SU1127953A1 - Способ измерени режимной координаты и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

1. Способ измерени  режимной координаты технологического процесса , основанный на измерении технологических параметров и определении по ним оценки режимной координаты с помощью регрессионной модели, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измере - НИН И расширени  области использовани , дополнительно определ ют оценки режимной координаты по числу режимов технологии, измер ют и сравнивают между собой дисперсии полу ченных дл  каждого ре Й1ма технологии оценок режимной координаты и о текуп ем ее значении суд т по величине оценки того режима технологии, в котором дисперси  оценки режимной координаты в данный момент времени минимальна. 2. Устройство дл  измерени  режимной координаты технологического процесса, содержащее датчики технологических параметров и блок определени  оценки ре ммной координаты, отл, ичающеес  тем, что оно снабжено дисперсиометрами, i компараторами и дополнительными блоками определени  оценки режимной (Л координаты по числу режимов технологии и управл емым коммутатором, причем выходы датчиков технологических параметров подключены к входам со5 ответствующего блока определени  оценки режимной координаты, в ыходы ка кдого из которых соединены неЮ посредЬтвенно с информационными входами управл емого коммутатора и СО СП через последовательно соединенные дисперсиометры и компараторы с уп09 равл ющими входами управл емого коммутатора, выход которого  вл етс  выходом устройства.

Description

t

Изобретение относитс  к контролю и автоматизации технологических процессов (ТП), в частности к способам измерени  таких физических величин, которые не поддаютс  непосредственному измерению, и может бьггь использовано в АСУ ТП и в локальных системах автоматизации при контроле и управлении технологическими процессами , гфеимущественно в горной пррмьшшенности дл  контрол  режимов экскавации и качества подготовки забо .

Известны способы косвенного контрол  и измерени  режимной координаты , не поддающейс  пр мому измерению , например способ измерени  веса материала, выгружаемого из ковша экскаватора, при котором сигнал разности умножают на сигнал, равный разности между посто нным сигналом, пропорциональным весу порожнего ковша с руко тью, и сигналом, пропорциональным частному от делени  половины произведени  длины руко ти на длину вьщвинутой части руко ти Li 3.

Однако дл  повышени  точности таких способов контрол  приходитс  полнее считывать всю совокупность вли ющих факторов, из-за чего быстро растет сложность функциональной зависимости, лежащей в основе измерени , и ее аппаратурной .реализации, а это вызывает объективное ограничение практически достижимой точности . Кроме того, многие вли ющие факторы часто, в свою очередь, не поддаютс  измерению. Если же ограничить с  кругом измер емых первичных переменных , то остальные факторы - помехи никак не учитываютс .

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  способ измерени  режимной координаты,технологического про- . цесса, основанный на измерении технологических параметров и вычислении по ним оценки режимной координаты с помощью регрессионной модели. В нем по сигналам датчиков нат жени  подъемного каната, его длины и выпета руко ти косвенно измер емую загрузку ковша определ ют с помощью одной регрессионной модели, используемой в качестве расчетной формулы . Точность контрол  достигаетс  выбором рационального момента измерени . Область вариации первичных, независимых переменных (факторов) узка в момент открывани  днища ков27953 2

ша при его разгрузке. Благодар 

этому найденное по данным наблюдений в этой области уравнение регрессии остаетс  адекватным, а измере ние загрузки ковша достаточно точ- , ным во всех дальнейших циклах экскавации t2

Однако при известном способе измер ема  величина не стохастическа  непрерывна  .переменна  а посто нна  величина в течение всего периода поворотного движени  экскаватора. Именно поэтому достаточно выбрать один наиболее благопри тный момент измерени , чтобы обеспечитьхорошую точность определени  загрузки ковша. Способ не решает общей задачи косвенного измерени , так как при широкой области вариации факторов и/или нестационарности ТП, он не дает точных результатов.

Устройство дл  измерени  режимной координаты технологического процесса j содержащее датчики техноло/гических параметров и блок определеI ни  оценки режимной координаты, Iпостроено -на одной регрессионной модели и разпознавателе момента взвешиванзи  содержимого ковша, благодар  выбору которого достигаетс  0-

повьвпение точности, с которой отклик

модели отражает действительную загрузку ковша. В этот момент распознаватель открывает ключ и пропускает сигнал измер емой загрузки,на инди5 катор, причем разпознавание кондиционного момента цикла экскавации происходит либо по нажатию машинистом кнопки открьшани  днища ков ,ша, либо по наступлению определенно0 го соотношени  факторов L3 2.

