CN106825475A - 消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法及系统 - Google Patents

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    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
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    • B22D11/11—Treating the molten metal
    • B22D11/114—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means
    • B22D11/115—Treating the molten metal by using agitating or vibrating means by using magnetic fields

Abstract

本发明提供一种消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法及系统，方法包括：通过热电偶测量连铸机结晶器内各采样点的温度数据；根据每个采样点不同时间的温度数据构建每个采样点的初始温度时间序列；对每个采样点的初始温度时间序列进行窗口平均处理，得到预滤波温度时间序列；对经过窗口平均处理后的每个采样点的预滤波温度时间序列利用最小二乘法进行光滑处理，得到每个采样点的温度时间序列。利用本发明所述方法及系统消除了电磁搅拌对热电偶信号的干扰，为有电磁搅拌工况下的漏钢预报系统提供可靠的温度数据。

Description

消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法及系统
技术领域
本发明涉及冶金领域的连铸结晶器智能漏钢预报技术领域，更为具体地，涉及一种消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法及系统。
背景技术
高效连铸技术是目前国内外冶金界努力研究的方向。高效连铸是以高拉坯速度为核心，生产高质量、无缺陷的高温铸坯，实现高连铸率、高作业率的技术。实现高效连铸的前提条件是有效控制漏钢和铸坯质量。
漏钢是连铸生产中的灾难性事故，是由多种工艺因素偏离稳定状态综合作用的结果。漏钢事故可分为粘结漏钢和纵裂漏钢两种。控制漏钢的根本途径是控制结晶器与坯壳之间的相互作用。结晶器与坯壳的相互作用包括热和力的作用，外在表现是传热和摩擦，因此在连铸生产中，结晶器温度测量非常重要，它不仅关系到检测数据的可信度，而且还直接影响到后续的基于检测温度数据进行的工艺和质量分析，热电偶测温是一种常用的测温方法，由于其具有准确度高，动态响应快，应用范围广等特点，便于温度的集中测量和自动控制，因而热点偶成为使用最为广泛的温度传感器。
电磁搅拌是对金属凝固过程进行铸坯质量控制的一种有效手段，有着广泛的应用和深厚的工业基础。由于对于传统连铸工艺来说，虽然在采用浸入式水口、保护渣、气体保护或液氮保护等措施后铸坯质量有所改善，但只有采用电磁搅拌技术，才能控制铸坯结构，扩大等轴晶带，从而减轻铸坯的中心疏松、中心偏析和铸坯非金属夹杂，这是电磁搅拌技术在连铸生产中得到广泛应用的主要原因。
但是结晶器电磁搅拌会对安装在结晶器内的热电偶信号产生强大的干扰。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法及系统，以解决在有电磁搅拌的工况下热电偶能够正常测温，为有电磁搅拌工况下的漏钢预报系统提供可靠的温度数据。
根据本发明的一个方面，提供一种消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法，包括：通过热电偶测量连铸机结晶器内各采样点的温度数据；根据每个采样点不同时间的温度数据构建每个采样点的初始温度时间序列；对每个采样点的初始温度时间序列进行窗口平均处理，得到预滤波温度时间序列；对经过窗口平均处理后的每个采样点的预滤波温度时间序列利用最小二乘法进行光滑处理，得到每个采样点的温度时间序列。
根据本发明的第二个方面，提供一种温度数据获取单元，用于通过热电偶测量连铸机的结晶器内各采样点的温度数据；初始温度时间序列构建单元，用于根据每个采样点不同时间的温度数据构建每个采样点的初始温度时间序列；窗口平均处理单元，用于对每个采样点的初始温度时间序列进行窗口平均处理，得到预滤波温度时间序列；滤波单元，对经过窗口平均处理后的每个采样点的预滤波温度时间序列利用最小二乘法进行光滑处理，得到每个采样点的温度时间序列。
从上面的技术方案可知，本发明所述消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法及系统，能够消除电磁搅拌对热电偶信号的干扰，适合于有结晶器电磁搅拌的工况下的漏钢预报系统。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下具体实施方式的内容并且结合附图，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1是本发明所述消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法的流程图；
图2是本发明所述数字滤波方法对温度时间序列滤波前后的对比图；
图3是本发明所述消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波系统的构成框图。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。
从前述中了解到，板坯结晶器漏钢预报在板坯连铸生产中具有重要意义。电磁搅拌对热电偶信号有很大的干扰，为了在有电磁搅拌工况下正常使用漏钢预报系统，本发明提出了一种消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法，其中的方法包括：对热电偶在电磁搅拌干扰下的原始信号进行窗口平均处理，然后利用最小二乘法对窗口平均处理后的数据进行光滑处理，最终得到滤波后的信号数据。
