Методы и устройства определения массовых долей компонентов сплава для систем управления качеством металлопродукции Липкин, Семен Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы. Развитие и совершенствование современного производства, связанного с получением и обработкой металлов и сплавов, во многом определяется возможностями создания гибких, адаптивных и интеллектуальных устройств автоматизации, контроля и управления. Необходимым элементом системы управления такими производствами является устройство определения массовых долей (УОМД) компонентов сплава, входящее в подсистемы входного, выходного и промежуточного контроля металлопродукции. Первичные преобразователи информации таких устройств должны характеризоваться высоким быстродействием, включая операции пробоподготовки, простотой обслуживания, а также многофункциональностью и универсальностью, так как в процессе производства зачастую необходима информация о многих составляющих сплава и их состояниях. Так, в системах управления сталеплавильным производством анализ содержания одного компонента сплава должен занимать не более 5 минут, так как из-за особенностей протекающих процессов при большем времени анализа информация о химическом составе расплава теряет свою актуальность. Перспективной основой разработки требуемых устройств является использование электрохимических методов анализа. Методологическая база таких устройств обеспечивает повышение технико-экономических и эксплуатационных характеристик как системы управления, так и всего производства.

Проблемы создания этих, принципиально новых устройств систем управления связаны с разработкой новой структуры и принципов функционирования гибких, адаптивных и интеллектуальных методов и алгоритмов обработки получаемой информации. Применение электрохимических методов определяет как особенности структуры самого устройства, так и электрохимического датчика. Вследствие упрощенной пробоподготовки данные, получаемые электрохимическим анализатором, представляют собой многомерные и сложно связанные информационные потоки. В связи с этим требуются особые принципы и алгоритмы их обработки. Перспективной базой для создания алгоритмов обработки этих потоков являются методы многомерного моделирования в сочетании с методами искусственного интеллекта. Такой подход является этапом создания интеллектуальных устройств, обеспечивающих неразрушающее экспресс-определение массовых долей молибдена, хрома, никеля, меди, марганца, углерода и других функционально значимых компонентов конструкционных и специальных сталей и сплавов и других металлокомпозиционных систем, диагностику остаточной емкости никель-кадмиевых аккумуляторов и защитных гальванических покрытий, а также анализ повреждений сплавов коррозией.

Работа выполнена в соответствии с приоритетным направлением развития науки, технологий и техники РФ «Информационно-телекоммуникационные системы» (утвержденным указом Президента РФ от 30.03.02 г. и переутвержденным 21.05.06 г.); научным направлением Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» (утвержденным решением ученого Совета университета от 25.01.03 г. и переутвержденным 01.03.06 г.); темой президиума ЮНЦ РАН «Моделирование и идентификация процессов в сложных электроэнергетических, электромагнитных системах и технологическом оборудовании», 2011-2012 годы (государственная регистрация №012001153665), а также в рамках грантов по федеральной целевой программе «Научные и научно- педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, гос.контр. № 14.740.11.0371, 2010 г и № 14.740.11.0966 от 05.05.2011(3).

Целью диссертационной работы является разработка структуры, принципов функционирования и основных алгоритмов работы УОМД, упрощающих процесс определения химического состава металлического сплава с сохранением требуемой точности, обладающих высокой адаптивностью, универсальностью для различных сплавов, простотой использования и многофункциональностью.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

анализ существующих методов и устройств определения состава сплавов в производстве и обработке металлов;

разработка структуры и формулировка принципов функционирования устройства определения массовых долей компонентов сплава;

выбор и адаптация способов преобразования результатов измерений к задачам электрохимической экспресс-идентификации;

адаптация к задачам определения массовых долей составляющих сплава аппроксима- ционных, нечетких и нейросетевых методов для расчёта массовой доли компонента сплава;

исследование возможностей расширения области применения разработанного устройства и его методологической базы;

аппаратная и программная реализация выбранных алгоритмических решений;

исследование точности работы устройства электрохимического экспресс-анализа и апробации полученных программно-алгоритмических решений в практике экспресс-анализа различных металлов и сплавов.

Методы исследований и достоверность результатов. Экспериментальные данные контролировались с помощью автоматизированного УОМД на основе инверсионной хроно- потенциометрии, обеспечивающего точность измерения напряжения не менее 1 мкВ и прошедшего поверку в соответствии с установленным порядком. Исследованию подвергались образцы сплавов никеля, меди, молибдена, железоуглеродистые сплавы государственного научно-исследовательского и проектного института редкометаллической промышленности, а также металлопродукция, состав которой определяли параллельно методами химического и рентгеноспектрального анализа. Достоверность полученных в работе результатов определяется использованием современной измерительной техники, обеспечивающей достаточную точность измерения потенциала, применением различных независимых методов исследований, корректным использованием математического аппарата моделирования и обработки.