Однако обща  задача измерени  непрерьганой стохастической координаты ТП не решаема с помощью одномодельной измерительной схемы. Б

5 ней выбором момента отбора информации уже нельз  достичь повьшени  точности измерени .

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  и расшире0 ние области использовани .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что при способе измерени  режимной координаты технологического процесса, основанном на измерении

5 технологических параметров и вычислении по ним оценки режимной координаты с помощью регрессионной модели , дополнительно определ ют рцен-ки режимной координаты по числу режимов технологии, измер ют и сравнивают между собой дисперсии полученных дл  каждого режима технологии оценок режимной координаты и о текущем ее значении суд т по величине оценки того режима технологии, в котором дисперси  оценки режимной координаты в данньй момент времени минимальна . При -этом устройство дл  измерени  режимной координаты технологического процесса, содержащее датчики технологических параметров и блок определени  оценки режимной координаты, снабжено дисперсиометрами, компараторами и дополнительными блоками определени  оценки режимной координаты по числу режимов технологии и управл емым коммутатором, причем выходы датчиков технологических параметров подключены к входам .соответствующего блока определени  оценки режимной -координаты, выходы каждого из которых соединены непосредственно с информационными входами управл емого коммутатора и через последовательно соединенные дисперсио ,метры и компараторы с управл ющими входами управл емого коммутатора. ;ВЫХОД, которого  вл етс  выходом устройства . На фиг.1 изображены линии регрессии , доверительных границ и дисперсий в области вариации первичного -фактора; на фиг.2 - блок-схема пред- 35 лагаемого устройства дл  измерени  режимной координаты технологического процесса. Сущность способа измерени  режимной координаты технологического про- 40 цесса состоит в том, что вначале всю область вариации первичных измер емых технологических величин ТП разбивают на подобласти, т..е. оп . редел ют, из каких режимов техноло- 45 гии состоит данньй ТП, а затем в каждом из них огГределение значений измер емой координаты ТП производ т по первичным технологическим величинам с помощью регрессионной модели 50 данного режима. Каждьй раз, когда косвенное измерение координаты ТП выходит за пределы заданной точности , переход т к новому пр мому измерению и преобразованию первич- 55 ных технологических величин, в результате чего вновь получают адекватное значение координаты ТП. ду что бол ре ноф нос сре ка дан фак оц S// лен нии ван ча  ра II 5 лин тел V мер . Достоверность зтого решени  слет из известного положени  о том, любое уравнение регрессии наиее точно предсказывает в центфакторного пространства. В одакторном случае эта достоверть видна из выражени  дл  оценки днеквадратической ошибки отюиY регрессионной модели в заной точке интервала вариации тора . (ч-м . кв.ош Z(x,-x) наблюдаемые значени  фактора х , общее среднее значение х-ов по выборке объема п , .(х.-х) сумма квадратов отклонений фактора; заданна  точка интервала .вариации фактора i оценка остаточного среднеквадратическо- го отклонени  Y-ой т.е. эксперименталь- .но наблюдаемых зна- чений Y измер емой координаты ТП. Эта оценка минимальна и равна n в центре наблюдений, при удаии от которого в любом направлеона растет. Это проиллюстрироо графически на фиг.1 дл  слу , когда интервал вариации фактосостоит из трех подинтервалов I, и III, где а- Jшни  регрессии, линии доверительных границ, в ии дисперсий. Ординаты довери- , ьных границ дл  равны .)t ошибка в любойК-й точке интервала вариации факторах, (1 - у об) %-на точка t -распределени  (Стьюдента) с (м-2) степен ми свободы (Л- уровень риска). Минимальные значени  ошибок изени  координаты ТП в подинтервалах при одинаково адекватных регрессионных модел х близки одно к другому c/-j « «пмин .й микмаксимальное значение имеет место на стыке подинтервалов. Согласно сущности предлагаемого измерени  при переходе технологического процесса из одной подобласти факторов в другую необходимо соответственно переключать регрессионные модели. Дл  этого нужно непрерывно измер ть и сравнивать между собой оценки дисперсий Л(У) откликов всех моделей. Выбор именно соотношени  дисперсий в качестве критери  дл  переключени  моделей обусловлен простотой и точностью его контрол . Шнимальна  из оценок дисперсий указывает наиболее адекватную модель в данный момент вре- мени, иначе говор , она указывает, в какой подобласти факторов находитс  ТП, по какой модели следует вычисл ть измер емую координату в данный момент времени. Например, как указывают линии в дисперсии (фиг.