автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Способы формирования дискретных значений информативных сигналов при контроле расхода веществ по расчетным параметрам и показателям

На правах рукописи

//

ВЕЛИК Алевтина Георгиевна

СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ ПРИ КОНТРОЛЕ РАСХОДА ВЕЩЕСТВ ПО РАСЧЕТНЫМ ПАРАМЕТРАМ И ПОКАЗАТЕЛЯМ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 Я Н 3 2012

Омск-2012

005007825

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» на кафедре «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель: ЧУКАНОВ Сергей Николаевич

Официальные доктор технических наук, доцент

оппоненты: КУЗНЕЦОВ Андрей Альбертович

кандидат технических наук, доцент ЗАХАРЕНКО Владимир Андреевич

Ведущая Институт прикладной механики Уральского

организация: отделения РАН

Защита состоится «16» февраля 2012 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» по адресу: Омск, пр. Мира, 11, ауд. 8-421.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан «12» января 2012 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу: 644050, Омск, пр. Мира, 11, Омский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.178.01.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.178.01 д.т.н., доцент

В. Л. Хазан

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Процессы оценки состояния объекта контроля и принятия решений о годности представляют собой сложную задачу при осуществлении контроля по расчетным показателям качества или параметрам, определяемым косвенным методом измерения. Достоверность контроля в этом случае определяется не только точностью измерения исходных величин, но и точностью вычисления контролируемых параметров и показателей.

В цифровых приборах и системах контроля снижение точности значений расчетных величин происходит в случае представления непрерывного сигнала дискретным множеством значений при условии, что величины, подвергаемые дискретизации, используются в качестве аргументов нелинейных интегрально-функциональных преобразований в процессе вычислений.

В настоящее время существует большое количество работ, связанных с исследованиями точности измерений и достоверности контроля расхода вещества. К ним можно отнести работы таких ученых как Кремлевский П.П., Бирюков Б.В., Кунце Х.И., Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Большой вклад в развитие методов обеспечения методической точности измерений с применением системного подхода внесли Пытьев Ю.П., Мелентьев B.C., Шахов Э.К., Новицкий П.В., Зограф И.А. Глухов В.И., Кликушин Ю.Н., Цыганенко В.Н. и др. Из проведенного анализа литературных источников следует, что отсутствует единый подход к оценке методической точности расчетных величин применяемых при контроле расхода вещества (массовый и объемный расход, количество вещества, коэффициент истечения, показатели нестационарности потока среды и др.). Повысить методическую точность расчетных параметров и показателей при контроле расхода веществ можно такими известными способами как уменьшение периода дискретизации и применение более точных аппроксимационных моделей при замене непрерывного информативного сигнала дискретными значениями. Однако эти меры приводят, как правило, к тому, что требуется применять более быстродействующую и дорогостоящую технику, а также использовать устройства хранения измерительной информации повышенной емкости, что повышает ресурсоемкость систем контроля.

Учитывая, что результаты расчетов могут иметь различную прикладную направленность, методика получения дискретных значений информативных сигналов внутри системы контроля расхода веществ должна определяться особенностями объекта контроля и прикладным характером использования расчетных параметров и показателей. Поэтому формирование дискретных значений должно осуществляться с использованием таких моделей, которые бы позволяли учитывать специфику использования расчетных показателей в процессах контроля, принятия решений и формирования управляющих воздействий.

Данная работа посвящена исследованию точности вычисляемых параметров и показателей, используемых при контроле расхода веществ (жидкость, газ, пар), и поиску путей снижения методической погрешности расчетной величины. В работе предлагается использовать модель информативного сигнала, позволяющую формировать такие дискретные значения, которые при подстановке в заданное интегрально-функциональное преобразование приводят

к исключению или уменьшению погрешности расчетной величины, вызванной заменой непрерывных значений дискретными.

В этой связи актуальной является задача создания новых способов формирования дискретных значений физических величин, являющихся аргументами при определении расчетных показателей и параметров, определяемых косвенным методом измерения. Использование этих способов позволит повысить информативность сигналов, осуществить выбор оборудования исходя из целевой функции системы контроля, что снизит затраты на проведение проектных и эксплуатационных работ, повысит достоверность контроля расхода веществ.

Таким образом, тема диссертационной работы, посвященная разработке и исследованию способов формирования дискретных значений информативных сигналов, являющихся аргументами интегрально-функциональных преобразований, на основе учета служебного назначения и целевой функции системы контроля расхода вещества по расчетным параметрам и показателям, является актуальной.

Объект исследования: цифровые системы мониторинга природных и технических объектов, контроля расхода веществ, дискретные системы регулирования технологических процессов.

Целью настоящей работы является повышение достоверности контроля расхода веществ по расчетным параметрам и показателям за счет уменьшения методической погрешности расчетной величины, путем использования специальных способов формирования дискретных значений информативного сигнала, учитывающих целевую функцию системы контроля и функциональные связи между исходными величинами и расчетными параметрами и показателями.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи.

1. Выполнить анализ существующих методов определения и уменьшения погрешности расчетных параметров и показателей, вызванной заменой непрерывного сигнала дискретными значениями, а также сформулировать требования к алгоритмическому и программно-техническому обеспечению процессов обработки сигналов в системах контроля расхода веществ, обеспечивающих устранение или уменьшение этого вида погрешности.

2. Разработать проблемно-ориентированные модели информативного сигнала на основе учета особенностей объекта контроля в процессе формировании дискретных значений, обеспечивающих наиболее достоверное представление расчетных параметров и показателей, используемых для реализации целевой функции контроля.

3. Разработать способ формирования дискретных значений непрерывного сигнала, устраняющий погрешность расчетных параметров и показателей, возникающую при замене непрерывных значений сигнала дискретными.

4. Разработать способ формирования значений дискретного сигнала при его агрегационном прореживании с использованием функционального усреднения на заданном интервале времени, позволяющий уменьшить число дискретных значений информативного сигнала без потери точности расчетного параметра или показателя.

5. Выполнить экспериментальную проверку методической точности измерения и достоверности контроля расхода веществ методом переменного перепада давления с использованием предложенных способов при решении задач аналого-цифрового преобразования, косвенных измерений, агрегационного прореживания временных рядов данных в приборах и системах контроля.

Методы исследований. При выполнении исследований применялся аналитический подход, основанный на: методологиях структурного, системного и математического анализа; численных методах приближенных вычислений; обработке аналоговых и дискретных сигналов; использовании теоретических положений метрологии и теории систем. Исследования метрологических характеристик предложенных способов проводились с использованием имитационного моделирования в среде Lab View (National Instruments™).

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректной постановкой задач, строгостью применяемого математического аппарата, результатами численного имитационного моделирования, положительными результатами апробации в условиях промышленной эксплуатации при использовании разработанных способов, методик и алгоритмов.

Основные результаты, представляемые к защите. На основании проведенного анализа в области контроля расхода веществ по расчетным параметрам и показателям в цифровых приборах и средствах контроля к защите представляются следующие результаты:

1. Прикладные функциональные модели информативных сигналов, используемые при формировании дискретных значений, учитывающие особенности объекта контроля, позволяющие повысить достоверность контроля расхода веществ и сформулировать требования к алгоритмическому и программно-техническому обеспечению процессов обработки сигналов в контрольно-измерительных приборах и системах.

2. Способ формирования значений сигнала при его дискретизации по времени, позволяющий устранить методическую погрешность расчетных параметров и показателей, вызванную заменой непрерывных значений исходной физической величины дискретными.

3. Способ формирования значений дискретного сигнала при его агрегационном прореживании, позволяющий уменьшить число дискретных значений информативного сигнала без потери точности расчетного параметра или показателя.