以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1是本发明所述消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法的流程图，如图1所示，所述数字滤波方法包括：
在步骤S110中，通过热电偶测量连铸机结晶器内各采样点的温度数据，优选地，采样点处的热电偶按照预定的行和列的排列方式设置在结晶器的铜板或铜管上，铜板或铜管尺寸不同，可以设置不同行和列的热电偶，另外，优选地，所述热电偶为铠装K型热电偶。
在步骤S120中，根据每个采样点不同时间的温度数据构建每个采样点的初始温度时间序列，例如，以秒为单位构建1s、2s,…60s的不同时间的初始温度时间序列。
在步骤S130中，对每个采样点的初始温度时间序列进行窗口平均处理，得到预滤波温度时间序列，也就是说，选定设定尺寸的窗口，将窗口内的所有采样点的温度做算术平均，将所求的平均值作为窗口中心点的温度，对初始温度时间序列进行更新，具体地，包括：
其中，n为窗口内初始温度时间序列的数据点的个数，为自然数；T是窗口内数据点的温度平均值，即，窗口内中心数据点的温度值；Ti是窗口内初始温度时间序列的第i个数据点的温度，例如n＝10，即对10个初始温度数据进行平均得到一个温度数据，又如，对0.1、0.2s,…1s的初始温度时间序列进行窗口平均处理，n＝10，将0.1-1s的10个温度数据取平均值作为采样点0.5s处的温度数据，依次类推，分别得到0.5s、1.5s、2.5s，…55.5s经过窗口平均处理的温度值，将初始温度时间序列上述采样点的温度数据进行更新，得到预滤波温度时间序列，也可以将0.5s、1.5s、2.5s，…55.5s经过窗口平均处理的温度值近似认为是1s、2s,…60s的经过窗口平均处理的温度值。
在步骤S140中，对经过窗口平均处理后的每个采样点的预滤波温度时间序列利用最小二乘法进行光滑处理，获得每个采样点的温度时间序列，具体地，包括：
一个采样点的最小二乘曲线拟合公式为：
其中，a0,a1,...aw为多项式的系数，为线性无关的函数，x代表时间变量，S(x)代表时间变量对应的实际温度值；
对一个采样点的m+1个数据点进行曲线拟合，所述m+1个数据点的坐标分别为(x0,y0),(x1,y1),...(xm,ym)；其中，yi＝f(xi)，xi代表时间变量，yi代表时间对应的温度值；
令
根据所述最小二乘曲线拟合公式，令
写成矩阵形式为：
通过上面的线性方程组，得到系数a0,a1,...aw的值，得到最小二乘法光滑处理后的所述采样点的各数据点的温度值，形成所述采样点的温度时间序列；
对每一个采样点进行上述最小二乘法的光滑处理，得到每一个采样点的温度时间序列，通过数据点数量m+1的不同，可以得到不同光滑程度的温度随时间变化的曲线，采样点数量越多，光滑程度越大，例如，一个采样点的w值取3，数据点数量m+1取10,即可得到系统a1,a2和a3，从而利用系统a1,a2和a3对预滤波时间序列进行更新，从而形成所述采样点的温度时间序列，该温度时间序列和初始温度数据时间序列的比较如图2所示，从图2中可以看出，该方法滤除了杂波，滤波效果很好。
图3是本发明所述消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波系统的构成框图，如图3所示，所述数字滤波系统200包括：
温度数据获取单元210，用于通过热电偶测量连铸机的结晶器内各采样点的温度数据；
初始温度时间序列构建单元220，用于根据每个采样点不同时间的温度数据构建每个采样点的初始温度时间序列；
窗口平均处理单元230，用于对每个采样点的初始温度时间序列进行窗口平均处理，得到预滤波温度时间序列，其中，在所述窗口平均处理单元中，对每个采样点的温度时间序列进行窗口平均处理的方法包括：
其中，n为窗口内初始温度时间序列的数据点的个数，为自然数；T是窗口内数据点的温度平均值，即，窗口内中心数据点的温度值；Ti是窗口内初始温度时间序列的第i个数据点的温度；
滤波单元240，对经过窗口平均处理后的每个采样点的预滤波温度时间序列利用最小二乘法进行光滑处理，得到每个采样点的温度时间序列，其中，在滤波单元中，对经过窗口平均处理后的每个采样点的预滤波温度时间序列利用最小二乘法进行光滑处理的方法包括：一个采样点的最小二乘曲线拟合公式为：
其中，a0,a1,...aw为多项式的系数，为线性无关的函数，x代表时间变量，S(x)代表时间变量对应的实际温度值；
对一个采样点的m+1个数据点进行曲线拟合，所述m+1个数据点的坐标分别为(x0,y0),(x1,y1),...(xm,ym)；其中，yi＝f(xi)，xi代表时间变量，yi代表时间对应的温度值；
令
根据所述最小二乘曲线拟合公式，令
写成矩阵形式为：
通过上面的线性方程组，得到系数a0,a1,...aw的值，得到最小二乘法光滑处理后的所述采样点的各数据点的温度值，形成所述采样点的温度时间序列，其中，在滤波单元中，可以对不同采样点，采用相同或不同数量的预滤波时间序列的数据点利用最小二乘法进行光滑处理，得到光滑程度相同或不同的温度随时间变化曲线；
对每一个采样点进行上述最小二乘法的光滑处理，得到每一个采样点的温度时间序列。
通过以上实施方式可以看出，本发明所述消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法是基于窗口平均法和最小二乘法相结合的数字滤波方法，能够消除电磁搅拌对热电偶信号的干扰，适合于有结晶器电磁搅拌的工况下的漏钢预报系统。
上述数字滤波系统中，温度数据获取单元210可以通过与热电偶连接的模/数转换模块实现；初始温度时间序列构建单元220、窗口平均处理单元230和滤波单元240可以通过控制器实现，所述控制器可以通过有线(RS232、RS485等)和无线(局域网、WiFi等)与温度数据获取单元210连接，所述控制器可以使计算机、工控机、PLC控制器、单片机和DSP中的一种和多种。
如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法及系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的基于消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法及系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (8)