Т), чтобы оценка дисперсии не превысила ординат сплошной линии или,что то же, чтобы ошибка измерени  координаты ТП не превысила допустимого значени  сУдоп в точке Хд , где ) D (Y,-) S ( Y, ) , выбираетс  модель I; в точке , где I)(Yj)D lY-) I) ( ,-) модель II; в точке Же происходит переключение моделей I и II. Таким образом, вс кий раз, когда ошибка измерени  координаты превысит допустимое значение, извлекают новую информацию из ТП, благодар  чему сохран етс  точность измерени  Способ измерени  режимной координаты предназначен дл  технологических процессов, в которых различаютс  не менее двух режимов технологии ., заметно очерченных последовательно смен ющихс  состо ний, суще ствуюп1их на различных интервалах времени. Критери ми дл  такого различени  могут служить статистичес кие критерии однородности выборок из этих режимов ТП. Последние и соответствуют подобласт м факторного пространства. Дл  широкого круга тех нологических процессов число подобластей не превьштает п ти. Это св зано с тем, что при характерных дл  .этого круга процессов диапазонах изменени  технологических величин дальнейшее дробление их на число 1 36 подобластей, большее п ти, не дает дальнейшего существенного повьш1ени  точности измерени , но затрудн ет различимость и дискриминацию моделей при большей сложности измерени . Это происходит в силу экспоненциального характера зависимости уменьшени  ошибки измерени  от числа моделей. При переходе от одной модели к двум - трем (фиг.1) происходит резкое уменьшение ошибки, а с дальнейшим ростом числа моделей это уточнение измерени  все бол,ее падает. Способ измерени  базируетс  на возможности нахождени  уравнений регрессии как расчетных формул по известной методике. Дл  этого массивы опытных данных об измер емой координате ТП снимают с помощью доступных ручных методов опробовани  и контрол  невысокой точности, например методов химического, спектрального, ситового, седиментационного экспресс-анализа проб, отбираемых в ходе процесса, гравитационных , масс-спектрографических , расчетных, балансовых и других методов лабораторного анализа, с помощью оптических пирометров, стробоскопических измерителей , различных анализаторов и т.д, Если нет возможности получить экспериментальные выборки данных. то, значит, насто щий способ измерени  неприменим. Предлагаемый способ включает преобразование первичных технологических величин регрессионными модел ми ТП. Причем действи  над этими величинами, вход щие в преобразование регрессионной моделью, заключены в самой модели дл  конкретного ТП и конкретного режима ТП, Предлагаемый способ можно использовать , например дл  измерени  массовой загрузки ковша экскаватора в любом его положении по таким измеримым величинам, как геометрическое расположение рабочего оборудовани , нагрузки в механизмах подъема и напора, измерени  характеристик экскаваторного забо  по токам электроприводов экскаватора и геометрическим координатам его рабочего оборудовани ; измерени  тонины помола в мельницах обогащени  по измеримым загрузке руды, воды, мелющих тел и возврата и выгрузке пульпы акустическому и вибросигналам, а также в металлургических процессах обжига концентратов в кип щем слое дл  измерени  содержани  остаточной серы в огарке по таким технологическим величинам, как температура обжига, расход дуть , концентрата, аэродинамический режим, выгрузка агарка и обжиговых газов и в тонколистовой холодной прокатке дл  измерени  надлежащего раствора валков по скорости прокатки и сигналам толщиномеров до и после клети. Устройство дл  измерени  режимной координаты технологического .. процесса (фиг.2) построено применительно к ТП, в котором вьщел ютс  три режима технологии (три подобласти технологических парамет ров) , причем измер ема  режимна  координата Y тесно коррелирует с четырьм  технологическими параметрами 21 4 которые поддаютс  непосредственному измере нию с помощью датчиков (случай достаточной общности). Дл  режимов (технологии 1,11 и III найдены регрессионные модели . .3S 44: Yffi-SX c, . Каждое из этих уравнений реализ вано в виде вычислител  сигнала Y сигналам датчиков учетом соответствующих коэффициентов о, b и с. Устройство измерени  координаты ТП содержит датчики 1-4 первичных технологических параметров, блоки 5-7 определени  оценки режимной координаты по регрессионным модел  управл емый коммутатор 8, дисперсиометры 9-11 и компараторы 12-14 Выходы всех датчиков 1-4 подают на соответствующие .входы каждого из блоков 5-7, выходы которых подсоединены как к соответствующим па рам информационных входов о-с и b и управл емого коммутатора 8 так и к входам соответствующих дис персиометров 9-11. Выходы дисперсиометров 9-11 попарно подключены к двум входам каждого из компараторов 12-14, выходы последних соед нены с управл ющими входами соответствующего разр да управл емого коммутатора 8, выход которого  вл етс  общим выходом всего измеритель ного устройства. Элементы устройства дл  измерени  режимной координаты ТП конструктив- но выполнены следующим образом. Датчики 1-4 представл ют собой преобразователи первичных технологических величин в напр жение посто нного тока. В блоках 5-7 определени  оценки режимной координаты по регрессионныммодел м дл  вьтолнени  операций сложени  и вычитани  могут быть применены сумматоры на базе микросхемных операционных усилителей общего применени . Управл емый коммутатор 8 - это многоканальньвй (многовходовый) ком- мутатор , управл емый двоичным кодом. Здесь может быть применен микросхемный восьмиканальный коммутатор типа К590КН1, управл емый трехразр дным параллельным двоичным кодом. Суть его работы заключаетс  в том, что к общему аналоговому выходу микросхемы подключаетс  тот из ее восьми входов, номер которого соответствует двоичному числу, поданному на кодовые входы управлени  . Дисперсиометры 9-11 также могут быть построены средствами аналоговой шкpocxeмoтexники, например, по функциональной схеме,в которую вход т два усредн ющих фильтра, сумматор и перемножитель. Это возможно благодар  тому, что выходные сиг- . блоков 5-7 в пределах подобласти факторов представл ет собой стационарные и эргодические случайные фу нкции времени Vi-t). Выходной сигнал такого дисперсиометра достаточно точно выражает дисперсию сигнала (t) при t / (610 )1, где Т - доверительный отрезок времени, наприме:р, дл  измерени  с точностью в 1% он равен 16 Т,, где fn - интервал автокоррел ции выходного сигнала вычислител  по. регрессионной модели. Дисперсиометры посто нно подключены к выходам блоков определени  оценки режимной координаты, благодар  чему их сигналы адекватны. При больших посто нных времени Т усредн юпщх фильтров следует использовать мало-. шум щие операционные усилители широкого применени  типа К551УД1А. Компараторы 12-14 предназначены дл  вь1работки управл ющего кода многовходового коммутатора и особы требовани  к ним не предъ вл ютс . Дл  согласовани  со стандартными уровн ми цифровых сигналов интегральных коммутаторов в практической схеме удобно использовать компараторы напр жени  типа К52-1САЗ, Дискриминатор 15 моделей включа в себ  совокупность блоков 8-14 (фиг.2, пунктир). Его функциональна  роль заключаетс  в том, чтобы выход всего устройства в качестве сигнала У подавать тот из выходных сигналов Yj, jj или Y, вычислителей 5-7 дисперси  которого минимальна. Спосйб осуществл етс  следующим образом; Выходные напр жени  т, у х. датчиков 1-4 непрерывно подают на выходы каждого из блоков 5-7 и преобразуют ими по регрессионным модел м каждой подобласти факторов в соответствующие сигналы измер емо координаты ТП. Дискриминатор 15, моделей осуществл ет выбор между этими сигналами. Дл  этого все выходные сигналы Vf , Y,7 и V j блоков 5-7 также непрерывно пос тупают на соответствующие информационные выходы а-с, Ь- f и е управл емого коммутатора 8 и соответственно на входы дисперсиометров 9-11. Последние непрерывно вьфабатывают сигналы пропорциональные оценкам дисперсий сигналов каждого из блоков оценки определени  режимной координаты. Компараторы 12-14 осуществл ют срав нение сигналов дисперсий. При таком :попарном соединении выходов диспер|сиометра с входами компараторов (фиг.2) однозначно возможны только следующие кодовыекомбинации на выходах компараторов (компаратор 12 соответствует I разр ду кода, компаратор 13 - II разр ду, компаратор 14 - III разр дуi если напр жение , подаваемое на первый (инвертирующий ) вход компаратора 12 больше подаваемого на второй (неинвертирующий ) вход, то на выходе компаратора 12 будет сигнал логической 1 в противном случае - логический О. Это относитс  к каждому-из компараторов 12, 13 и 14). В случае,когда дисперси  ) . сигнала вычислител  5 наименьша  из трех 001 (соответствует 1 в дес тичной системе счислени ),если D(ji) ();011 (соответствует 3), еслта S(ij $(,,). В , когда минимальна дисперси , Г (у,-) сигнала вычислител  6 0.10 (соответствует 2), если В(У(Г|) 1)(Ут)г110 (соответствует 6), если r(Y,3)S(Y,). В случае, когда минимальна дисперси  i)(Y,7i) сигнала вычислител  7 , J, /Ч 100 (соответствует 4), если D(Vj) P(YuL)i 101 (соответствует 5), если (х)Р(й)Кодовые комбинации 000 и 111 в рассматриваемой схеме принципиально невозможны. Каждой кодовой комбинации соответствует подключение к выходу всего измерительного устройства соответствутющего из информационных входов управл емого коммутатора 8. Например,если минимальна дисперси  сигнала Yj- возможны две кодовые комбинации, при которых управл емый коммутатор 8 подключает на выход либо свой информационный вход а либо вход с, Поэтому в схеме (фиг,2) эти входы объединены и подсоединены к выходу блока 5. Аналогичные соединени  соответственно возможным кодовым комбинаци м произведены и дл  двух других рассмотренных случаев. Таким образом, к выходу измерительного устройства всегда подключена та регрессионна  модель, дисперси  сигнала которой в данный момент времени наименьша , а следовательно , определение измер емой режимной координаты производитс  по наиболее адекватной регрессионной модели. Это значит, что за величину измер емой (искомой) координаты в данный момент времени беретс  результат того первичного измерени  и преобразовани , которое соответствует данному технологическому режиму. Использование предлагаемых способа и устройства позволит расширить область использовани  на непрерывные стохастические переменные - за счет непрерывного контрол  точности измерени  переменной и автоматической перестройки измерительного устройства на более точную в данньй момент времени модель