Научная новизна данной работы состоит в следующем.

1. Предложены прикладные функциональные модели информативных сигналов, учитывающие специфику объекта контроля и позволяющие повысить достоверность контроля расхода веществ по расчетным параметрам и показателям при формировании дискретных значений.

2. Разработаны способы формирования дискретных значений информативного сигнала при контроле по расчетным параметрам и показателям, позволяющие повысить точность расчетных величин при проведении процедур дискретизации по времени и агрегационного прореживания.

Практическая ценность работы. Полученные результаты имеют широкую область применения. Предложенные способы могут быть положены в основу построения специализированных аналого-цифровых преобразователей, высокопроизводительных систем контроля расхода и учета количества вещества и энергии, систем мониторинга и управления технологическими процессами в электроэнергетике, химической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности, отличающихся повышенным уровнем достоверности поставляемой ими выходной информации.

На основе предложенных способов формирования дискретных значений информативного сигнала, разработана методика определения расхода и объемного количества топливного газа, апробация которой на Сургутской ГРЭС-1 подтвердила эффект снижения погрешности расчетной величины, вызванной дискретизацией по времени. На основе способа формирования значений непрерывного сигнала при его дискретизации по времени разработаны структурные схемы аналого-цифровых преобразователей для систем контроля, обеспечивающие уменьшение погрешности расчетного параметра или показателя, вызванной заменой непрерывных значений дискретными. Кроме того, такие аналого-цифровые преобразователи обладают повышенной помехоустойчивостью, что увеличивает информационную надежность цифровых приборов и средств контроля.

Личный вклад автора. Научные результаты, выносимые на защиту, получены непосредственно автором. Автором лично выполнен анализ существующих методов снижения погрешности расчетных параметров и показателей; обоснована необходимость разработки способов формирования дискретных значений сигналов, обеспечивающих более точное определение результатов интегрально-функциональных вычислений; предложены прикладные функциональные модели, используемые при моделировании сигналов, учитывающие характер и особенности объекта контроля; разработаны новые способы формирования значений непрерывных сигналов при их дискретизации, а дискретных - при их агрегационном прореживании в нелинейных системах; разработана исследовательская программа и проведены экспериментальные работы по определению показателей достоверности контроля расхода веществ с использованием предложенных способов.

В соавторстве разработаны структурные схемы аналого-цифровых преобразователей на основе способа формирования значений непрерывного сигнала при его дискретизации по времени, методика исследований и обработка экспериментальных данных при анализе достоверности контроля расхода и количества вещества расходомерами переменного перепада давления.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и её результаты докладывались и обсуждались на: IV Всероссийской научно -практической конференции «Молодежь и современные информационные технологии» (Томск, 2006); на II и III Международных научных конференциях «Информационно - математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 2007, 2008); на X и XI Международных конференциях «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2008,

2009); на научно - практической конференции «Обработка информации и управление. Теория и практика» (Омск, 2008); на VIH и IX Международных научно - технических конференциях «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2008, 2010); на I, II и III Межвузовских научно -практических конференциях «Информационные технологии и автоматизация управления» (Омск, 2009, 2010, 2011); на III и IV Всероссийских научно -технических конференциях «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!» (Омск, 2010,2011).

Публикации. Основные научные результаты диссертационной работы представлены в 26 работах общим объемом 7,4 п.л. (личный вклад автора составляет 5,3 п.л.). Из них 4 работы в изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций; 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ; 12 работ в сборниках трудов международных и всероссийских научно - технических и научно - практических конференций; 8 работ в сборниках трудов межвузовских научно - технических конференций; 1 публикация в электронном бюллетене заявок на выдачу патента Российской Федерации на изобретение.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты исследований положены в основу модернизации автоматизированной системы сбора данных о состоянии технологических процессов энергоблоков Сургутской ГРЭС-1, включая контроль расхода и количества веществ (топливного газа, водяного пара, воды), что подтверждено актом внедрения результатов работ.

Результаты исследований предложенных способов формирования дискретных значений информативных сигналов при проведении процедур дискретизации используются в учебном процессе кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» Омского государственного технического университета, что также подтверждается актом внедрения.

По тематике диссертационной работы подготовлены и изданы учебное пособие, методические указания к лабораторным работам и курсовому проектированию по дисциплине «Компьютерные системы поддержки принятия решений».

На «Способ аналого-цифрового преобразования измерительных сигналов» получено решение о выдаче патента РФ на изобретение (от 02.09.2011, заявка 2009129755/08).

На программный продукт «Моделирование достоверности контроля расхода и количества вещества» получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Представленная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Основное содержание работы изложено на 154 страницах текста, иллюстрируется 67 рисунками, имеет 1 таблицу. Список использованных источников включает 176 наименований, в том числе 9 - иностранные первоисточники.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы её цель и основные задачи, коротко изложено основное содержание работы и отмечены её научная новизна и практическая значимость.

В главе 1 приводится информационная модель процесса контроля, проводится сравнительный анализ методов контроля по расчетным параметрам и показателям, отражаются вопросы определения и обеспечения достоверности контроля. Анализируются основные причины возникновения погрешностей физических величин, определяемых косвенным методом измерения и других расчетных параметров и показателей в системах контроля. К их числу следует отнести следующие: изменение свойств объекта контроля и внешней среды во времени, дискретное представление информации, погрешности процедуры численного вычисления, приближенный характер аппроксимирующей модели сигнала при вычислении значений расчетных параметров и показателей. Исследуются системные свойства контроля, основополагающие вопросы снижения погрешности расчетных параметров и показателей в процессах сбора и подготовки исходных данных, вычислительной обработки и представления информации, особенности формирования дискретных значений информативных сигналов и их влияние на достоверность выходной информации, а также различные подходы к совершенствованию контрольно-измерительной аппаратуры.

Отмечается, что получение цифровых значений информативных сигналов является первичным звеном в процессах получения и обработки информации в цифровых системах контроля. Свойства и характеристики функциональных преобразователей и способы формирования значений информативного сигнала должны определяться целевой функцией систем и учитывать особенности вычислительного процесса при формировании решений. Показано, что погрешности расчетных параметров и показателей, вызванные заменой непрерывных значений дискретными, могут быть значительно уменьшены путем использования специальных способов формирования дискретных значений исходных сигналов. Эти способы должны быть основаны на учете специфики вычислительных преобразований и связей между информационными и функциональными компонентами системы контроля.

Обоснована необходимость проблемно-ориентированного моделирования сигналов при проектировании систем контроля расхода веществ по расчетным параметрам и показателям, предусматривающего использование априорных знаний о физических закономерностях исследуемых объектов, методах контроля, функциональных связях между исходной величиной и расчетными параметрами и показателями. С учетом этого сформулированы общие требования к способам интерпретации информации в системах контроля технических объектов. Использование математического моделирования процессов контроля позволяет, с одной стороны, учесть основные функциональные связи, как в объекте исследований, так и в устройстве

контроля при определении параметра или показателя, а с другой - внести на основании полученных сведений необходимые коррекции или поправки в процесс контроля. Таким образом, показано, что повышение точности и достоверности расчетных параметров и показателей может быть достигнуто применением таких способов формирования дискретных значений информативного сигнала, которые учитывали бы нелинейность функциональных преобразований и целевую функцию системы контроля расхода веществ.

В главе 2 на основе общеизвестного прикладного функционального подхода к анализу сигналов, суть которого сводится к учету специфики и целевой функции системы, сформирована прикладная функциональная модель, использование которой наиболее целесообразно в области контроля расхода веществ по расчетным параметрам и показателям, при проведении процедуры формирования дискретных значений информативного сигнала.