Объектом исследования являются принципы функционирования, структура и необходимая методологическая база УОМД, включающая в себя методы преобразования данных измерений и алгоритмы количественного определения массовых долей.

Предметом исследования является устройство определения массовых долей составляющих сплава, формирующее выборки электрохимических измерений на сериях эталонных образцов различного состава, а также массивы измерений на образцах металлов и сплавов в процессе апробации полученных методик.

Научная новизна:

1. 1. Предложена новая структура УОМД и электрохимического датчика, позволившие реализовать новые подходы к анализу состава сплавов, расширить функциональные возможности устройства, в частности, давшие возможность осуществлять определение массовых долей молибдена, хрома, никеля, меди, марганца, углерода и других элементов.

   2. Сформулирован принцип функционирования УОМД на основе двухступенчатого алгоритма экспресс-идентификации, сделавший возможным использование хронопотенцио- метрии для реализации УОМД. Этот алгоритм позволяет с погрешностью не более 11 % за время до 5 мин определять массовую долю искомого компонента сплава по хронопотенцио- грамме образца данного сплава.

   3. Предложен эффективный адаптивный метод преобразования данных хронопотен- циометрии в УОМД, основанный на применении декомпозиционного метода моделирования (ДММ) и позволяющий, в отличие от существующих аналогов, эффективно (с погрешностью обратного преобразования до 3 %) значительно (в 15-20 раз) снизить размерность получаемых хронопотенциограмм вне зависимости от вида протекающего химического процесса. Используемый ортогональный базис минимальной размерности обеспечивает максимальную точность и устойчивость определения массовой доли составляющей сплава.

   4. Впервые для оценки эффективности преобразования данных электрохимической экспресс-идентификации в УОМД использованы диаграммы Г.Ф. Вороного (ДВ), полученные на кластерах обучающей выборки, а также самоорганизующиеся карты признаков (self- organizing map - SOM), что позволило сформулировать новые критерии оценки эффективности преобразования, снижающего размерность данных хронопотенциометрии.

   5. Впервые описан и применен метод оценки обобщающей способности моделирования данных на основе анализа полной дифференциальной чувствительности. Данный метод позволяет адаптивно определять адекватность настройки параметров модели определения массовой доли в УОМД и не учитывать реакцию модели на грубые ошибки измерения при оценке обобщающей способности за счет использования параметра чувствительности модели, а не погрешности аппроксимации.

   6. Предложен уточненный метод измерения хронопотенциограмм для УОМД, определивший возможность успешной экспресс-идентификация массовой доли молибдена, хрома, никеля, меди, марганца и углерода в сплаве с помощью электрохимических методов анализа, что позволяет расширить области применения как разработанной алгоритмической базы, так и использующего эту базу УОМД.

   7. Впервые использован метод автоматического определения структуры нейронной сети на основе оптимизации при адаптивной настройке модели определения массовой доли, что позволило повысить точность идентификации и адаптивность работы УОМД.

   Основные положения, выносимые на защиту:

   1. 7. 1. Структура УОМД, позволившая реализовать устройство и использовать новые подходы к анализу состава сплавов, расширить функциональные возможности устройства, в частности осуществлять определение массовых долей молибдена, хрома, никеля, меди, марганца, углерода и других элементов.

         2. Принцип функционирования УОМД на основе двухступенчатого алгоритма, сделавший возможным использование хронопотенциометрии для реализации УОМД, а, следовательно, и определение с приведенной погрешностью до 11 % за время до 5 мин массовой доли искомого компонента сплава по хронопотенциограмме образца данного сплава.

         3. Адаптивный метод преобразования данных хронопотенциометрии, основанный на применении декомпозиционного метода моделирования и позволяющий, в отличие от существующих аналогов, эффективно (с погрешностью обратного преобразования до 3 %) значительно (в 15-20 раз) снизить размерность получаемых хронопотенциограмм вне зависимости от вида протекающего химического процесса; эффективность метода достигается за счет перехода к признаковому пространству с ортогональным базисом минимальной размерности, обеспечивающим максимальную точность и устойчивость определения массовой доли составляющего сплава.

         4. Метод оценки обобщающей способности моделирования данных на основе анализа полной дифференциальной чувствительности, позволивший адаптивно определять адекватность настройки параметров двухступенчатого алгоритма, позволяющий сравнить устойчивость работы моделей при анализе данных, отличных от обучающей выборки.