11

при выходе ошибки измерени  за допустимые пределы; иа нестационарные ТП - за счет разделени  глобально нестационарного технологического процесса на 2-5 смен ющих один другой во времени локально стационарных процессов, в каждом из которых факторы и переменные характеризуютс  отсутствием трепдон , однородностью дисперсий, в них соблюдаютс  предпосылки метода регрессионного анализа, а также услови  эргодичности переменных (благодар  последнему упрощаетс  контроль дисперсии выходных сигналов регрессионных моделей)-, на технологические тфоцессы, которые во всей области факторов обычно требуют дл  своего описани  нелинейных по параметрам уравнений регрессии, - за счет того, .что в узких локальных подобласт х факторов всегда можно подобрать адекватные линейные по параметрам уравне12795312 ,

i ни ; на случай измерени  двух и более координат ТП. По предлагаемому способу это можно ос ествить на базе одних и тех же первичных дат5 чиков.

Изобретение позволит также повысить точность измерени  режимной координаты ТП за счет умекыпенй  удаленности вектора факторов от

центра наблюдений. В однофакторном случае - это уменьшение величины (), а также за счет непрерьшного контрол  точности измерени  и уменьшени  остаточной дисперсии в центре наблкщений, поскольку теперь уравнени  регрессии подбираютс и оцениваютс  дл  узкой подобласти вариации факторов и облегчаетс  вьлолнение четырехкратного Крите-, ри  точности предцсказани .

Способ позволит, уменьшить ошибку измерени  до 2-3 раз по сравнению с регрессионным измерением на базе одномодельной измерительной схемы.

А А

(У)

Фиг. Z

/5

Claims (2)

1. Способ измерения режимной координаты технологического процесса, основанный на измерении технологических параметров и определении по ним оценки режимной координаты с помощью регрессионной модели, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измере — ния и расширения области использования, дополнительно определяют оценки режимной координаты по числу режимов технологии, измеряют и срав нивают между собой дисперсии полученных для каждого режйма технологии оценок режимной координаты и о текущем ее значении судят по величине оценки того режима технологии, в котором дисперсия оценки режимной координаты в данный момент времени минимальна.

2. Устройство для измерения режимной координаты технологического процесса, содержащее датчики технологических параметров и блок определения оценки режимной координаты, отличающееся тем, что оно снабжено дисперсиометрами, _е компараторами и дополнительными бло- SS ками определения оценки режимной координаты по числу режимов технологии и управляемым коммутатором, причем выходы датчиков технологических параметров подключены к входам соответствующего блока определения оценки режимной координаты, выходы каждого из которых соединены непосредственно с информационными входами управляемого коммутатора и через' последовательно соединенные дисперсиометры и компараторы с управляющими входами управляемого коммутатора, выход которого является выходом устройства.