Вследствие непрерывности времени исходная величина х по своей природе также является непрерывной; она может быть описана зависимостью х = /(/), отражающей динамику своего изменения во времени f. Расчетный параметр или показатель вида Z = jF(x)dt, определяемый интегрально-функциональной зависимостью от дг, представляет собой некоторую меру, характеризующую свойства технических объектов, явлений или событий, поведение которых не является статичным.

Для некоторого интервала времени дискретные значения исходной величины х могут быть получены взятием мгновенных значений в любой момент времени, а так же использованием усредняющего, интерполирующего, экстраполирующего или иного преобразования.

Пусть для заданного интервала времени г и сигнала дг(/) определяется значение Ат = Р (дг, г), где Р - операторное преобразование, реализующее замену непрерывного сигнала числовыми значениями. Целевая функция системы контроля V(x) может быть определена как функция некоторой совокупности показателей {Q},i = т.е. V(x) = F(Qt,...,Qs); и Q, = qt(x) является расчетным показателем. При замене сигнала его дискретными значениями Ат формируется значение критерия целевой функции

К = F(<J, Ur )>•». qs iAsr)) = F(<7, {Pi (x, t)\..., qs {ps (x, г))), характеризующее технико-экономическую эффективность системы.

Таким образом, наиболее достоверное значение критерия целевой функции VT(x) определяется набором значений, получаемых с помощью различных операторных преобразований Р(х,т). Выбор операторов Р(х, т) тем самым влияет на качество и эффективность функционирования технической системы или устройства путем обеспечения оптимальности по критерию VT(x).

Прикладную функциональную модель (ПФМ) информативного сигнала определим как набор операторов Рд^,т)={Р1{х,т)}, i = l,...,s, обеспечивающих

оптимальность системы контроля по критерию Ут(х). Эта модель может быть реализована путем нелинейного усреднения сигнала на временном интервале и определения числового значения, соответствующего заданному моменту времени.

Сформированные на основе ПФМ дискретные значения, которые используются в качестве аргумента при вычислении расчетного параметра или показателя, и обеспечивающие наибольшую методическую точность этого значения в процессах обработки информации и принятия решений при реализации целевой функции системы контроля, названы в данной работе прикладными функциональными значениями.

г

Аналоговый вычислитель

( FW<¡í

Г"

АЦП Ы Цифровой вычислитель 1 *

2г-*2

Прикладная функциональная модель

Рисунок 1. Структурные схемы определения расчетных величин: а) аналоговое вычисление, б) цифровое вычисление с использованием мгновенных значений, в) цифровое вычисление с использованием ПФМ

На рис.1 представлены структурные схемы

определения расчетного показателя 2 путем: методически точного аналогового вычисления

(а), а также цифровых вычислений по дискретным мгновенным

(б) и функциональным (в) значениям входного измерительного сигнала *(/), несущего информацию от объекта контроля. Прикладную функциональную модель

чтобы минимизировать

для АЦП следует выбрать таким образом, методическую погрешность Дш результата вычисления расчетной величины 2т, вызванную заменой непрерывных значений информативного сигнала дискретными, в том числе за счет устранения погрешности, возникающей вследствие дискретизации входного сигнала по времени.

На основе ПФМ разработан способ формирования значений информативного сигнала при его дискретизации по времени, устраняющий методическую погрешность расчетных параметров и показателей, вызванную заменой непрерывных значений дискретными, и способ формирования дискретных значений информативного сигнала при его агрегационном прореживании, позволяющий уменьшить число дискретных значений, без потери точности расчетного параметра или показателя.

Суть первого способа формирования значений непрерывного сигнала при его дискретизации по времени заключается в следующем.

Пусть входной измерительный сигнал х(г), получаемый наблюдением и несущий информацию о свойстве объекта контроля, непрерывно изменяющийся на некотором временном интервале от до /2, используется

при вычислении нелинейной расчетной величины Z, необходимой для принятия решения о годности:

г = крка1Пх(())Л, (1)

'1

где кр - коэффициент пропорциональности; ка - коэффициент усреднения. Расчетная функция £~(х(/)) может быть задана методикой выполнения измерения, физикой процесса, построена экспериментально и т.д.

Определим прикладное функциональное значение хр, исключающее методическую погрешность расчетной величины 2, вызванную заменой интеграла числовым значением:

2^крР(хг) = г. (2)

Используя обратную функциональную зависимость значение х ^

может быть представлено в следующем виде:

I

{ \

и

F

к р) \

(3)

1

Использование обратной функции в выражении (3) определяет требования неразрывности и непрерывности сигнала х(/), а также положительности и строгой монотонности функции /'\х) на интервале

Суть второго способа формирования значений при агрегационном прореживании дискретного сигнала, связанного с уменьшением числа дискретных значений без потери точности расчетного параметра или показателя, заключается в следующем.

Для дискретно заданной входной величины х множеством последовательных значений {х,},/ = 1 ...и, выражения (1) и (3) примут вид:

2 = крк±Р{х,), (4)

1=1

^ = (5)

если 2 является усредняющим показателем, то ка = —.

Выражения (3), (5) полностью определяют способ получения дискретных прикладных функциональных значений в том случае, если входной измерительный сигнал х(г) полностью определен на интервале.

Предложенный первый способ формирования дискретных значений непрерывного сигнала при его дискретизации по времени позволяет устранить методическую погрешность расчетного параметра или показателя, вызванную заменой непрерывных значений дискретными.

Предложенный второй способ формирования значений дискретного сигнала при его агрегационном прореживании позволяет при уменьшении числа дискретных значений в целое число раз сохранить точность значения расчетной величины.

Детальные исследования данных способов приводятся в 3 и 4 главах.

В главе 3 на основе ПФМ исследуется предложенный в гл. 2 способ формирования значений непрерывного сигнала при его дискретизации по времени на некоторой произвольной совокупности временных интервалов.

Подлежащая дискретизации величина х используется при вычислении некоторой обобщенной величины Z вида(1).

Расчетная величина Z на временном интервале от до ¡п при дискретном

представлении непрерывного сигнала x{t) будет определяться совокупностью

дискретных значений X = {*,}.' = 1-", полУченных с

использованием некоторого оператора Р: X = /•[*(/), Д/]. Вид оператора Р должен определяется применяемым функциональным преобразованием F{x).

Выполним равномерную дискретизацию по времени с шагом At непрерывного сигнала *(/). Определение дискретных значений х,, соответствующих моменту времени , где / = 1 ...п, осуществляем на основании равенства:

Z = kX\F{x{t))dt = кркаА&(х,), (6)

'о

т.е. интегральная сумма, вычисляемая по (6), будет точно соответствовать значению расчетной величины Z, определяемой выражением (1).

Далее для каждого момента времени вычисляется интегральное значение:

Wi= '\F(x{t))dt. (7)

Формула (7) используется для определения прикладных функциональных дискретных значений:

(8)

обеспечивая, таким образом, выполнение условия (6) вследствие равенств = учитывая при этом, что из выражения (8)

'о

следует Щ = /г(дг^)Д/.

В более общем случае неравномерной дискретизации, часто возникающей при формировании последовательностей измерительных сигналов в системах сбора технологических данных, временные значения У = {?,},! = 1-й

выбираются в произвольной совокупности последовательных моментов времени Т = {/,},/ = 0...и,/0 </, <„.</„,для вычисляемой величины 2:

г = крк±Р(х,)((,(9)

интегральное значение Щ будет определяться как:

ИГ, = '¡ГШУЛ, (10)

'i-i

а функциональные дискретные значения величины х\

xfl=F~

JH л

*Л 1 J

(П)

Использование функциональных значений х(, (8), (И) при представлении

исходных данных в цифровом виде позволяет полностью устранить погрешность расчетного параметра или показателя, вызываемую заменой непрерывных значений дискретными, тем самым увеличить точность расчетного параметра и показателя, что позволит достигнуть цели данной работы, а именно - повысить достоверность контроля.

