Алгоритмы обработки информации при выборе и обосновании функций преобразования измерительных преобразователей давления для АСУ ТП тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Лапина, Екатерина Андреевна

• Лапина, Екатерина Андреевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лапина, Екатерина Андреевна

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СПОСОБОВ ВЫБОРА И 13 ОБОСНОВАНИЯ ФУНКЦИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ

1.1 Функция преобразования (градуировочная характеристика) 16 измерительного преобразователя

1.2 Представление функции преобразования измерительного 17 преобразователя в виде системы локальных пространственных элементов

1.3 Нахождение функций преобразования измерительных 22 преобразователей методом «спора» математических моделей

1.4 Синтез функций преобразования измерительных 25 преобразователей давления по заданному пределу приведенной погрешности

1.5 Использование метода «срезов» для формирования функции 26 преобразования измерительных преобразователей давления и другие способы выбора

1.6 Выводы

2 МОДЕЛИ ФУНКЦИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ

2.1 Постановка задачи

2.2 Модель функции преобразования

2.2.1 Обратная функция преобразования измерительного 36 преобразователя

2.2.2 Показатели сложности моделей функции преобразования

2.3 Методы построения моделей функций преобразования

2.3.1 Оценка коэффициентов модели функции преобразования

2.3.2 Формирование множества моделей функции преобразования 48 методами статистического моделирования

2.3.2.1 Формирование функции преобразования методом всех возможных регрессий

2.3.2.2 Формирование функции преобразования методом 54 исключения переменных

2.3.2.3 Формирование функции преобразования методом 57 включения переменных

2.3.2.4 Формирование функции преобразования шаговым методом 63 построения модели

2.4 Выводы

3 АЛГОРИТМЫ ВЫБОРА МОДЕЛЕЙ ФУНКЦИЙ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ

3.1 Постановка задачи

3.2 Алгоритм и признаки разделения измерительных 71 преобразователей в партии на группы

3.3 Способы формирования «индивидуальных» и 79 «промежуточных» функций преобразования измерительных преобразователей

3.4 Алгоритм получения «общей» функции преобразования 88 измерительных преобразователей

3.5 Выводы

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛОЖЕННЫХ В РАБОТЕ АЛГОРИТМОВ И СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ПОЛУЧЕННЫХ МОДЕЛЕЙ

4.1 Постановка задачи

4.2 Программа статистического моделирования функций 94 преобразования

4.3 Расчет функций преобразования датчиков давления 101 (на примере датчиков «Метран-100»)

4.4 Выбор «индивидуальных» и «промежуточных» функций 104 преобразования для исследуемых датчиков

4.5 Выбор «промежуточной» функции преобразования, наилучшей 106 для исследуемой конструкции датчиков давления

4.6 Проверка пригодности выбранной «промежуточной» модели 108 функции преобразования и признании ее в качестве «общей»

4.7 Внедрение результатов диссертационных исследований

4.8 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы обработки информации при выборе и обосновании функций преобразования измерительных преобразователей давления для АСУ ТП»

Техническая политика в области автоматизации промышленного производства ориентирована на создание современных интегрированных АСУ ТП на базе микропроцессорных устройств и развитой информационно-вычислительной инфраструктуры. Измерительные каналы, входящие в состав АСУ рассматриваются как единые неразрывные структуры получения, обработки и представления информации о значениях физических величин. При этом высокое качество, надежность, долговечность и другие эксплуатационные и технико-экономические показатели системы в значительной мере определяются характеристиками устройств восприятия измерительной информации. Изучение подобных систем и их элементов требует применения методов системного анализа.

Современное промышленное производство связано с измерением широкого спектра физических величин. Одной из наиболее распространенных величин является давление. Для измерения давления большое распространение получили измерительные преобразователи давления на основе тензорезисторов [1 - 3]. Однако, данным преобразователям присущи недостатки в виде значительных погрешностей от нелинейности функции преобразования и сильной температурной зависимости [4, 97].