         5. Алгоритмы и программы, обеспечивающие работу микропроцессорного модуля электрохимического анализа сплавов как элемента систем управления металлургическими производствами. К ним относятся: программа управления и математической обработки хронопотенциограмм, реализующая принцип функционирования УОМД на основе двухступенчатого алгоритма экспресс-идентификации и выполняющая управление процессом хронопо- тенциометрии анализируемого образца; программа углубленного анализа и математического моделирования хронопотенциограмм, позволяющая выполнять настройку параметров двухступенчатого алгоритма экспресс-идентификации и программа для электрохимической идентификации металлов и сплавов, обеспечивающая локальное управление УОМД.

         6. Метод автоматического определения структуры нейронной сети на основе оптимизации при адаптивной настройке модели определения массовой доли, позволивший повысить точность идентификации и адаптивность работы УОМД.

         Теоретическая ценность работы заключается в создании и описании принципа функционирования и разработке структуры устройства определения массовых долей составляющих сплава на основе двухступенчатого алгоритма, позволившего обеспечить требуемую точность работы при расширении диапазона его применения на определение массовых долей молибдена, хрома, никеля, меди, марганца, углерода.

         Практическая ценность работы заключается в аппаратной реализации УОМД для систем управления на основе двухступенчатого алгоритма экспресс-идентификации, а также программ поддержки функционирования описанных устройств и расширении функциональных возможностей УОМД.

         Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы в программно- аппаратном комплексе УОМД ЭЛАМ-1п. Применение созданных моделей и способов их идентификации позволило обеспечить требуемую точность (погрешность не более 11 %) работы устройств, а также расширить диапазон их возможных применений за счет реализации предложенного двухступенчатого алгоритма для определения массовых долей молибдена, хрома, никеля, меди, марганца, углерода и др. Указанные устройства применяются для контроля готовой продукции на Новочеркасской ГРЭС, ОАО НПО «Элан-Гамма», ООО НПП «ЭКОФЕС», а также в учебном процессе ФГБОУ ВПО ЮРГТУ (НПИ).

         Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты обсуждались и получили положительные отзывы на: международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы электрохимической технологии», ГАОУ ДПО «СарИПКиПРО» (г. Саратов, 25-28 апреля 2008 г.); первой международной конференции «Автоматизация управления и интеллектуальные системы и среды» (ИИПРУ КБНЦ РАН г. Терскол, 2010 г.); всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоёмкие инновационные технологии» (Самарский научный центр РАН г. Самара, 24-26 ноября 2009 г.); всероссийской молодежной конференции «Химия под знаком Сигма» (Казанский национальный исследовательский технологический университет, г. Казань, 2-4 июля, 2012 г.); 56-58,60-й научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов университета (ЮРГТУ (НПИ) г. Новочеркасск 2007-2009, 2011 гг.); VI Международной научно- практической конференции «Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике» (ЮРГТУ (НПИ) г. Новочеркасск, 27 января 2006 г.); всероссийской научной школы «Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы» (ЮРГТУ (НПИ), г. Новочеркасск, 5-7 сентября 2011 г.); XXXIII сессии Всероссийского семинара РАН «Кибернетика энергетических систем» (г. Новочеркасск, 19-21 октября 2011 г.); межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа «Студенческая научная весна - 2009» (ЮРГТУ (НПИ) г. Новочеркасск, 2009 г).

         Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 28 научных работ, из них 10 в рекомендованных ВАК изданиях, получено 2 патента на изобретения и 3 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.

         Структура диссертации. Диссертация содержит 199 страниц основного текста, 95 рисунков, 42 таблицы и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, списка литературы из 113 наименований.
         

         Похожие диссертации на Методы и устройства определения массовых долей компонентов сплава для систем управления качеством металлопродукции

         

         Методы синтеза устройств вычислительной техники на основе нелинейных полиномиальных функций над конечным полемШалагин Сергей Викторович

         

         Метод и устройство адаптивного демультиплексирования высокоскоростных групповых потоков для вычислительных сетейЧижов Андрей Алексеевич

         

         Методы и устройства для измерения временных параметров зрительного восприятия человекаПетухов Игорь Валерьевич

         

         Методы и устройства повышения эффективности СВЧ комплексов обработки нефтепродуктов Гараев Тимур Кавасович

         

         Методы и устройства для измерения частотно-временных параметров зрительной системы человекаЛежнина Татьяна Александровна

         Методы и устройства экспресс-анализа быстропеременных процессовБерестень, Михаил Петрович

         Методы и устройства идентификации динамических характеристик датчиков механических величинСазонов, Владимир Васильевич

         Методы и устройства контроля параметров плазмы и повышение их стабильности на основе термофункционального гипермоделированияНокель, Вальдер Павлович

         Методы и устройства магнитного контроля стальных канатов для системы управления полярным краном АЭСЩучкин, Денис Александрович

         

         Методы и устройства децимации сигнала с повышенным быстродействием для цифрового спектрального анализаГригорян, Михаил Борисович