В связи с тем, что строгое равенство интегральных сумм (6) или (9) значению Z не зависит от шага дискретизации At, его выбор может быть осуществлен на основании технических и эргономических требований к представлению расчетных данных в системах контроля.

Рассмотрены аспекты применения прикладных функциональных значений в процессе дискретизации исходного непрерывного сигнала х(/) в сравнении с традиционными способами дискретизации. Погрешность, вызванная заменой непрерывного сигнала множеством дискретных мгновенных значений,

__п

определяется как AZM=Z-Z, где Z = kpkaAt'Z,P'(x(ti)) взято для

/=1

^ п

равномерной дискретизации и 2 ka£F(x(ti)) (t, -) для неравномерной.

1=1

Нелинейность функции F(x) приводит к тому, что эта погрешность Д m может быть устранена только за счет использования прикладных функциональных значений так как другие виды усреднения, например

арифметическое, позволяют лишь ее уменьшить.

С целью сравнительного анализа применения прикладных функциональных (8), (11), мгновенных и среднеарифметических значений тестового сигнала x(t) = 0,4 + 0,25 cos(2,75/) + 0,04 cos(9/ +1) проведено исследование погрешности, возникающей при замене непрерывных значений сигнала

дискретными, интегрального показателя вида Z = R\x2dt.

о

0,6 0:3 0,4 0.3 0.2 0.1

г-----♦ / V

1 ' Т ¿А

■/ /

\

V ч / 1

10 20 30 40 50

—-*(<) о х. « хл Рисунок 2. Дискретизация непрерывного сигнала

1,0

0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 ■2,0

Исследование дискретизации по времени проведено с использованием (рис. 2)

мгновенных значений х{ = ), средних

] '<

арифметических значений ха = — [х^А и

прикладных функциональных значений на

1 [¡Г~

основании (8):

Щ = Л \хги)й1 на интервале Д/.

На рис. 3 отображены зависимости результата величины 2, вычисляемой по мгновенным х,, средним ха и функциональным х ^ значениям. При этом

результаты вычисления показателя X представлены следующими функциями

.2

накопленных

сумм: 2

у=0

>=0

>

где

пппппчнш пин шн шпини ишппинштн

0 10 20 30 40 50 т

Рисунок 3. Зависимость результата расчетной величины от исходных дискретных значений Д

—зео—

д л

7С

0 Д24Г

Рисунок 4. Методические погрешности расчетного показателя, вызванные заменой непрерывных значений дискретными

у=о

т = [тШ\, дг0 =*с0 =х/0 =0.

Проведенные исследования показали, что традиционная равномерная дискретизация по мгновенным значениям х, приводит к появлению погрешности 4ш, значение которой в относительном выражении находится в пределах ±2% от значения измеряемой величины. Применение средних значений хС(. характеризуется примерно тем же уровнем погрешностей Д2С, которые имеют преимущественно систематический характер (рис. 4). Результаты исследования и представленные на рис. 3 зависимости подтверждают, что применение прикладных функциональных значений (8) позволяет полностью устранить методические погрешности Аш и А2С, вызванные заменой непрерывных значений дискретными. Показано, что применение

данного способа формирования значений подтверждает эффект повышения точности расчетных величин при выполнении косвенных измерений.

В работе изложены принципы построения трех аналого-цифровых преобразователей (АЦП) с использованием предложенного способа формирования значений непрерывного сигнала при дискретизации по времени на основе ПФМ: одноканальный АЦП, АЦП с аналоговым интегратором, универсальный АЦП с программной обработкой информации. Отличие способов аналого-цифрового преобразования традиционного типа от преобразования с использованием ПФМ, заключается в том, что при дискретизации по времени необходимо обеспечить вычисление прикладных функциональных значений, определяемых в общем случае преобразованием (8). Это преобразование может быть как аппаратное с использованием аналоговых или цифровых вычислительных устройств, так и программное.

Структурная схема одноканального АЦП для систем контроля по расчетным параметрам и показателям, использующего аналоговый функциональный преобразователь и интегрирующий АЦП, представлена на рис. 5.

Рисунок 5. Одноканальный АЦП, построенный с использованием ПФМ

Исходный непрерывный сигнал x(t) после прохождения функционального измерительного преобразователя (ФИП), осуществляющего аналоговое функциональное преобразование F(x), преобразуется интегрирующим АЦП в цифровую последовательность чисел, соответствующих значениям (7), которые в цифровом вычислителе ВУ1 преобразуются в функциональные значения xfl

(8). Полученные значения обрабатываются вычислительным устройством обработки информации системы контроля ВУ2, включая окончательное вычисление F(xj¡), или же накапливаются в устройстве хранения данных (УХД).

Для подтверждения повышения точности вычисляемой по (1) величины Z с использованием предложенных схем АЦП с прикладной функциональностью и проведения сравнительного анализа с традиционным способом аналого-цифрового преобразования входного сигнала x(í) с последующим вычислением значения Z, проведены исследования с применением имитационного моделирования. Для моделирования в платформе Lab View 2009 (National

Instruments™) разработан виртуальный прибор с использованием визуальных компонентов, входящих в стандартные библиотеки Lab View.

Показано, что применение способа формирования дискретных значений информативного сигнала позволяет исключить погрешность расчетных параметров и показателей, вызванную заменой непрерывных значений дискретными, и составляющую 6-9 % в относительном выражении.

Проведенные исследования показали, что при использовании предложенного способа существенно уменьшается и погрешность квантования по уровню, как составляющая погрешности расчетной величины Z. Она становится пренебрежимо малой в случае, когда значение выбранного шага квантования не превышает 0,2 % от диапазона изменения сигнала на выходе преобразователя. Уменьшение погрешности, вызванной квантованием по уровню, объясняется тем, что в отличие от традиционных АЦП, осуществляющих преобразование исходного сигнала x(t), в прикладном функциональном АЦП квантование по уровню производится с интегральным значением, определяемым выражением (7), отнесенным к шагу дискретизации.

В главе 4 исследуется предложенный в гл. 2 способ формирования значений дискретных временных рядов данных при их агрегационном прореживании. Практическое применение данного способа оправдано в подсистемах подготовки данных к анализу и принятию решений о годности. Под агрегационным прореживанием понимается преобразование временного ряда данных, осуществляющее замену множества значений, принадлежащих одному временному интервалу, одним. Способ позволяет осуществлять как равномерное, так и неравномерное прореживание с определением прикладных функциональных значений исходной величины. Он позволяет сохранить на прежнем уровне погрешность расчетного параметра или показателя, вызванную заменой непрерывных значений дискретными в случае уменьшения количества значений в целое число раз. Отличием данного способа от децимации (выбора одного мгновенного значения из нескольких) является вычисление нелинейного среднего для агрегируемого множества значений.

После равномерного прореживания в M раз первичной дискретной последовательности значений X~{x¡},i = 1...и, используемой в дальнейшем для вычисления значений расчетной величины Z обобщенного вида (4),

формируется новая последовательность: Y = {у = M)X,j = 1 ..m,m = —.

Условием формирования прикладных функциональных значений Yf = {у£\

будем считать отсутствие увеличения погрешности показателя Z, вызванной заменой непрерывных значений дискретными, т. е. выполнение равенства:

kpkaMtF(yfl) = kpkaÍF(Xi) = Z. (12)

Для каждой заменяемой выборки дг.....вычисляется сумма:

м

Wj = Y.F(xu_m.k), (13)

к=i

которая используется для определения прикладных функциональных значений:

У л

= F'

Ъ.

