面向高压设备数字孪生的虚拟传感器设计与应用技术

针对高压设备数字孪生的模型构建、信息交互、动态仿真等需求,对虚拟传感器的设计与应用技术进行了分析,虚拟传感器是具有传感器行为的计算机仿真系统,能够基于功能、结构和服务要求对复杂数字孪生系统进行解耦,降低工程应用的复杂性。文中提出虚拟传感器在高压设备数字孪生工程应用上的设计要求,给出了观测虚拟传感器、参量计算虚拟传感器和预测告警传感器的设计方法及其应用方式。研究结果表明:虚拟传感器具备组件化、服务化、易重构、可进化等优点,可作为数字孪生单元级功能组件的设计手段,解决目前工程应用中数据获取和融合困难、仿真预测算法耦合复杂等问题,支撑设备状态全面感知、趋势精准预测、风险提前预警和设备全寿命精益管理等应用。

基于虚拟传感器的坝区多输出自由场地震时程长序列预测模型研究

坝区自由场地震时程的多维长时序预测对于震害快速分析具有重要意义。虚拟传感器是地震物理传感器的补充感知手段,可实现地震时程的预测,然而现有虚拟传感器难以对多个信号做长时序预测,导致大坝震害分析较为滞后。针对上述问题,提出基于TFA-Seq2Seq虚拟传感器的坝区多输出自由场地震时程长序列预测模型。其中,基于多任务学习将Seq2Seq的虚拟传感器改进为“Encoder-3 Decoder”结构,以建立多个坝体物理传感器信号与自由场三个方向长时序地震时程的映射关系,并添加注意力机制捕获多个输入信号的时序依赖关系,以解决同步多输出预测问题及提升预测精度。进一步,引入可逆的时频变换层和其逆变换层改进编码器和解码器,以缩短地震信号的时域长度,提取频域特征,并提出对应的随机强制学习的模型训练策略,从而克服了现有虚拟传感器难以对长序列进行有效预测的缺陷。案例分析表明,该方法实现了坝区自由场三个方向地震信号的超前10 s虚拟感知,且相较于未添加注意力机制和单输出的模型,预测精度分别提高了6.88%和3.32%,研究为震时地震信息的超前感知提供了新思路和新途径。

基于虚拟传感器的结构位移视觉测量误差抑制方法

温度、热浪和振动等环境因素给结构位移监测造成不可忽视的误差。虽然利用静止标志物降低视觉测量误差的原理可行,但是其适用范围却因背景标志物不易获得和控制而受到很大限制。利用视觉测量系统的现有条件,在近场布置主动光源作为误差检测虚拟传感器,摆脱对天然标志物的依赖。针对焦外成像产生的弥散圆等伴生问题,采用图像滤波、伽马变换、图像质量评估、图像二值化、边缘检测和目标检测等算法,形成一套面向弥散圆光斑的自适应图像增强算法;利用虚拟传感器的虚假位移,实现结构位移测量误差补偿,开展了仿真实验和室外结构位移视觉测量实验。研究结果表明:该方法可以显著降低结构位移的初始误差,残留误差满足测量精度要求。

基于虚拟传感器的拉索频率获取研究——以南京夹江大桥为例

索结构在桥梁结构中运用十分广泛,作为斜拉桥和吊桥的主要受力及传力构件,其本身的自振特性能够直接反映桥梁结构的安全状况。然而,常规的测量技术大多需要在索上安装所需类型传感器,该操作十分烦琐与危险。因此,文章提出了一种更加经济、高效、安全的非接触式测量方法,将高速摄像机作为远程虚拟传感器结合编写的图像处理代码实现拉索动力响应参数的获取,并且将该方法应用于南京夹江桥拉索运动响应测试。结果显示摄影测量与传统测量方法的结果相近,误差仅为0.80%~1.42%,精度较高,能满足工程测量的需求。

虚拟传感器的建模与实现

本文根据真实力触觉传感器的原理 ,研究并构造了虚拟目标锁定跟踪显示器、虚拟距离传感器 ,用于在虚拟环境中从事基于传感信息的机器人柔性操作。

汽轮机组监测诊断系统中虚拟传感器的数学模型

采用硬件的冗余配置是提高可靠性的传统方法,虚拟传感器可实现对汽轮发电机组监测诊断系统中参数测点的软件冗余。该文对利用基神经网络建立虚拟传感器数学模型的几个问题进行了讨论,其中包括基神经网络的选择,采用遗传算法对输入参数的组合进行优选。通过归一化、加入白噪声等方法优选出训练样本,以及对虚拟传感器扩展性和可移植性等进行研究,为虚拟传感器的工程应用提供可借鉴的数值经验。

