авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Алгоритмизация систем диагностики состоянияэлементов конструкций металлургических агрегатов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Кравцова Ольга Александровна

Алгоритмизация систем диагностики состояния
элементов конструкций металлургических агрегатов

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2009

Работа выполнена на кафедре автоматизации производственных процессов Кузбасской государственной педагогической академии (г. Новокузнецк)

Научный руководитель - доктор технических наук профессор

Кошелев Александр Евдокимович

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор

Дмитриев Вячеслав Михайлович

(Томский государственный университет

систем управления и радиоэлектроники)

кандидат технических наук доцент

Буинцев Владимир Николаевич

(Сибирский государственный

индустриальный университет,

г. Новокузнецк)

Ведущая организация - Кемеровский государственный университет

Защита состоится « 18 » июня 2009 года в 15 час. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.268.02 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (г. Томск, пр. Ленина, 40).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (г. Томск,
ул. Вершинина, 74).

Автореферат разослан « 18 » мая 2009 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Мещеряков Р. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение

Актуальность темы. Включение в состав систем управления подсистем диагностики технического состояния как отдельных элементов конструкции, так и объекта управления в целом, позволяющих получить своевременную и надежную информацию о неисправности того или иного металлургического агрегата, необходимо для обеспечения безопасности работы технологического персонала, повышения эксплуатационной надежности и увеличения продолжительности кампании объектов управления.

Известные в настоящее время методы диагностики состояния элементов металлургических агрегатов, основанные на прямых и косвенных измерениях отдельных контролируемых величин, связаны с решением прямой и обратной задач нестационарной теплопроводности, а также с обработкой большого количества данных, например, при формировании множества возможных вариантов характерных состояний металлургических агрегатов или элементов их конструкции. Однако адекватность математических моделей реальным условиям нарушается из-за нестабильности теплотехнических и геометрических характеристик, являющихся основными параметрами математических моделей нестационарной теплопроводности, огнеупорных материалов, используемых для футеровки.

Повысить эффективность действующих автоматизированных систем диагностики состояния элементов металлургических агрегатов можно посредством использования в их составе дополнительного алгоритмического модуля, в реальном времени выявляющего структурные изменения нестационарных контролируемых сигналов. Эти изменения, как правило, свидетельствуют о произошедших отклонениях в техническом состоянии контролируемого объекта. Полученную информацию о выявленных структурных особенностях в анализируемых сигналах целесообразно использовать для прогнозирования дальнейшей динамики контролируемых величин. Функционирование такого типа алгоритмического модуля позволит своевременно обнаружить предаварийную ситуацию.





Объектом исследования. Высокотемпературные металлургические агрегаты и элементы их конструкции.

Предметом исследования являются системы диагностики технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов.

Цели и задачи диссертации. Основной целью работы является разработка методики и алгоритмов диагностирования технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов с применением методов обнаружения локальных особенностей контролируемых сигналов. В соответствии с основной целью решаются следующие задачи:

  • обобщение и дополнение теоретических и практических разработок по технической диагностике элементов конструкций металлургических агрегатов;
  • разработка алгоритма оценивания технического состояния элементов конструкций металлургических объектов, основными компонентами которого являются блоки структурного анализа и прогнозирования динамики контролируемых сигналов с учетом изменяющихся свойств этих сигналов;
  • разработка алгоритма повышения информативности краевых зон вейвлет-спектрограмм, обеспечивающего оперативное построение вейвлет-спектрограмм в режиме реального времени;
  • формирование структуры алгоритма определения значений вейвлет-сверток, увеличивающего быстродействие вейвлет-анализа;
  • конкретизация алгоритмов оценивания технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов.

Методы выполнения работы. Использованы теоретические и практические разработки теории нелинейной динамики, методы полиномиальной аппроксимации и экстраполяции, методы фильтрации контролируемых сигналов, методы численного моделирования.

Научная новизна

  • Методика обнаружения дефектов технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов, отличающаяся оперативным выявлением локальных изменений контролируемых сигналов, характеризующих состояние диагностируемых элементов (на основе вейвлет-анализа).
  • Способ повышения информативности краевых зон вейвлет–спектрограмм с использованием типовых функций, отличающийся оперативным построением вейвлет-спектрограмм и сокращающий объем вычислений при построении вейвлет-спектрограмм в 2 и более раз.
  • Алгоритм рекуррентного определения вейвлет–свертки, уменьшающий вычислительные затраты на 19-23%, по сравнению с классическим алгоритмом расчета вейвлет-свертки.
  • Структура распараллеленного алгоритма вейвлет-анализа измеряемых сигналов с использованием рекуррентного определения вейвлет-свертки, применение которой уменьшает вычислительные затраты в 2 и более раз.
  • Алгоритмы обнаружения дефектов технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов непрерывного и циклического действия, которые, в отличие от действующих, содержат процедуру структурного анализа временных рядов данных с использованием полученных разработок.
  • Алгоритм определения возможного будущего технического состояния элементов конструкций объектов управления, отличающийся одновременным получением нескольких вариантных оценок технического состояния диагностируемого объекта.

