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1、华北电力大学本科毕业设计（论文）卡尔曼滤波器在多元信号融合中的应用研究摘要为了得到可以实时准确反映实际煤发热量的信号，研究了一种基于卡尔曼滤波的信息融合方法，结合卡尔曼滤波器预估-校正过程，用实验室分析法的化验值校正基于负荷-压力动态模型计算的发热量值，进而减小其静态误差，得到一个动态误差小准确度高的融合结果。经不同工况下机组实际运行数据验证，融合后的信号能实时反映实际煤发热量的变化趋势且能解决模型误差和给煤量波动导致动态法静态精度低的问题，静态误差小于3%，可以满足现场对信号动态响应速度和静态精度的要求。关键词：煤发热量；实时校正；卡尔曼滤波；信息融合I RESEARCH ON THE AP
2、PLICATION OF KALMAN FILTER IN MULTI SIGNAL FUSIONAbstractA new method of information fusion based on Kalman Filter is studied for getting the signal which reflects the actual calorific value of coal real-time and accuracy. By combining predictor-corrector process of Kalman Filter, calorific value ba
3、sed on load-pressure dynamic model is corrected by assay value obtained from laboratory analytical method. So that the static error is reduced and a fusion result with little dynamic error and high accuracy is obtained. Verified by actual operation data under different cases, the signal after fusion
4、 can reflect the actual calorific value of coal in real time and the problem of low accuracy of static dynamic method caused by the model error and the coal quantity fluctuation is also solved. Whats more, static error is less than 3%, which can meet the requirements of dynamic response speed and st
5、atic precision.Keywords: coal calorific value，real-time correction，kalman filter，information fusion II目 录摘要IAbstractII1概述11.1信息融合技术11.1.1信息融合技术简介11.1.2信息融合设计11.1.3信息融合技术的发展11.2多传感器信息融合21.3本课题研究背景和意义21.4国内外研究现状41.5本文研究内容52卡尔曼滤波器及应用62.1卡尔曼滤波器62.1.1标准卡尔曼滤波器62.1.2非线性卡尔曼滤波器72.2卡尔曼滤波器特点82.3卡尔曼滤波器在多元信号融合中应
6、用83煤发热量测量方法113.1实验室分析法123.2煤发热量软测量法123.2.1煤发热量软测量方法123.2.2动态煤发热量软测量法134基于卡尔曼滤波器的信息融合164.1系统模型164.2用MATLAB实现卡尔曼滤波器164.3应用卡尔曼滤波器融合煤发热量信号215实验验证236结论与展望276.1 结论276.2 展望27参考文献28致谢301概述1.1信息融合技术1.1.1信息融合技术简介 信息融合起源于数据融合，随着科技的发展，其概念也在不断丰富，也能够说是对传感器信息进行融合或称为多传感器信息融合。信息融合是一个对从单个和多个信息源获取的数据和信息进行关联、相关和综合，以获得精
7、确的位置和身份估计，以及对态势和威胁及其重要程度进行全面及时评估的信息处理过程；该过程是对其估计、评估和额外信息源需求评价的一个持续精练过程，同时也是信息处理过程不断自我修正的一个过程，以获得结果的改善1。融合是某个形式结构，它的内容用数学知识和科学方式综合各种消息， 目的是得到高品质的有用信息。要获得高品质依赖于应用。 技术简介：信息融合的概念主要包括下面三层含义： a.信息的多源、多维度：融合系统处理不确定性、同步和异步、同类型、不同类型、数字和非数字信息。 b.信息的综合：这里的信息融合过程不是指静态过程的融合而是需要在系统动态过程中进行的，显然动态过程相对于静态而言更具有复杂性。融合不
8、是简单的合二为一，而是要对对信息进行综合加工处理的过程。 c.信息的互补过程：如果所要融合的信息恰好是互补的，能使系统品质由量变到质变。这也有助于解决系统功能上的互补问题。信息具有冗余性和互补性。所以多传感器信息融合能够得到单传感器不容易得到的信息，融合系统的性能也会因此提高27。1.1.2信息融合设计在使用传感器组进行设计时，并不能认为多个低档的传感器能够替代一个精确传感器，然而实际上使用多个低档传感器需要经过特殊的处理，否则其融合结果甚至可能比单个传感器还要差。环境条件（如地形、大气条件、局部条件等）的影响可以极大地改变传感器的性能，随着传感器变得越来越先进，环境条件变得越来越复杂。如果不