基于虚拟传感器和脚本控制的移动机器人越障仿真

为了实现移动机器人越障运动过程的仿真,运用机械系统仿真软件ADAMS,构建虚拟传感器并编写脚本仿真程序。实例分析表明,基于脚该控制,可以完成复杂运动的仿真。通过三维动画既可以观察移动机器人越障运动过程,同时还可绘制仿真曲线,观察运动过程中可能出现的问题。

基于虚拟传感器理论的飞机油量测量方法

飞机数字式燃油测量系统中,燃油量准确测量应获取各个油量传感器的信息,对如何计算剩余油量将影响油量测量的精度。针对油箱安装多个传感器的特点,根据虚拟传感器理论给出油量计算方法,将各个真实传感器的测量高度转化为油箱各截面几何形心拟合直线位置处的虚拟传感器折合高度。以虚拟传感器为基准,建立高度、油面角与燃油体积特性数据库,并采用三维插值方法计算油箱剩余燃油体积。理论分析与仿真计算表明:改进方法可减少传感器计算量,同时能有效避免传感器安装误差对测量精度的影响,测量精度满足工程设计要求,为测量准确性提供了参考。

基于虚拟传感器的轮胎力和车辆状态变量估算

构建滑模观测器(sliding-mode observer,SMO)估算轮胎力,结合单轨车辆模型推算质心侧偏角和质心速度.设计双曲正切函数替代符号函数以克服滑模固有的颤振现象并证明了观测器的收敛性.利用动力学软件ve-DYNA和硬件在环试验平台对多种工况下虚拟传感器的估算效果进行验证,结果表明,在不同的附着系数路面和操作工况下,该虚拟传感器均具有较高的精度和鲁棒性.

室内环境下基于虚拟传感器的TOA定位算法

室内条件下无线信号传输普遍存在非视距和多径问题,影响定位精度,特别是对基于波达时间(TOA)的几何定位方法影响更加严重。为解决上述问题,提出一种虚拟传感器两步加权最小二乘算法。在室内布局已知的条件下,利用虚拟传感器建立包括信号直射、反射、绕射和透射的TOA几何模型,针对每一种可能的信号传播情况进行位置估计,根据几何原理设立约束条件,确定目标位置。仿真结果表明,随着非视距程度的加剧,在视距条件下提出的算法精度明显优于其他非视距算法。

虚拟传感器及数据融合的发展

传统的经典动力学研究对象是一种被动结构 ,在被动结构中引入控制器件或机敏元件后 ,被动结构变成主动结构。但在原结构上附加的传感器和作动器 ,使得结构过于庞大和复杂 ;同时 ,主动结构为非自伴随结构 ,导致结构和系统的可靠性低。虚拟传感器和融合理论的应用 ,将在很大程度上解决这个问题。本文介绍了虚拟传感器的基本概念和应用模型 ,给出了虚拟传感器的计算方法 ;介绍了融合理论、融合结构和融合算法 ;列举了虚拟传感器及融合的应用 。

用盲源分离技术创建独立的虚拟传感器

在振动与声测量中 ,由于结构对振动的传播作用以及声传播过程中散射与混响效应的存在 ,传感器 (如加速度计或麦克风 )所测得的信号往往是多个源的混合。盲源分离作为一种强有力的冗余取消工具 ,可以正确恢复独立源信号的波形。不过在具体实施中 ,所有的盲源分离算法都依赖于一个基本假设 ,即传感观测信号数必须大于或等于系统中的独立源数 ,而实际机器中独立源的数目往往未知。为此首先提出一种基于奇异值分解的聚类不相关源数估计新方法 ,估计一个系统中独立源数的上界 ,并籍此获得足够维数的传感观测信号 ,保证盲源分离方法在实际应用中的正确实施 ,从而共同构建一个能获取无法直接观测的独立源波形的虚拟传感观测系统。