Практическая значимость

  • Предложенные методика и алгоритмы позволяют:
  • совершенствовать системы диагностики технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов путем внедрения дополнительного алгоритмического модуля;
  • выявлять предаварийные зоны диагностируемых элементов конструкций металлургических агрегатов;
  • определять возможное будущее техническое состояние диагностируемых элементов конструкций металлургических агрегатов;
  • повысить информативность краевых зон вейвлет-спектрограмм и обеспечить их построение в режиме реального времени;
  • уменьшить временные затраты на выявление локальных изменений контролируемых сигналов за счет использования распараллеленной структуры вейвлет–анализа и рекуррентной формы вычисления вейвлет-свертки.
  • Разработанные методика и алгоритмы применимы к любым диагностируемым технологическим объектам.
  • Полученные результаты могут быть использованы при обучении студентов вузов соответствующих специальностей, а также при повышении квалификации технологического персонала промышленных предприятий.

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:

  • методика и алгоритмы обнаружения дефектов технического состояния элементов металлургических агрегатов, отличающиеся ранним обнаружением локальных изменений измерительных сигналов (на основе вейвлет-анализа);
  • алгоритмы повышения информативности краевых зон вейвлет-спектрограмм и рекуррентного расчета вейвлет-свертки;
  • структура распараллеленного алгоритма вейвлет-анализа анализируемых сигналов с использованием рекуррентного определения вейвлет–свертки;
  • алгоритм определения возможного будущего технического состояния элементов конструкций объектов управления, структура которого содержит блоки, осуществляющие вейвлет-анализ контролируемых сигналов, определение и формирование последовательности показателей сложности и их экстраполяцию.

Личный вклад автора заключается в совершенствовании алгоритма вейвлет-анализа, в постановке задач, разработке и исследовании алгоритмов; конкретизации полученных результатов применительно к системам контроля состояния огнеупорной кладки горна доменной печи и контроля состояния продувочной фурмы на установке обработки стали инертным газом.

Реализация результатов работы. Разработанные алгоритмы обнаружения дефектов технического состояния элементов конструкций металлургических агрегатов непрерывного и циклического действия, включающие алгоритм определения возможного будущего технического состояния элементов конструкций объектов управления, приняты к использованию на ОАО “Новокузнецкий металлургический комбинат”
(ОАО НКМК). Разработанные методы и алгоритмы используются в учебном процессе Сибирского государственного индустриального университета
(г. Новокузнецк) и Кузбасской государственной педагогической академии
(г. Новокузнецк).

Апробация работы. Основные положения диссертации освещались на 8 конференциях: 5-я Всероссийская научно-практическая конференция “Системы автоматизации в образовании, науке и производстве” (Новокузнецк, 2005); 2-я Всероссийская научно-практическая конференция “Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии” (Новокузнецк, 2006); 3-я Международная научно-практическая конференция “Технолого-экономическое образование в XXI веке” (Новокузнецк, 2004, 2005, 2006); Всероссийская научно-практическая конференция “Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество” (Новокузнецк, 2006, 2008); 4-я Международная научно-практическая конференция “Электронные средства и системы управления: опыт инновационного развития ” (Томск, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента РФ на изобретение и 14 работ - материалы научно-технических и научно-практических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и содержит 179 страниц основного текста, включая 59 рисунков и 9 таблиц. Библиографический указатель содержит 134 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Основы построения систем технической диагностики элементов конструкций металлургических агрегатов

Первая глава состоит их трех разделов, посвященных описанию сущности действующих систем диагностики состояния элементов конструкций металлургических агрегатов (доменной печи и установки внепечной обработки стали) и методов структурного анализа временных рядов данных.

В настоящее время развитие как отечественных, так и зарубежных систем диагностики элементов конструкций металлургических агрегатов осуществляется по нескольким направлениям: 1) использование математических моделей нестационарного теплообмена (ОАО “Черметавтоматика”, ОАО “Новолипецкий металлургический комбинат”, ОАО “Магнитогорский металлургический комбинат”, компания “Даниэли Корус”, завод фирмы Stahlwerke Bremen GmbH); 2) ультразвуковой контроль диагностируемых элементов конструкции (Днепропетровский металлургический институт).

Большой вклад в совершенствование, например, систем диагностики состояния футеровки горна доменной печи внесли авторы: Гаврилов Е. Е., Спирин Н. А., Серов Ю. В., Кудинов Г. А, М. Шульте, Васильев П. Г. и Голосков Б. В. Суть большинства их разработок заключается в оперативном определении остаточной толщины футеровки горна доменной печи с опорой на решения прямой и обратной задач нестационарного теплообмена. Отличительной особенностью некоторых систем диагностики состояния футеровки горна доменной печи является наличие характерных вариантов ее разгара, с одним из которых отождествляется текущее состояние огнеупорной кладки горна.