(14)

обеспечивая, таким образом, выполнение условия (12) вследствие равенства:

ю ЛУ т т

>14-1 >1 >1

Исходя из (12), значение (14) является функциональным для усредняющего

1 " коэффициента ка: при ка=— расчетная величина равна 2 = — £ Г(х:); при

п п м

1 М т

к =—, 2 = к —ЦР(У/})- Отметим, что отсутствие методической т т 7=1

погрешности расчетного параметра или показателя при использовании прикладных функциональных значений (14) справедливо для любого Л/е {2,3,..., и}.

В общем' случае, представленный способ может быть применен и для неравномерного агрегационного прореживания с произвольной совокупностью

коэффициентов М = {л/у-}, =и. В этом случае выражения (12) - (14)

.Н

будут представлены в виде:

т п

крка 1М^(У/1) = крка 1^(Х,) = 7, (15)

>1

(16)

ы

(17)

Использование функциональных значений уj¡ (14) и (17) в процессах

формирования первичной информации в дискретном виде позволяет оставить без изменения погрешность, вызванную заменой непрерывных значений дискретными в случае уменьшения количества значений в М раз.

Выполнены исследования по сравнительному анализу точности расчетных параметров и показателей, имеющих место при децимации и среднеарифметическом усреднении временных последовательностей данных с помощью имитационного моделирования в среде Lab View (National Instruments™).

Эти исследования показали (рис. 6), что погрешность расчетной величины 2, вызванная заменой непрерывных значений дискретными, при децимации и среднеарифметическом усреднении для

больших значений коэффициента М >5 увеличивается в 2-3 раза.

При использовании описанного способа, погрешность расчетной величины, вызванная заменой непрерывных значений дискретными не изменяется, что приводит к сохранению ее точности.

В главе 5 исследована применимость предложенных способов в системах и устройствах контроля расхода и количества вещества с использованием расходомеров переменного перепада давления.

Представлены результаты исследований по сравнительному анализу точности определения расхода топливного газа в системе автоматического регулирования на энергоблоке №11 Сургутской ГРЭС-1. В результате обработки эксплуатационных данных о контролируемых параметрах установлено, что применение разработанных способов при изменении периода дискретизации сигналов давления и перепада давления, используемых при вычислении расхода и объемного количества газа, приводит к повышению точности регулируемых параметров за счет устранения методической погрешности, вызванной заменой непрерывных значений дискретными, достигающей 1,8 % от абсолютных значений этих величин.

Для выполнения этих исследований по определению погрешностей измерения расхода и количества вещества и вероятностей ошибок при контроле разработана исследовательская программа, функциональная структура которой представлена на рис. 7 с использованием методологии ГОЕРО.

Рисунок 6. Зависимости погрешностей дискретизации от коэффициента прореживания

Рисунок 7. Структура исследовательской программы

Программа позволяет на основе алгоритмов статистического моделирования стохастических процессов моделировать исходные сигналы перепада давления, определять погрешности и вероятностные характеристики достоверности контроля расхода и количества вещества, выполнять сравнительный анализ ошибок контроля при использовании дискретных мгновенных и прикладных функциональных значений. С использованием этой программы проведено исследование погрешностей расхода, вызванных дискретизацией по времени сигнала перепада давления.

В ходе экспериментальных исследований достоверности контроля проведено определение вероятностей ошибок 1-го и 2-го рода при контроле расхода при стационарном и переменном режимах течения среды, а также при

допусковом контроле количества вещества в устройстве дозирования непрерывного действия. На рис. 8 приведены зависимости вероятностей ошибок контроля от параметра <2» определяющего положение допусковой границы относительно центра нормированного распределения плотности вероятности расхода.

р

0,045 0.04

0,035 !.......

0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005

о

/......V.

/..........\

А/-

V

V

Р2/

/....../X

..................

........

0.« 0,8 1 Рисунок 8. Вероятности контроля расхода по

1,2 1,4 1,6 1,8 й ошибок 1-го и 2-го рода мгновенным ( р¡т, Р2т ) 11

функциональным (P2f )

значениям

Исследования показали, что использование прикладных функциональных значений исходного сигнала перепада давления позволяет устранить зависимость вероятностей ошибок контроля от шага дискретизации по времени, повысив тем самым достоверность контроля расхода и количества вещества при существенных высокочастотных составляющих в амплитудных пульсациях потока.

В таблице ниже приведены значения максимальных вероятностей ошибок контроля расхода ртвт и р/тт, возникающих при использовании мгновенных и функциональных значений соответственно, в зависимости от шага дискретизации по времени Д/ и относительного шага квантования по уровню

еи = —100%, где Ар0 - среднее значение перепада давления, а А1! - шаг квантования по уровню.

Таблица - Максимальные вероятности ошибок контроля расхода

Д í,mc

100 200 500 1000

Рт max Р/ max Ртт ах Р/ max Рт шах Pf шах Рттах Р/ шах

0,1 0,079 0,076 0,085 0,076 0,172 0,077 0,261 0,079

0,25 0,085 0,077 0,089 0,077 0,175 0,078 0,267 0,080

0,5 0,086 0,078 0,093 0,078 0,179 0,078 0,269 0,081

1 0,086 0,078 0,094 0,078 0,180 0,078 0,270 0,081

Данные получены для сигнала, моделирующего стационарный режим течения жидкости с относительной амплитудой пульсаций потока, равной 0,13, и неопределенностью расхода без учета погрешностей, вызванных заменой непрерывных значений цифровыми, составляющей 0,5 %.

Результаты моделирования показали, что вероятность ошибок контроля расхода и количества вещества возрастает при увеличении периода дискретизации по времени сигнала перепада давления. Применение функциональных значений эту зависимость устраняет, что подтверждает теоретические положения, приведенные в работе.

Таким образом, эффективность применения прикладного функционального моделирования при контроле расхода и количества вещества достигается в случае, когда погрешность, вызванная заменой непрерывных значений дискретными, является одной из доминирующих погрешностей в структуре составляющих полной погрешности расчетного параметра или показателя.

В заключении перечисляются основные результаты работы, и отражается полезность достигнутых результатов для практического использования.

В приложениях приведены результаты вычислительного эксперимента по главам 3 и 4, с использованием моделирования в среде Lab View, акты подтверждающие внедрение отдельных результатов работы и протоколы калибровки измерительных каналов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ основных причин возникновения погрешностей расчетных параметров и показателей в системах контроля расхода веществ, к которым следует отнести: изменение физической величины и внешней среды во время выполнения контроля, дискретное представление информации, погрешности численных процедур вычисления, приближенный характер аппроксимационной модели информативного сигнала. Сформулированы общие требования к разрабатываемым методикам определения расчетных параметров и показателей в дискретных приборах и средствах контроля расхода веществ.

2. Предложена прикладная функциональная модель информативного сигнала, учитывающая целевую функцию системы контроля расхода веществ при дискретизации и агрегационном прореживании сигнала. Данная модель используется при формировании дискретных значений и определяет требования к алгоритмическому и программно-техническому обеспечению процессов обработки сигналов в цифровых системах контроля.

3. Разработаны способы формирования дискретных значений информативного сигнала, являющихся аргументами интегрально-функциональных преобразований, при дискретизации по времени и агрегационном прореживании. Эти способы учитывают нелинейность функциональной зависимости и минимизируют методическую погрешность расчетного параметра или показателя.

4. Выполнены экспериментальные исследования погрешностей и вероятностей ошибок контроля расхода вещества, подтвердившие теоретические положения о повышении достоверности контроля с использованием предложенных способов. Данные исследования показали, что разработанные способы формирования дискретных значений позволяют уменьшить вероятность ошибок контроля на 2-4 %.