虚拟声屏障系统中虚拟传感器位置的优化研究

对于某一特定目标区域,虚拟声屏障系统的误差传感器阵列处于目标区域中某一最优位置,其降噪量最大.然而,误差传感器阵列处于目标区域中会妨碍人头的活动.使用虚拟传感器技术,将虚拟传感器布放于目标区域中,物理传感器布放于目标区域边界,可以解决此问题.前述最优位置即为虚拟传感器的理想最优位置.由于虚拟传感器处声压预测方法的限制,存在一个虚拟传感器的实际最优位置,虚拟传感器布放于实际最优位置时系统性能比布放于理想最优位置时好.控制声源与物理传感器距离较远时,即使虚拟传感器布放于实际最优位置,系统性能与误差传感器处于目标区域边界(不使用虚拟传感器)相比改进不大.然而,控制声源与物理传感器距离较小时,虚拟传感器布放于实际最优位置,与不使用虚拟传感器相比,系统性能提高明显,在550Hz以下低频,系统降噪效果有5dB以上的增加,取得10dB有效降噪静区的上限频率也大幅提高.

汽轮机虚拟传感器数据前处理DPS算法及其应用

针对汽轮机虚拟传感器数据前处理问题,根据DPS算法的基本原理编制C程序.为确保算法的通用性,由工程应用中各种原始参数对应的典型线形给出DPS算法的简化结果;给出影响数据取舍精度的公差准则.以某汽轮机组虚拟传感器数据前处理的一个实例为例,应用本算法有效地解决了虚拟传感器的实时仿真问题.结果表明:DPS算法应用于工程中大部分的数据精简都能够起到行之有效的作用,而所建议的公差准则对于工程中的大多数原始数据线形都是适用的.

基于虚拟传感器有源噪声控制系统及实时实现

详细推导了基于虚拟传感器的有源噪声控制系统的算法结构。在TMS320C6727硬件平台上,采用LMS算法完成了误差通道模型的传函辨识,用FXLMS算法对虚拟传感器的系统性能进行了试验分析。试验结果表明,该方法可以有效地将噪声控制范围向虚拟传感器处转移。

基于遗传算法的虚拟传感器输入参数的优选

为了解决在汽轮发电机组实时监测系统中采集参数偏移和失效的问题 ,提出以神经网络为仿真手段建立虚拟传感器的技术并以汽轮机调节级后汽温为例 ,讨论了其品质因输入参数组合不同而异的特性 ,进而引入遗传算法进行优选 ,以确定最优的输入参数组合。图 2表 2参

基于模糊逻辑的航空发动机虚拟传感器

在双通道的发动机控制系统中,未超过故障阈值的传感器慢漂移故障难以隔离,且在故障检出前影响控制系统的反馈信号。引入机载自校正实时模型作为第三通道的虚拟传感器,并提出模糊隶属度加权和动态阈值技术以获得可靠的传感器适应值,实现双余度系统中失效传感器的检测和隔离。仿真结果表明,这种方法能可靠地改进适应信号,将由于传感器故障引起的发动机控制系统扰动抑制到0.2%以内,并能避免失控。

基于径向基神经网络的热力参数虚拟传感器

针对火电厂汽轮发电机组经济性监测系统中参数失效的问题,提出了利用径向基函数神经网络的仿真手段作为虚拟传感器。分析了径向基函数神经网络的原理与特点,总结了求解各层权值和阈值的数学公式,阐述了参数学习和仿真的方法与过程。

基于鲁棒滑模虚拟传感器的船舶动力定位容错控制

为了解决动力定位船舶工作在复杂海况下发生传感器故障后的安全作业问题,就传感器故障船舶定位容错控制方法进行了研究。在虚拟传感器控制重构的基础上,借助滑模观测器具有解决系统非线性和不确定项的优势,提出一种鲁棒滑模虚拟传感器,实现传感器故障船舶定位容错控制,并基于李雅普诺夫稳定性理论进行了稳定性证明。通过仿真验证了该方法可以使船舶在传感器故障的情况下继续保持定位能力。

虚拟传感器技术在车流量检测系统中的应用

基于视频的交通车流量检测系统的设计,从准确地建立虚拟传感器输出信号与实际车流量的对应关系的角度进行分析与研究,介绍了新的虚拟传感器设计方法,同时提出了信息流的预处理算法和有效信息的判断算法。从而克服了传统设计方法中由于传感器的设计不够合理、信息的获取和判断算法不够科学,导致在有效信息提取过程中消耗大量的软硬件资源等缺点。实验结果表明:改进后的设计使整个检测系统对光照变化、道路复杂度以及周围环境有更好的自适应性和鲁棒性。