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基于GA-BP神经网络对控制棒水力缓冲器的性能预测和结构参数优化

张相文 范晨光 何安 武闯 杨宇静

张相文, 范晨光, 何安, 武闯, 杨宇静. 基于GA-BP神经网络对控制棒水力缓冲器的性能预测和结构参数优化[J]. 核动力工程, 2023, 44(6): 162-169. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0162
引用本文: 张相文, 范晨光, 何安, 武闯, 杨宇静. 基于GA-BP神经网络对控制棒水力缓冲器的性能预测和结构参数优化[J]. 核动力工程, 2023, 44(6): 162-169. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0162
Zhang Xiangwen, Fan Chenguang, He An, Wu Chuang, Yang Yujing. Performance Prediction and Structural Parameter Optimization of Control Rod Hydraulic Buffer Based on GA-BP Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(6): 162-169. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0162
Citation: Zhang Xiangwen, Fan Chenguang, He An, Wu Chuang, Yang Yujing. Performance Prediction and Structural Parameter Optimization of Control Rod Hydraulic Buffer Based on GA-BP Neural Network[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(6): 162-169. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0162

基于GA-BP神经网络对控制棒水力缓冲器的性能预测和结构参数优化

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.06.0162
基金项目: 四川省自然科学基金面上项目(2023NSFSC0068)
详细信息
    作者简介:

    张相文(1997—),男,硕士研究生,现主要从事结构动力学研究,E-mail:892807999@qq.com

  • 中图分类号: TL334

Performance Prediction and Structural Parameter Optimization of Control Rod Hydraulic Buffer Based on GA-BP Neural Network

  • 摘要: 为通过遗传算法(GA)改进的反向传播(BP)神经网络模型预测控制棒组件水力缓冲器的缓冲性能,并实现结构参数优化,本研究对一种特定的控制棒组件水力缓冲器静水中的落棒进行模拟试验,变换试验可调参数,设置不同的试验工况,获取了大量的试验数据,通过GA-BP神经网络对控制棒组件落棒过程的最大冲击力进行预测,并构建优化数学模型,使用非线性规划函数(fmincon)进行求解,获得更优的结构参数组合。结果表明:GA-BP神经网络模型相较于BP神经网络模型具有更高的预测精度,通过fmincon函数可以实现对控制棒组件最大冲击力优化数学模型的快速求解。因此,本文的优化方法可为水力缓冲器的结构优化设计提供一定的参考。

     

  • 图  1  控制棒组件结构示意图

    Figure  1.  Schematic Diagram of Control Rod Assembly Structure        

    图  2  试验平台搭建示意图

    Figure  2.  Schematic Diagram of Test Platform Construction

    图  3  参数改变对应的Fmax变化图

    Figure  3.  Plot of Fmax Variation Corresponding to Parameter Change      

    图  4  隐含层节点数对应训练集MSE变化图

    Figure  4.  MSE Variation Diagram of Training Set Corresponding to the Number of Hidden Layer Nodes

    图  5  控制棒组件GA-BP神经网络Fmax预测模型误差迭代曲线      

    Figure  5.  Error Iteration Curves of Control Rod Assembly GA-BP Neural Network Fmax Prediction Model

    图  6  预测值与真实值的对比图

    Figure  6.  Comparison between Predicted and Actual Values

    图  7  GA-BP与BP神经网络的预测误差对比图

    Figure  7.  Comparison of Prediction Errors between GA-BP and BP Neural Network

    图  8  流水孔开孔层数变化预测对比图

    Figure  8.  Comparison of Predicted Change in the Number of Layers of Running Water Hole

    图  9  3层流水孔位置变化对照组预测对比图

    Figure  9.  Prodiction Comparison of 3 Layers of Running Water Hole Position Change Control Group

    图  10  2层流水孔位置变化对照组预测对比图

    Figure  10.  Prodiction Comparison of 2 Layers of Running Water Hole Position Change Control Group

    图  11  流水孔孔径变化预测对比图

    Figure  11.  Prodiction Comparison of Running Water Hole Diameter Change

    表  1  控制棒组件可调参数

    Table  1.   Adjustable Parameters for Control Rod Assembly

    参数 可调整的范围
    第1层流水孔孔径/mm 0~4
    第2层流水孔孔径/mm 0~4
    第3层流水孔孔径/mm 0~4
    第4层流水孔孔径/mm 0~4
    第5层流水孔孔径/mm 0~4
    连接柄与缓冲杯间隙/mm 0.15~0.30
    缓冲杯行程/mm 30~70
    弹簧刚度/(N ∙ mm−1) 1.5~3.8
    等效配重/kg 6.4~8.8
    下落高度/mm 340~400
    下载: 导出CSV

    表  2  BP与GA-BP神经网络模型的预测结果误差

    Table  2.   Errors in Prediction Results of BP and GA-BP Models

    神经网络模型 MAE/N MAPE/% RMSE/N
    BP 39.51 3.35 55.10
    GA-BP 9.29 0.82 11.58
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-05
  • 修回日期:  2023-08-12
  • 刊出日期:  2023-12-15

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