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基于XGBoost的空间高温材料实验炉控制系统建模

任俊竹 肖志刚 于强

任俊竹, 肖志刚, 于强. 基于XGBoost的空间高温材料实验炉控制系统建模[J]. 空间科学学报, 2023, 43(4): 703-710. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0061
引用本文: 任俊竹, 肖志刚, 于强. 基于XGBoost的空间高温材料实验炉控制系统建模[J]. 空间科学学报, 2023, 43(4): 703-710. doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0061
REN Junzhu, XIAO Zhigang, YU Qiang. Modeling of Temperature Control System of Space Experiment High-temperature Furnace Based on XGBoost (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(4): 703-710 doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0061
Citation: REN Junzhu, XIAO Zhigang, YU Qiang. Modeling of Temperature Control System of Space Experiment High-temperature Furnace Based on XGBoost (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(4): 703-710 doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0061

基于XGBoost的空间高温材料实验炉控制系统建模

doi: 10.11728/cjss2023.04.2022-0061 cstr: 32142.14.cjss2023.04.2022-0061
基金项目: 中国科学院空间科学先导专项科学卫星任务运控技术项目资助(XDA15040100)
详细信息
    作者简介:
    通讯作者:
  • 中图分类号: TP3

Modeling of Temperature Control System of Space Experiment High-temperature Furnace Based on XGBoost

  • 摘要: 为确保高温材料科学实验柜科学实验系统能够成功地进行空间材料科学实验,在空间进行高温材料科学实验的时候要求其温度稳定在±0.25℃范围内。面对如此之高的温度稳定度要求,提出一个新的解决方案:在实验输入和输出数据的基础上,确定一个与高温炉控制系统内部等价的模型,为获得满足实验要求的控制参数提供依据。本文将高温炉控制系统内部看作黑箱模型,基于XGBoost方法分别对四类样品实验的高温炉内部温区2和温区3进行建模,模型精确度全部可达到99.98%以上。与传统建模方式传递函数相对比,在传统方法表现最好的情况下,模型精度仍提高了3.8%,为获得控制参数以确保空间实验温度实现高稳定度提供了重要支持。

     

  • 图  1  高温材料科学实验柜内部结构

    Figure  1.  Internal structure of high-temperature material science experiment rack

    图  2  高温炉加热炉体简化结构

    Figure  2.  Simplified structure of high-temperature furnace

    图  3  模型应用

    Figure  3.  Model application

    表  1  数据滤波后实验数据基本信息

    Table  1.   Basic information of experimental data after data filtering

    实验名称实验时长/h数据条数数据维度温区2工况/℃温区3工况/℃
    非金属样品1号实验30.25108900462750~800860~900
    非金属样品2号实验15.5756040462600~800600~750
    金属样品1号实验14.0550580462900900
    金属样品2号实验16.95610204621050~9001050~900
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    表  2  部分输入特征

    Table  2.   A portion of input feature vector

    序号特征名称相关系数序号特征名称相关系数
    1目标温度0.99716炉丝电源温度0.9298
    2计算上限值0.99427高温炉冷端0.9050
    3输出占空比0.95378炉丝霍尔电流0.8995
    4加热电压0.94799主控板28 V温度0.8791
    5100 V霍尔电流0.944910高温炉壳温0.8575
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    表  3  网格搜索参数优化

    Table  3.   Optimization of grid search parameters

    参数名寻优范围取值
    迭代次数[50, 65, 75, 80, 100,
    150, 200, 350]
    150
    学习率[0.01, 0.03, 0.05, 0.08, 0.1, 0.2, 0.25, 0.3]0.2
    树的最大深度[1, 3, 5, 8]5
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    表  4  传递函数参数估计结果

    Table  4.   Estimation results of transfer function parameters

    传递函数温区2温区3
    $ {R}^{2} $$ {E}_{\mathrm{m}\mathrm{s}\mathrm{e}} $$ {R}^{2} $$ {E}_{\mathrm{m}\mathrm{s}\mathrm{e}} $
    非金属样品1号0.11055.45 $ \times {10}^{4} $0.53864.00 $ \times {10}^{4} $
    非金属样品2号3.28 $ \times {10}^{4} $0.9613952.5176
    金属样品1号0.41143.56 $ \times {10}^{3} $0.46593.15 $ \times {10}^{3} $
    金属样品2号0.43692.94 $ \times {10}^{3} $0.49822.51 $ \times {10}^{3} $
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    表  5  XGBoost建模结果

    Table  5.   XGBoost modeling results

    XGBoost温区2温区3
    $ {R}^{2} $$ {E}_{\mathrm{m}\mathrm{s}\mathrm{e}} $$ {R}^{2} $$ {E}_{\mathrm{m}\mathrm{s}\mathrm{e}} $
    非金属样品1号0.9999990.0647150.9999990.096201
    非金属样品2号0.9999990.0778390.9999990.077566
    金属样品1号0.9999981.56 $ \times {10}^{-1} $0.9999981.57 $ \times {10}^{-1} $
    金属样品2号0.9999982.48 $ \times {10}^{-1} $0.9999982.33 $ \times {10}^{-1} $
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    表  6  XGBoost模型较传统模型的性能比较

    Table  6.   XGBoost model performance improvemencompared with traditional models

    实验名称$ {d}_{{R}^{2}} $$ {d}_{{E}_{\mathrm{m}\mathrm{s}\mathrm{e}}} $
    非金属样品1号 温区2 0.889 5.4500 $ \times {10}^{4} $
    温区3 0.461 4.0000 $ \times {10}^{4} $
    非金属样品2号 温区2 3.2799 $ \times {10}^{4} $
    温区3 0.039 9.5244 $ \times {10}^{2} $
    金属样品1号 温区2 0.588 3.5598 $ \times {10}^{3} $
    温区3 0.534 3.1500 $ \times {10}^{3} $
    金属样品2号 温区2 0.563 2.9398 $ \times {10}^{3} $
    温区3 0.502 2.5098 $ \times {10}^{3} $
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-10-24
  • 录用日期:  2023-06-25
  • 修回日期:  2023-02-07
  • 网络出版日期:  2023-06-25

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