9、恰当的传感器被使用，其性能和误差统计就会受到影响，便难以得到理想的融合结果。因此，选择合适的传感器组也就显得更加重要。因此在设计信息融合系统时，为了保证系统的精度、实时性，并降低成本，应根据理论模型和测试数据范围内适当选取合适的传感器组，同时考虑系统的操作简便性和可靠性。同时，为了准确地描述传感器的性能，考虑了局部动态环境的影响和应采取的对策，并对传感器的动态特性进行了建模和校准。该信息与传感器数据一起，作为融合算法选择和使用的必要的输入25。卡尔曼滤波器是常用的一种数据融合技术，它利用迭代递推计算的方式，对存贮空间要求很小，适合于存贮空间和计算速度受限的场合。可以应用卡尔曼滤波器原理进行数据
10、融合28。1.1.3信息融合技术的发展 信息融合是一个多学科和现代信息技术，其关键是如何利用多源信息来获取同一事物或客观事物和客观知识的性质。在信息网络系统收集的原始信息往往是无序和分散，并可能是错误的，只有通过信息处理，大量的信息集成，消除掉低效和错误的信息，找出有用的和相关的信息，才可以使用信息。通过两种信息的融合，使二者在同一个系统下协同作用，形成“1+12”的良好局面，从而使系统的整体性能提高。简而言之，多种信息的互相结合，各组成单元可以相互配合、扬长避短、优势互补。1.2多传感器信息融合目前，仅靠单一来源的信息是很难保证的信息的速度和精度的环境与单源信息，并可能影响系统的理解周围的环
11、境和系统的决定。此外，由单一传感器获取的信息仅是局部环境特征以及片面的信息，其信息内容是非常有限的。由每个传感器收集的信息是受其自身的质量，性能和噪声的影响。这些信息往往是不完整的，很容易带来错误。在传统的方式中，由传感器收集的信息，不仅会导致工作量的增加，而且会造成信息资源的浪费，同时也减少了各传感器的接触信息。在运动控制系统中，传统的速度传感器往往会对加速度计测量的加速度进行单独处理，而不是他们的信息数据融合；通过物理规律已知、速度、加速度和导数的关系，所以这两种数据都是固有的联系，这是完全有可能根据信息融合理论来处理两者之间的综合数据从而获得更准确的结果。虽然数量众多的节点可以提高测量精
12、度和测量范围，但是众多的节点给通讯协议制定中有关标识、寻址、安全以及各层协议中表示节点上限的参数都带来了很多麻烦。为了解决巨量的网络节点需求，无线传感器网络在标识寻址等设计方面预留较大的空间，目前还没有一个统一的方式。在传感器网络应用中，我们在现场布置节点可以尽可能的简单；不用过多的考虑方位、角度等因素，因为如果精细的布置网络节点，会造成工程量大、时间冗长，这样会大大降低工作效率。因此，无线传感器节点内的电路必须自己能进行组态设定，这就是自组织性。通过节点内的程序设计和电路布置，无线传感器网络自己能够确定处于哪一个监测环境中，每一个部分自己可以明白自身的工作特性和角色定位。1.3本课题研究背景
13、和意义对于火电机组，燃煤是锅炉的主要原料。由于我国特殊的地理分布，燃煤机组在不断变化。煤介质变化的不确定性，复杂系统在不同过程中的特性。多年的实践经验表明，没有一种锅炉可以使用各种不同类型的煤。因此，煤种对锅炉具有一定的适应性。煤特性（如热值、挥发分、灰分、水分、氮、硫等）的变化，会产生大量的影响：（1）对设备运行状态的影响：（2）设备的运行状态（如煤炭运输、除尘、尾气排放及其它工艺）、锅炉设备安全运行及维护不利影响：（3）影响电厂投资，新建的电厂机组，在锅炉及其辅助设备的设计，制造上也有所不同26。在煤种的众多特性中，煤发热量是评价燃料煤品质的主要指标。在锅炉控制系统中，起着举足轻重的作用。
14、要想提高机组的经济性，要想使锅炉设备能够安全、稳定运行，都需要我们对该参数进行深入研究。1）煤质发热量是影响锅炉及其辅机的安全稳定运行的重要参数当燃煤发热量降低时，会使炉内温度水平降低，给着火和燃尽等带来不利影响，因此煤质发热量的大小是影响燃烧稳定性的重要因素。当燃料发热量降低到一定程度时，会引起燃烧不稳、火焰闪烁等问题，必须投油助燃。当煤种变化时，如果两种煤质的发热量剧烈变化，则往往会引起锅炉灭火、“放炮”等燃烧不稳定现象。因此，从燃烧稳定性的角度出发，存在一个煤的发热量下限值。当低于此下限值时，一般的煤粉炉将无法稳定燃烧；与此同时，当燃用高发热量的煤种时，又会使炉内结渣倾向加重。此外，煤质
15、发热量的变化还会影响到磨煤机和给煤机等辅机设备的运行。当燃用低发热量的煤时，为保证锅炉出力，需要增加煤量，因此会导致磨煤机的出力增加同时，也会影响煤的运输、送煤等过程。当磨煤机出力增加时，会导致煤粉细度的变化进而又会影响锅炉的燃烧状况。另外，给煤机若长期处于大出力的运行状态，又会增加其故障的出现率。 2）煤质发热量是影响机组经济性的重要参数煤质发热量不仅是评价煤炭质量、机组安全稳定运行的重要指标，而且是评价动力用煤的一项重要经济参数。当一个发电站的输出功率为确定值时，所需的煤量与煤质的单位发热量成反比，对于一个给定的煤，如果煤的发热量低，相同容量的锅炉煤炭消费量将增加，煤的运输成本将增加，这不是我们所希望看到的。此外，煤场也需要扩大，以实现给定的输出功率。此外，它也决定了煤的数量，实现锅炉负荷，煤的低煤发热量，由于煤炭消费量的增加，将导致增加煤矿机电能量。而且如果煤炭煤发热量降低，热量损失增加，会使电厂的经济指标下降。例如，发电成本，煤的煤发热量，由于灰分含量的减少，产生的灰分含量和灰分的处理成本和磨煤机的功率消耗的单位将减少，煤的总发电成本和成本也会减少26。在我国，大多数火力发电厂都无法确保采用单一煤源，所用燃煤都是通过混合配煤，另外，即使是同一煤矿的煤质也