Обобщение теоретических разработок по системам диагностики элементов конструкций металлургических объектов и принятый во внимание накопленный практический опыт технологического персонала, а также выявленные недостатки используемых подходов в задаче диагностики элементов конструкций металлургических агрегатов обусловили направление для дальнейшего совершенствования этих систем. Совершенствование рассматриваемых систем возможно посредством включения нового алгоритмического модуля, первостепенной задачей которого является обнаружение структурных изменений в контролируемых сигналах, характеризующих состояние диагностируемых объектов. Обобщенная структура модернизированной системы технической диагностики элементов конструкций металлургических агрегатов представлена на рис. 1.

Часто применяемый в системах контроля и управления спектральный анализ измерительных сигналов путем разложения в некоторый бесконечный ряд по одному из типовых ортогональных базисов (Фурье, Уолша) с последующей обработкой для принятия решения оказывается неэффективным в том случае, когда требуется получить точную информацию о моментах изменения свойств анализируемых сигналов. В отличие от классических методов спектрального анализа методы структурного анализа временных рядов предназначены для выявления локальных изменений в структуре сигнала.

 Обобщенная структура системы-1

Рис. 1. Обобщенная структура системы технической диагностики элементов конструкций металлургических агрегатов

Впервые задача обнаружения изменения свойств временных последовательностей поставлена Е. Пейджом. Колмогоровым А. Н. и Ширяевым А. Н. предложен метод определения моментов изменения свойств в рассматриваемых временных рядах данных при заданном уровне ложных тревог, применение которого на практике требует решения сложных нелинейных дифференциальных уравнений. Телькснис Л. А. предложил метод обнаружения наиболее вероятных изменений свойств коррелированных случайных процессов, описываемых стохастическими дифференциальными уравнениями. Развитие методов структурного анализа данных с опорой на нелинейные математические зависимости привело к появлению вейвлет–анализа. Апробация этого математического аппарата в задаче обнаружения изменения свойств контролируемых сигналов в системах различного назначения показала его высокую эффективность: высокая точность и своевременность обнаружения локальных структурных изменений в контролируемых сигналах, а также большая чувствительность к малым структурным изменениям в этих сигналах. Отмеченные достоинства рассматриваемого математического аппарата предопределили целесообразность его использования в подсистеме структурного анализа временных рядов данных развиваемой системы диагностики (рис. 1).

Глава 2. Совершенствование алгоритмов систем диагностики элементов технологических объектов

Во второй главе рассмотрены задачи: сравнительного анализа методов обнаружения изменения свойств измерительных сигналов и временных рядов данных; повышения информативности краевых зон вейвлет-спектрограмм; повышение быстродействия осуществляемого вейвлет-анализа посредством рекуррентной формы расчета вейвлет-свертки и распараллеленной структуры построения вейвлет-спектрограмм; оценивания возможного будущего состояния диагностируемого объекта.

Сопоставление методов структурного анализа временных рядов данных. Эффективность рассматриваемых методов при решении задачи выявления локальных особенностей анализируемых временных последовательностей оценивалась по критерию минимума ошибки выявления этих особенностей на модельных временных рядах данных, отличающихся различной степенью зашумленности полезной составляющей сигнала измерительной помехой.

Проведенный сравнительный анализ эффективности рассматриваемых методов показал следующее:

    • для варианта анализируемых временных последовательностей, характеризующихся отсутствием измерительной помехи выявлено:

- методы локального анализа временных рядов данных обнаруживают только существенные структурные изменения сигналов, при этом ошибка обнаружения локальных изменений в сигнале по времени равна половине диапазона “интервал скольжения”, на котором рассчитывается функционал отличия;

- вейвлет–анализ характеризуется стабильностью выявления моментов изменения структурных свойств рассматриваемых временных последовательностей даже при малых их изменениях;

    • в случае наличия измерительной помехи в анализируемых последовательностях данных:

- количество обнаруженных локальных особенностей уменьшается с ростом дисперсии измерительной помехи;

- вейвлет-анализ выявляет без ошибки по времени все моменты изменений локальных особенностей помехоискаженных временных последовательностей данных.

Диаграмма, отображающая эффективность рассматриваемых методов структурного анализа временных рядов данных, представлена на рис. 2.

Сопоставительный анализ рассматриваемых методов обнаружения локальных изменений нестационарных временных последовательностей показал, что для решения этой задачи целесообразно применять метод вейвлет-анализа.

 Диаграмма, отображающая результаты-2

Рис. 2. Диаграмма, отображающая результаты сравнительного анализа рассматриваемых методов структурного анализа временных рядов данных

Повышение информативности краевых зон вейвлет-спектрограмм. Решение данной задачи направлено на устранение ограниченных возможностей применения математического аппарата вейвлет–анализа в системах оперативной диагностики.

Существует ряд подходов повышения информативности краевых зон вейвлет -спектрограмм с помощью искусственного увеличения объема выборки анализируемой последовательности: симметричное отображение сигнала относительно последнего данного; экстраполяционное продолжение сигнала.



Pages:   || 2 | 3 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.