1.一种消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法，其中，包括：
通过热电偶测量连铸机结晶器内各采样点的温度数据；
根据每个采样点不同时间的温度数据构建每个采样点的初始温度时间序列；
对每个采样点的初始温度时间序列进行窗口平均处理，得到预滤波温度时间序列；
对经过窗口平均处理后的每个采样点的预滤波温度时间序列利用最小二乘法进行光滑处理，得到每个采样点的温度时间序列。
2.根据权利要求1所述的消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法，其中，所述对每个采样点的初始温度时间序列进行窗口平均处理的方法包括：
T = 1 n Σ i = 1 n T i
其中，n为窗口内初始温度时间序列的数据点的个数，为自然数；T是窗口内数据点的温度平均值；Ti是窗口内初始温度时间序列的第i个数据点的温度。
3.根据权利要求1所述的消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法，其中，所述对经过窗口平均处理后的每个采样点的预滤波温度时间序列利用最小二乘法进行光滑处理的方法包括：
一个采样点的最小二乘曲线拟合公式为：
其中，a0,a1,...aw为多项式的系数，为线性无关的函数；
对一个采样点的m+1个数据点进行曲线拟合，所述m+1个数据点的坐标分别为(x0,y0),(x1,y1),...(xm,ym)；其中，yi＝f(xi)；
令
根据所述最小二乘曲线拟合公式，令
写成矩阵形式为：
通过上面的线性方程组，得到系数a0,a1,...aw的值，得到最小二乘法光滑处理后的所述采样点的各数据点的温度值，形成所述采样点的温度时间序列；
对每一个采样点进行上述最小二乘法的光滑处理，得到每一个采样点的温度时间序列。
4.根据权利要求3所述的消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波方法，其中，还包括：对不同采样点，采用相同或不同数量的预滤波时间序列的数据点利用最小二乘法进行光滑处理，得到光滑程度相同或不同的温度随时间变化曲线。
5.一种消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波系统，其中，包括：
温度数据获取单元，用于通过热电偶测量连铸机的结晶器内各采样点的温度数据；
初始温度时间序列构建单元，用于根据每个采样点不同时间的温度数据构建每个采样点的初始温度时间序列；
窗口平均处理单元，用于对每个采样点的初始温度时间序列进行窗口平均处理，得到预滤波温度时间序列；
滤波单元，对经过窗口平均处理后的每个采样点的预滤波温度时间序列利用最小二乘法进行光滑处理，得到每个采样点的温度时间序列。
6.根据权利要求5所述的消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波系统，其中，
在所述窗口平均处理单元中，对每个采样点的温度时间序列进行窗口平均处理的方法包括：
T = 1 n Σ i = 1 n T i
其中，n为窗口内初始温度时间序列的数据点的个数，为自然数；T是窗口内数据点的温度平均值；Ti是窗口内初始温度时间序列的第i个数据点的温度。
7.根据权利要求5所述的消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波系统，其中，
在滤波单元中，对经过窗口平均处理后的每个采样点的预滤波温度时间序列利用最小二乘法进行光滑处理的方法包括：
一个采样点的最小二乘曲线拟合公式为：
其中，a0,a1,...aw为多项式的系数，为线性无关的函数；对一个采样点的m+1个数据点进行曲线拟合，所述m+1个数据点的坐标分别为(x0,y0),(x1,y1),...(xm,ym)；其中，yi＝f(xi)，
令
根据所述最小二乘曲线拟合公式，令
写成矩阵形式为：
通过上面的线性方程组，得到系数a0,a1,...aw的值，得到最小二乘法光滑处理后的所述采样点的各数据点的温度值，形成所述采样点的温度时间序列；
对每一个采样点进行上述最小二乘法的光滑处理，得到每一个采样点的温度时间序列。
8.根据权利要求7所述的消除电磁搅拌对热电偶信号干扰的数字滤波系统，其中，
在滤波单元中，对不同采样点，采用相同或不同数量的预滤波时间序列的数据点利用最小二乘法进行光滑处理，得到光滑程度相同或不同的温度随时间变化曲线。
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