5. Эффективность разработанных способов подтверждена результатами анализа эксплуатационных данных в системе регулирования расхода топливного газа на энергоблоке №11 Сургутской ГРЭС-1. Показано, что они устраняют достигающую 1,8% в относительном выражении методическую погрешность расхода и объема газа, вызванную заменой непрерывных значений дискретными. Применение прикладного функционального моделирования в действующей системе управления технологическим процессом приводит к повышению точности косвенного измерения расхода. Об этом можно судить по представленным в приложении 3 протоколам калибровки измерительного канала. Применение предложенного способа привело к уменьшению приведенной погрешности измерительного канала с 0,12 % до 0,08 %.

Предложенные способы формирования дискретных значений информативных сигналов предназначены для усовершенствования методического, алгоритмического и программного обеспечения цифровых систем контроля. Их применение позволит снизить вычислительную нагрузку и повысить быстродействие цифровых приборов и средств контроля различного назначения.

Применение способов формирования дискретных значений информативных сигналов не ограничивается только областью контроля расхода веществ, т.к. эти способы имеют универсальный характер и могут быть использованы в широкой сфере применения аналитического и перазрушающего контроля по расчетным параметрам и показателям.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендуемых ВАК для публикации результатов кандидатских и докторских диссертаций:

1. Чуканов С. Н, Прикладное функциональное моделирование количественных величин в информационных и измерительных системах / С. Н. Чуканов, В. Н. Цыганенко, А. Г. Велик// Системы управления и информационные технологи». - 2007. - № 1.3(27). - С. 402-408.

2. Чуканов С. Н. Принципы прикладного функционального моделирования многомерных величин /С. Н. Чуканов, В. Н. Цыганенко, А. Г. Велик // Системы управления и информационные технологии. -2007 - № 4.2(30). - С. 303-307.

3. Цыганенко В. Н. Нелинейные прикладные функциональные модели и их использование в дискретных измерительно-вычислительных системах / В. Н. Цыганенко,

A. Г. Велик // Системы управления и информационные технологии. - 2009. - № 1(35). - С. 68-71.

4. Цыганенко В. Н. Дискретизация измерительных сигналов на основе прикладных функциональных моделей / В. Н. Цыганенко, А. Г. Велик // Цифровая обработка сигналов. -2009.-№2.-С. 58-60.

Свидетельство о регистрации программ для ЭВМ:

5. Велик А. Г. Программа «Моделирование достоверности контроля расхода и количества вещества»: свидетельство о регистрации электронного ресурса № 16730 / В. Н. Цыганенко, А. Г. Велик. - № 50201150212; заявл. 01.02.2011; опубл. 02.02.2011, Хроники объединенного фонда электронных ресурсов «Наука и образование». - № 2 (21).

Публикации в материалах международных и всероссийских научно - практических конференций:

6. Цыганенко В. Н. Предальтернансное прореживание временных рядов при подготовке данных к анализу наилучшим равномерным приближением / В. Н. Цыганенко, А. Г. Велик // Сб. трудов IV Всеросс. науч.-практ. конф. «Молодежь и современные информационные технологии». - Томск: ТПУ, 2006. - С. 162-164.

7. Цыганенко В. Н. Использование принципа прикладной функциональности при интерпретации результатов измерений непрерывных величин / В. Н. Цыганенко, А. Г. Велик // Труды РНТОРЭС им. A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Обработка измерительной информации: Доклады 10-й Междунар. конф. - М.: Инсвязьиздат, 2008. -Т-2,- С. 532-534.

8. Велик А. Г. Повышение достоверности косвенных измерений на основе прикладного функционального моделирования / А. Г. Велик, В. Н. Цыганенко // Труды РНТОРЭС им. A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Обработка измерительной информации: Доклады 10-й Междунар. конф. - М.: Инсвязьиздат, 2008. - Т-2. - С. 529-531.

9. Велик А. Г. Повышение достоверности оценивания количественных величин на основе прикладного функционального моделирования / А. Г. Велик // Сб. материалов II Междунар. науч. конф. «Информационно - математические технологии в экономике, технике и образовании. Прикладные аспекты моделирования и разработки систем информационно-аналитической поддержки принятия решений». - Екатеринбург: УГТУ -УПИ, 2008,-№4.-С. 176-182.

10. Велик А. Г. Применение принципов прикладной функциональности при дискретизации непрерывных сигналов / А. Г. Велик, В. Н. Цыганенко // Труды VIII Междунар. науч. - техн. конф. «Новые информационные технологии и системы». - Пенза: ПГУ,2008,-4.2.-С. 23-31.

11. Велик А. Г. Прикладное функциональное моделирование переменного перепада давления при дискретных измерениях расхода жидкости и газа / А. Г. Велик,

B. Н. Цыганенко // Труды РНТОРЭС им. A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Обработка и передача измерительной информации: Доклады XI Междунар. конф. - М.: Инсвязьиздат, 2009. - Т - 2. - С. 518-521.

12. Цыганенко В. Н. Применение прикладного функционального моделирования в дискретных системах автоматического регулирования /В. Н. Цыганенко, А. Г. Велик // Труды РНТОРЭС им. A.C. Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Обработка и передача измерительной информации: Доклады 11-й Междунар. конф. - М.: Инсвязьиздат, 2009. - Т - 2. - С. 521-524.

13. Белик А. Г. Применение прореживания временных рядов в системах обработки данных на основе ПФМ / А. Г. Белик II Сб. материалов Ш Междунар. науч. конф. «Информационно-математические технологии в экономике, технике и образовании. Прикладные аспекты информационно-аналитического моделирования и обработки информации». - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. - № 5. - С. 24-30.

14. Белик А. Г. Семантическое моделирование автоматизированных систем контроля и управления / А. Г. Белик, В. Н. Цыганенко // Труды 111 Всеросс. науч. - техн. конф. «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!». -Омск: ОмГТУ, 2010. - С. 131-134.

15. Белик А. Г. Способ формирования отсчетов при прореживании измерительных данных в системах контроля и управления / А. Г. Белик//Труды III Всеросс. науч. - техн. конф. «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!». - Омск: ОмГТУ, 2010. -С. 135-138.

16. Белик А. Г. Исследование работы аналого-цифрового преобразователя для систем контроля по расчетным показателям / А. Г. Белик, В. Н. Цыганенко // Труды IX Междунар. науч. - техн. конф. «Новые информационные технологии и системы». - Пенза: ПГУ, 2010. -С. 161-169.

17. Белик А. Г. Исследование дискретного представления сигналов в системе контроля расхода топливного газа на Сургутской ГРЭС-1 / А. Г. Белик//Материалы IV Всерос. молодежной науч. - техн. конф. с междунар. участием «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность!». - Омск: ОмГТУ, 2011. - С. 150-154.

Публикации в материалах межвузовских конференций:

18. Белик А. Г. Применение принципа прикладного функционального моделирования при интерпретации результатов измерений в ИВС / А. Г. Белик // Обработка информации и управление. Теория и практика: сб. докладов научно-практ. конф. каф. АСОИУ ОмГТУ -Омск: ОмГТУ, 2008. - С. 43-45.

19. Белик А. Г. Семантическое моде.игрование измерительных вычислительных систем / А. Г. Белик // Информационные технологии и автоматизация управления: матер, межвуз. науч.-лракт. конф. ОмГТУ. - Омск: ОмГТУ, 2009. - С. 41-43.

