性能指標(biāo)中引入正則化項(xiàng)，建立了一種基于殘差原理的正則化參數(shù)優(yōu)化方法。采用不同的未來(lái)時(shí)間步以及測(cè)量誤差進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，并與SFSM的反演結(jié)果進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果表明，與SFSM相比，DMC方法明顯降低了反演結(jié)果對(duì)未來(lái)時(shí)間步的依賴性以及反演結(jié)果對(duì)溫度測(cè)量誤差的敏感性，當(dāng)測(cè)量誤差增加時(shí)，能夠用很小的未來(lái)時(shí)間步來(lái)獲得較為滿意的熱流反演結(jié)果。
　?、茚槍?duì)質(zhì)子膜燃料電池，建立了該燃料電池的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，并利