Введение к работе
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., КунцеХ.И., ХансуваровК.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., ЗографИ.А. ГлуховВ.И., КликушинЮ.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.
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.
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.
Разработать способ формирования дискретных значений непрерывного сигнала, устраняющий погрешность расчетных параметров и показателей, возникающую при замене непрерывных значений сигнала дискретными.
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:
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.
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.
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.
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.
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 VIII 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.