20. Белик А. Г. Измерительный АЦП с функциональной интерпретацией непрерывного сигнала. Часть 1. Принцип действия / А. Г. Белик, В. Н. Цыганенко // Сб. материалов II межвуз. науч. - практ. конф. ОмГТУ «Информационные технологии и автоматизация управления». - Омск: ОмГТУ, 2010. - С. 154-156.

21. Белик А. Г. Измерительный АЦП с функциональной интерпретацией непрерывного сигнала. Часть 2. Моделирование и анализ точности / А. Г. Белик, В. Н. Цыганенко // Сб. материалов И межвуз. науч. - практ. конф. ОмГТУ «Информационные технологии и автоматизация управления». - Омск: ОмГТУ, 2010. - С. 157-159.

22. Белик А. Г. Исследование методической погрешности вычисляемых значений при агрегационном прореживании / А. Г. Белик, В. Н. Цыганенко // Сб. материалов II межвуз. науч. - практ. конф. ОмГТУ «Информационные технологии и автоматизация управления». -Омск: ОмГТУ, 2010. - С. 80-83.

23. Белик А. Г. Исследовательская программа по моделированию достоверности контроля расхода и количества вещества / А. Г. Белик, В. Н. Цыганенко // Материалы 111 научно - практической конференции ОмГТУ «Информационные технологии и автоматизащи управления». - Омск: ОмГТУ, 2011. - С. 201-203.

24. Белик А. Г. Исследование погрешностей расхода и количества вещества в цифровых системах контроля / А. Г. Белик, В. Н. Цыганенко // Материалы 111 научно - практической конференции ОмГТУ «Информационные технологии и автоматизация управления». - Омск: ОмГТУ, 2011.-С. 58-60.

25. Белик А. Г. Исследование достоверности контроля расхода методом переменного перепада давления / А. Г. Белик, В. Н. Цыганенко И Материалы III научно - практической конференции ОмГТУ «Информационные технологии и автоматизация управления». - Омск: ОмГТУ, 2011.-С. 61-64.

Другие публикации:

26. Цыганенко В. Н. Способ аналого-цифрового преобразования измерительных сигналов. Заявка на изобретение / В. Н. Цыганенко, А. Г. Белик // Официальный бюллетень Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам «Изобретения. Полезные модели».-№ 4. -2011. -2 с.

Отпечатано на дупликаторе в полиграфической лаборатории кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии» Омского государственного технического университета 644050, г. Омск, ул. Мира, 11

Подписано в печать 10.01.2012 Формат 60x84 1/16, Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.п.л. 1,0. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Тип.зак. 1 Заказное

61 12-5/1969

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

На правах рукописи

ВЕЛИК АЛЕВТИНА ГЕОРГИЕВНА

СПОСОБЫ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ ПРИ КОНТРОЛЕ РАСХОДА ВЕЩЕСТВ ПО РАСЧЕТНЫМ ПАРАМЕТРАМ И ПОКАЗАТЕЛЯМ

Специальность: 05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Чуканов С. Н.

Омск-2012

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ.....................;.................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.... 17

1.1. О специфике контроля по расчетным параметрам и показателям.............17

1.2. Погрешности расчетных параметров и показателей...................................24

1.3. Системные свойства измерений и контроля.................................................35

1.4. Особенности формирования дискретных значений информативных сигналов............................................................................................................43

1.5. Выводы.............................................................................................................50

2. ПРИКЛАДНОЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНФОРМАТИВНЫХ СИГНАЛОВ..........................................................51

2.1. Прикладное функциональное моделирование.............................................51

2.1.1. Основные аспекты прикладных функциональных моделей.......................51

2.1.2. Пример использования прикладной функциональной модели...................53

2.2. Способы формирования функциональных значений..................................56

2.2.1. Способ формирования значений непрерывного сигнала при дискретизации..................................................................................................58

2.2.2. Способ формирования значений при агрегационном прореживании дискретного сигнала........................................................................................60

2.3. Структуры систем контроля с использованием прикладного функционального моделирования.................................................................62

2.4. Выводы.............................................................................................................66

3. ФОРМИРОВАНИЕ МНОЖЕСТВ ЗНАЧЕНИЙ ИНФОРМАТИВНОГО СИГНАЛА ПРИ ДИСКРЕТИЗАЦИИ............67

3.1. Множество функциональных значений сигнала..........................................67

3.2. Применение функциональных значений в косвенных измерениях...........70

3.3. Принципы построения прикладного функционального аналого-цифрового преобразователя...............................................................................................

3.4. Исследование погрешности расчетной величины вызванной

дискретизацией................................................................................................81

2

3.5. Выводы.............................................................................................................88

4. АГРЕГАЦИОННОЕ ПРОРЕЖИВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ ДАННЫХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ....................................................................................................89

4.1. Прореживание дискретных сигналов в системах контроля........................89

4.2. Формирование значений дискретного сигнала при агрегационном прореживании..................................................................................................91

4.3. Сравнительный анализ точности расчетных величин при агрегационном прореживании..................................................................................................93

4.4. Выводы...........................................................................................................111

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ДОСТОВЕРНОСТИ КОНТРОЛЯ РАСХОДА И КОЛИЧЕСТВА ВЕЩЕСТВА....................................................................112

5.1. Исследование процесса контроля расхода и количества вещества методом перепада давления.........................................................................................112

5.2. Исследование процесса контроля расхода топливного газа на Сургутской ГРЭС-1............................................................................................................120

5.3. Описание исследовательской программы...................................................125

5.4. Моделирование и исследование погрешностей расхода и количества вещества..........................................................................................................134

5.5. Моделирование и исследование достоверности контроля расхода.........139

5.6. Моделирование и исследование достоверности контроля количества вещества в дозирующих устройствах..........................................................147

5.7. Выводы...........................................................................................................151

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................152

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................155

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Экспериментальные данные к главе 3.....................174

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Экспериментальные данные к главе 4.....................183

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Протоколы калибровки измерительного канала.....194

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акты внедрения результатов работы.......................196

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

БД - база данных;

ВУ - вычислительное устройство;

ИК - измерительный канал;

MA - модуль аппроксимации;

МФЗ - модуль формирования значений;

ПС СПОД - подсистема сбора и первичной обработки данных;

ПФМ - прикладное функциональное моделирование;

СОИ - система обработки информации;

СПИ - система представления информации;

ТИ - тактовый импульс;

ТЭП - технико-экономические показатели;

УК - управляющий комплекс;

УУ - устройство управления;

ФИС - формирователь измерительного сигнала;

ХД - хранилище данных;

ЦИУ - цифровое измерительное устройство;

DSS - decision support system, система поддержки принятия решений;

IDEF0 - integrated definition, методология функционального моделирования;

OLAP - on-line analytical processing, оперативная аналитическая обработка;

OLTP - on-line transaction processing, оперативная обработка транзакций;

SADT - structured analysis and design technique, методология структурного анализа и проектирования.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В современных цифровых системах и приборах контроля различного назначения, использующих вычислительную обработку информации, широкое использование в качестве контролируемых параметров находят расчетные показатели качества или параметры, определяемые косвенным методом измерения. Достоверность контроля, в случае применения в качестве контролируемых параметров расчетных величин, определяется их точностью, зависящей как от погрешностей измерения исходных величин, так и от погрешностей, возникающих в процессе вычислительной обработки. Точность и адекватность контролируемых расчетных величин являются критическими факторами, определяющими качество, работоспособность и эффективность функционирования объекта.

Одной из причин, приводящих к снижению точности расчетных величин, является представление непрерывного сигнала исходной величины дискретным множеством значений, при условии, что эта величина является аргументом интегрально-функционального преобразования в вычислительном процессе.

В настоящее время задача уменьшения погрешностей вычисления решается либо за счет уменьшения периода дискретизации, либо применением наиболее адекватных аппроксимационных моделей сигнала.

