[發明專利]基于深信度網絡的火箭發動機推力偏移量的標定方法

有效

• 申請號: 201710610730.7
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107587955B
• 公開（公告）日: 2019-03-05
• 發明（設計）人: 張軍;賈振元;田雨;任宗金;常慶兵;李明昱;宋鵬
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: F02K9/96
• 分類號: F02K9/96
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種基于深信度網絡的火箭發動機推力偏移量的標定方法，所用的標定裝置以壓電式測力儀作為核心力敏元件，包括液壓加載裝置、標定平臺、電荷放大器、數據采集卡、計算機及軟件模塊；裝配時，標定架(7)用螺栓固定在底座上，連接法蘭(6)通過螺栓連接在標定架(7)的左側，壓電測力儀(5)通過螺栓和連接法蘭(6)相連接，轉接法蘭(1)通過螺栓和壓電測力儀(5)的左端相連接；自動定心裝置由球形塞(3)、錐形套(4)和六角螺母(2)組成，球形塞(3)和錐形套(4)為球面副連接，起到自動定心的作用，六角螺母(2)起預緊連接的作用；自動定心裝置通過后端拉桿(8)和標準力傳感器(9)的左端相連接；液壓加載裝置(11)通過前端拉桿(10)和標準力傳感器(9)的右端相連接，液壓加載裝置(11)的液壓缸缸體通過螺栓與標定架(7)的右側相連接；液壓加載裝置(11)與標定平臺裝配完畢后，將壓電測力儀(5)的傳感器與電荷放大器用導線連接，然后通過采集卡將電荷放大器與計算機連接成一體；

其特征在于，標定裝置搭建完畢后，對電荷放大器進行預熱及對標定系統進行預加載，然后通過液壓加載裝置(11)給壓電測力儀(5)施加外力，利用壓電傳感器的力電轉換功能，將作用于壓電測力儀(5)的外力信號轉換為電信號，然后將壓電傳感器輸出的微小電荷量經電荷放大器處理，再經數據采集卡的A/D轉換傳輸到計算機中，最后，利用基于深信度網絡的算法將采集到的數據進行標定處理；

具體步驟如下：

第一步：充分訓練RBM

RBM是深信度網絡的基本單元，作為深信度網絡的核心環節，采用非監督貪婪逐層方法獲得權值，實現網絡的預訓練；RBM的訓練過程，實際是求出一個能產生訓練樣本的概率分布；也就是說，獲得一個由權值ω決定、訓練樣本概率最大的概率分布；訓練RBM的目標就是尋找最佳的權值；

設輸入層和隱性層呈現伯努利分布，輸入層和隱性層的輸入能量函數E(x,z|θ)，如下式：

其中，m和n分別為輸入層和隱性層單元數；x＝(x_i)和z＝(z_j)分別表示輸入層和隱性層內單元值；為輸入層和隱性層的權值，為輸入層閾值，為隱性層第j個單元的閾值；i表示輸入層的第i個單元數，j表示隱性層的第j個單元數；

為達到降低誤差的目的及獲得最大權值下的概率分布，多次修正θ得到最小全局能量結構；然后將輸入能量函數E(x,z|θ)指數化且正則化，得到輸入層和隱性層的聯合概率分布P(x,z|θ)

基于馬爾科夫蒙特卡洛Markov chain Monte Carlo理論，使得輸入層和隱含層互為條件，不斷更新權值和閾值，使它們共同趨向平穩狀態；基于概率梯度經過k次RMB迭代，第k+1次權值閾值向量θ(k+1)為，

其中，η為學習率；

經過多次修正θ使全局能量最小，達到收斂誤差盡量小的目的；固定第一個RBM的權重和偏移量，然后使用其隱性神經元的狀態，作為第二個RBM的輸入向量；重復以上步驟，充分訓練第二個RBM，然后將第二個RBM堆疊在第一個RBM的上方，如此類推，一直訓練到頂層的RBM；

第二步：基于Levenberg Marquartdt進行深信度網絡訓練

將深信度網絡的每個基本單元RBM充分訓練后，求解出每個隱元與顯元之間的權重ω；Levenberg Marquartdt為一種高斯牛頓法的改進算法，既具有在局部優化搜索方向的特點，又具有在全局梯度法的特性，其收斂速度遠快于梯度下降法，通過相應算法修正權值ω使整體誤差快速降低；設誤差函數E(ω)

其中，N為訓練次數，d_i為期望向量，y_i為輸出向量，ω為權值和閾值向量，

基于Levenberg Marquartdt法，經過第k次訓練后，權值閾值向量增量

Δω＝[J^T(ω)J(ω)+μI]^-1J^T(ω)e(ω)

其中，I為單位矩陣，μ為學習率，J(ω)為Jacobian矩陣，n為權閾值的數量；當μ＝0，即為牛頓方法；當μ非常大時，公式變為梯度下降法；Levenberg Marquartdt法既有高斯-牛頓法的局部收斂性，又具有梯度法的全局特性；

第三步：求解推力偏移量參數

將力值經基于Levenberg Marquartdt進行深信度網絡訓練，直到達到訓練次數或歸一化誤差小于目標誤差后，來實現非線性的DBN補償網絡；輸入值經過深信度網絡補償和反歸一化后，將補償后力值進行理論結算得到力偏移量的補償值

設F_xi、F_yi、F_zi分別為各傳感器在X、Y、Z向受力大小；基于理論力學的原理，三個主推力F_x、F_y、F_z為，

F_x1、F_x2、F_x3、F_x4期望值的解算矩陣為，

其中，a為相鄰傳感器安裝距離的一半；c為傳感器安裝平面與外力作用平面的距離；m和n分別為輸入層和隱性層單元數；F_x、F_y、F_z分別為X，Y，Z方向上所受到的力；

F_x1、F_x2、F_x3、F_x4、F_y、F_z的值求出后，經理論計算，力矢量標定平臺準確獲得α、δ_y、δ_z力矢量偏移量；力矢量偏移參數主偏角α、Y向偏移量δ_y、Z向偏移量δ_z的計算公式為，

歸一化和反歸一化的處理使有數量級差的F_x1、F_x2、F_x3、F_x4與F_y、F_z限定在有限范圍內。