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基于MOPSO算法的自感式棒位探测器端部补偿多目标优化设计

张艺璇 唐健凯 罗凌雁 吴昊 唐源 王益明 徐奇伟

张艺璇, 唐健凯, 罗凌雁, 吴昊, 唐源, 王益明, 徐奇伟. 基于MOPSO算法的自感式棒位探测器端部补偿多目标优化设计[J]. 核动力工程, 2025, 46(1): 238-246. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0238
引用本文: 张艺璇, 唐健凯, 罗凌雁, 吴昊, 唐源, 王益明, 徐奇伟. 基于MOPSO算法的自感式棒位探测器端部补偿多目标优化设计[J]. 核动力工程, 2025, 46(1): 238-246. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0238
Zhang Yixuan, Tang Jiankai, Luo Lingyan, Wu Hao, Tang Yuan, Wang Yiming, Xu Qiwei. Multi-Objective Optimization Design of Self-sensing Rod Position Detector End Compensation Based on MOPSO Algorithm[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(1): 238-246. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0238
Citation: Zhang Yixuan, Tang Jiankai, Luo Lingyan, Wu Hao, Tang Yuan, Wang Yiming, Xu Qiwei. Multi-Objective Optimization Design of Self-sensing Rod Position Detector End Compensation Based on MOPSO Algorithm[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(1): 238-246. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0238

基于MOPSO算法的自感式棒位探测器端部补偿多目标优化设计

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0238
基金项目: 四川省自然科学基金(2023NSFSC0856)
详细信息
    作者简介:

    张艺璇(1996—),女,博士研究生,现主要从事棒位探测器组件设计及性能分析方面的研究,E-mail: Zhangyx@stu.cqu.edu.cn

    通讯作者:

    罗凌雁,E-mail: luoly@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TL375.5

Multi-Objective Optimization Design of Self-sensing Rod Position Detector End Compensation Based on MOPSO Algorithm

  • 摘要: 自感式棒位探测器利用探测线圈电感随驱动杆位移的变化特性实现连续棒位测量,但实际探测线圈端部磁场的非均匀分布致使探测器端部的输出信号表现为非线性,降低了端部位置的测量精度。为此,本文提出一种在探测线圈两端绕制阶梯型补偿线圈的多目标优化设计方法:①建立端部补偿线圈电感数学模型;②采用多目标粒子群优化(MOPSO)算法对补偿线圈结构进行多目标优化;③利用熵权法和模糊综合评价法对多个优化目标客观赋权并进行综合评价,选取一组折中最优设计方案,从而快速有效地确定补偿线圈的最优结构参数。通过有限元仿真对比补偿前后结果,发现经过端部补偿后,不仅电感灵敏度提高了28.6%,最大线性拟合误差也降低了45.8%;最后,进行样机实验,结果显示端部补偿后的探测线圈电感灵敏度为0.18 mH/10 mm,最大线性拟合误差小于0.18 mH,可实现10 mm的测量精度,验证了端部补偿线圈多目标优化设计方案的有效性。本文为其在模块化小型反应堆中的应用提供了优化设计理论基础。

     

  • 图  1  自感式棒位探测器结构

    Figure  1.  Self-sensing Rod Position Detector Structure

    图  2  棒位探测器结构示意图

    Figure  2.  Rod Position Detector Diagram

    图  3  探测器端部补偿线圈示意图

    Figure  3.  Diagram of Detector End Compensation Coil

    图  4  MOPSO算法流程

    Figure  4.  MOPSO Algorithm Flow

    图  5  惯性权重ω随迭代次数变化

    Figure  5.  Variation of Inertia Weight ω with Iterations

    图  6  自适应粒子位置变异流程图

    Figure  6.  Adaptive Particle Position Variation Flow

    图  7  MOPSO算法计算结果

    Figure  7.  MOPSO Calculation Results

    图  8  模糊综合评价流程

    Figure  8.  Fuzzy Comprehensive Evaluation Process

    图  9  补偿前后线圈电感及线性拟合误差

    Figure  9.  Inductance and Linear Fitting Error Comparison before and after Compensation

    图  10  试验样机测试平台

    Figure  10.  Experimental Prototype Test Platform

    图  11  A组线圈电感测量数据

    Figure  11.  Coil Inductance Measurement Data for Group A

    图  12  A组各段线圈电感线性拟合误差

    Figure  12.  Linear Fitting Error of Group A Coil Inductance

    图  13  驱动杆的实际位移和解算位移

    Figure  13.  Comparison of Actual Displacement and Calculated Displacement of the Rod

    表  1  棒位探测器固定参数

    Table  1.   Fixed Parameters of the Rod Position Detector

    参数名 参数值
    探测线圈总长/mm 1995
    线圈分段/段 4
    线圈内径/mm 119
    单段线圈长度/mm 495
    线圈线径/mm 1.4
    单段A组线圈匝数/匝 180
    探测线圈层数/层 3
    端部补偿线圈层数/层 3
    相邻线圈间隔/mm 5
    驱动杆半径/mm 22.25
    驱动杆长度/mm 2500
    激励电流幅值/A 0.1
    激励频率/Hz 200
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    表  2  最优折中设计方案

    Table  2.   Optimal Compromise Design

    设计变量C11C12C13C21C22C22
    补偿线圈第一层匝数/
    14131112119
    下载: 导出CSV

    表  3  补偿前后结果对比

    Table  3.   Comparison before and after Compensation

    目标优化前优化后
    电感灵敏度/(10−1mH·mm−1)0.140.18
    最大线性拟合误差/mH0.590.32
    平均线性拟合误差/mH0.1450.037
    电感变化量/mH7.319.09
    补偿线圈第一层匝数/匝026
    下载: 导出CSV

    表  4  探测线圈测量电感拟合结果

    Table  4.   Linear Fitting Results of Measured Inductance

    子线圈序号电感灵敏度/(10−1mH·mm−1)最大线性拟合误差/mH
    A10.1820.156
    A20.1810.162
    A30.1810.163
    A40.1820.160
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-06
  • 修回日期:  2024-11-07
  • 刊出日期:  2025-02-15

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