В то же время, получение более точного и достоверного результата вычисления при цифровой обработке исходных данных может быть достигнуто путем формирования таких дискретных значений сигнала, которые при подстановке в заданное интегрально-функциональное преобразование приводят к исключению или уменьшению погрешности расчетных величин, возникающей вследствие замены непрерывного информативного сигнала множеством дискретных значений.

Задача формирования дискретных значений величины, являющейся аргументом интегрально-функционального преобразования при вычислении

контролируемого параметра или показателя, может быть сформулирована в следующем виде:

1) пусть определена функция вычисления в виде функционального интегрирования, связывающая исходную величину, подвергаемую дискретизации или агрегационному прореживанию, и расчетный параметр или показатель;

2) пусть также определены интервал времени, в течение которого производится интегральная оценка расчетной величины и временные метки для цифровых значений исходного сигнала, заданного в непрерывном или дискретном виде;

3) необходимо, используя некоторое операторное преобразование, получить множество значений исходной величины в заданные моменты времени, подстановка которых в качестве аргумента в заданную функцию приведет к получению результата вычисления, равного или наиболее близкого значению, полученному без применения процедур дискретизации или агрегационного прореживания.

Достижение максимальной точности контролируемых расчетных параметров и показателей путем определения методически точных дискретных значений информативного сигнала становится возможным тогда, когда используемый для формирования дискретных значений оператор формируется с учетом заданной функции вычисления.

Изложенный подход к решению задачи повышения достоверности контроля расхода веществ по расчетным параметрам и показателям предлагается впервые. Он может быть использован в широком спектре приложений, в том числе при проектировании специализированных аналого-цифровых преобразователей, высокопроизводительных систем контроля расхода и количества вещества (жидкость, газ, пар и пр.) и энергии, систем мониторинга и управления технологическими процессами в электроэнергетике, химической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности,

отличающихся повышенными требованиями к достоверности выходной информации.

Результат вычислений может иметь различную прикладную направленность, что позволяет утверждать о наличии семантических связей между требованиями к методике получения дискретных значений и учитывать особенности объекта контроля. Поэтому формирование дискретных значений информативных сигналов должно осуществляться с использованием прикладных функциональных моделей, то есть моделей, учитывающих не только функциональные зависимости, используемые при определении искомых величин, но и специфику использования этих величин в процессах контроля, принятия решений и формирования управляющих воздействий. Результаты исследования прикладного функционального моделирования при формировании дискретных значений информативных сигналов позволят получить данные для предварительной адаптации методик измерений в системах контроля расхода вещества (массовый и объемный расход, количество вещества, коэффициент истечения, показатели нестационарности потока среды и др.), а также подготовки результатов контроля к последующему целевому применению.

Таким образом, актуальность тематики диссертационного исследования обусловлена созданием проблемно-ориентированных способов формирования дискретных значений исходных величин, используемых в качестве аргументов интегрально-функциональных преобразований для наиболее точного вычисления расчетных параметров и показателей, служащих основой для принятия решений при контроле расхода. Применение этих способов позволит оптимальным образом составить методику выполнения контроля, выбрать необходимое оборудование и определить соответствующие прикладному назначению объекта требования к представлению результатов в приборах и средствах контроля. Это позволит повысить качество и

эффективность производства продукции без существенного повышения накладных расходов на проведение контроля.

Цель и задачи работы. Целью настоящей диссертации является повышение достоверности контроля расхода веществ по расчетным параметрам и показателям за счет уменьшения методической погрешности расчетной величины, путем использования специальных способов формирования дискретных значений информативного сигнала, учитывающих целевую функцию системы контроля и функциональные связи между исходными величинами и расчетными параметрами и показателями.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач.

1. Выполнить анализ существующих методов определения и уменьшения погрешности расчетных параметров и показателей, вызванной заменой непрерывного сигнала дискретными значениями, а также сформулировать требования к алгоритмическому и программно-техническому обеспечению процессов обработки сигналов в системах контроля расхода веществ, обеспечивающих устранение или уменьшение этого вида погрешности.

2. Разработать проблемно-ориентированные модели информативного сигнала на основе учета особенностей объекта контроля в процессе формировании дискретных значений, обеспечивающих наиболее достоверное представление расчетных параметров и показателей, используемых для реализации целевой функции контроля.

3. Разработать способ формирования дискретных значений непрерывного сигнала, устраняющий погрешность расчетных параметров и показателей, возникающую при замене непрерывных значений сигнала дискретными.

4. Разработать способ формирования значений дискретного сигнала при его агрегационном прореживании с использованием функционального усреднения на заданном интервале времени, позволяющий уменьшить число

дискретных значений информативного сигнала без потери точности расчетного параметра или показателя.

5. Выполнить экспериментальную проверку методической точности измерения и достоверности контроля расхода веществ методом переменного перепада давления с использованием предложенных способов при решении задач аналого-цифрового преобразования, косвенных измерений, агрегационного прореживания временных рядов данных в приборах и системах контроля.

Методы исследований. При выполнении исследований в данной работе применялся аналитический подход, основанный на: методологиях структурного, системного и математического анализа; численных методах приближенных вычислений; обработке аналоговых и дискретных сигналов; использовании теоретических положений метрологии и теории систем. Исследования метрологических характеристик предложенных способов проводились с использованием имитационного моделирования в среде Lab View (National Instruments™).

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректной постановкой задач, строгостью применяемого математического аппарата, результатами численного имитационного моделирования, положительными результатами апробации в условиях промышленной эксплуатации при использовании разработанных способов, методик и алгоритмов.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1. Предложены прикладные функциональные модели информативных сигналов, учитывающие специфику объекта контроля и позволяющие повысить достоверность контроля расхода веществ по расчетным параметрам и показателям при формировании дискретных значений.

2. Разработаны способы формирования дискретных значений

информативного сигнала при контроле по расчетным параметрам и

9

показателям, позволяющие повысить точность расчетных величин при проведении процедур дискретизации по времени и агрегационного прореживания.

Практическая ценность выполненной работы заключается в том, что предложенные способы могут быть положены в основу построения специализированных аналого-цифровых преобразователей,

высокопроизводительных систем контроля расхода и количества вещества, систем мониторинга и управления технологическими процессами в электроэнергетике, химической, нефтегазодобывающей и других отраслях промышленности, отличающихся повышенным уровнем достоверности поставляемой ими выходной информации. Применение этих способов позволит уменьшить ресурсоемкость систем контроля расхода веществ, повысить скорость и оперативность обработки информации, что приведет к повышению эффективности производства продукции и энергии.

На основе предложенных способов формирования дискретных значений информативного сигнала, разработана методика определения расхода и объемного количества топливного газа, апробация которой на Сургутской ГРЭС-1 подтвердила эффект снижения погрешности расхода, вызванной дискретизацией по времени. На основе способа формирования значений непрерывного сигнала при его дискретизации по времени разработаны структурные схемы аналого-цифровых преобразователей для систем контроля, обеспечивающие уменьшение погрешности расчетного параметра или показателя, вызванной заменой непрерывных значений дискретными. Кроме того, такие аналого-цифровые преобразователи обладают повышенной помехоустойчивостью, что увеличивает информационную надежность цифровых приборов и средств контроля.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и её результаты докладывались и обсуждались на: IV Всероссийской научно -практической конференции «Молодежь и современные информационные

10

технологии» (Томск, 2006); на II и III Международных научных конференциях «Информационно - математические технологии в экономике, технике и образовании» (Екатеринбург, 2007, 2008); на X и XI Международных конференциях «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2008, 2009); на научно - практической ко