Благодаря развитию микропроцессорной техники и появлению интеллектуальных (микропроцессорных) датчиков давления [5 - 7, 99] стало возможным перейти от схемотехнических решений [8] к алгоритмическим методам коррекции погрешностей. Определяющую роль при этом играет правильный выбор модели функции преобразования (ФП) [9] измерительных преобразователей (ИП) давления [10].

Имеются [11] два основных пути совершенствования моделей функций преобразования. Первый из них заключается в повышении размерности (расширении) модели путем введения новых параметров при сохранении принятой параметрической структуры. Например, улучшение модели может достигаться повышением степени в рамках принятой полиномиальной модели. Это приводит к увеличению стоимости датчиков давления за счет увеличения трудовых и временных затрат, а следовательно удорожанию автоматизированных систем и снижению конкурентоспособности на рынке автоматизации промышленного производства (см. например, РД 34.35.126-93. Положение о разработке новых АСУ ТП на конкурсной основе. Утв. РАО «ЕЭС России» 20.12.1993 г.).

Другой путь заключается в рациональном преобразовании структуры модели, например, подходящем преобразовании переменных и переходе к новому функциональному виду модели (без повышения размерности). Такие преобразования могут быть получены на основе исследования физических закономерностей или путем анализа экспериментальных данных.

С учетом рекомендаций [11] возможны следующие подходы к решению проблемы выбора функции преобразования измерительных преобразователей давления:

1. Использовать одну, возможно более сложную модель ФП, для всех измерительных преобразователей, произведенных в едином технологическом цикле (так называемой «партии» преобразователей). При этом, при проведении испытаний ИП [14], максимально уменьшается погрешность преобразователей при градуировке (построении функции преобразования) [12], но одновременно существенно увеличивается погрешность при верификации (проверке качества модели функции преобразования) [ 13] преобразователей. Такой подход требует сложного плана градуировки, что приводит к увеличению продолжительности процесса испытаний преобразователей и его удорожанию.

2. Для каждого измерительного преобразователя в партии строить свою, индивидуальную, модель функции преобразования. При этом мы будем иметь большое количество моделей ФП, практически равное объему партии, для однотипных, т.е. одного конструктивного исполнения (конструкции), измерительных преобразователей. Такой подход также требует избыточное количество точек градуировки, ориентированной на самые сложные модели ФП в партии преобразователей.

3. Путем проведения специальных исследований, найти общую (единую) функцию преобразования для каждой из конструкций ИП, выпускаемых предприятием (создать библиотеку ФП для всех конструкций преобразователей). После того, как такая библиотека создана, после проведения градуировки, определять для каждого преобразователя конкретной конструкции, только индивидуальные коэффициенты ФП, на основе общей модели ФП взятой из библиотеки. Данный вариант позволяет использовать заранее обоснованный, наиболее простой и дешевый план градуировки ИП, т.е сократить производственные издержки без ущерба для метрологических характеристик ИП. Нам видится наиболее перспективным именно последнее направление диссертационных исследований.

Особую актуальность проблема правильного выбора функции преобразования измерительных преобразователей приобрела на крупных приборостроительных предприятиях при промышленном производстве больших партий датчиков давления. В настоящее время на российском рынке представлен ряд авторитетных фирм, занимающихся производством и сбытом таких датчиков. Наиболее известными отечественными производителями измерительных преобразователей давления являются: ЗАО «ПГ "Метран» [105], ЗАО «Манометр» [106], Ульяновское предприятие «Микроэлектронные нормализаторы и системы» [107], НИИ «Физических измерений»(г. Пенза) [108], ООО «Пьезо-электрик» [109], ОАО «Аэроприбор-Восход» [110], НКТБ «Пьезоприбор» [111] и ряд других. Среди иностранных производителей представлены: BD Sensor[120], Siemens [112], Fisher-Rosemount [113], Endress Hauser[121], Yoko-gawa [114], Foxboro [115], Motorola [116], Honeywell [117], Druck [118], Wika [119], и другие [100]. Произошедшие за последние годы изменения в области высоких технологий позволили перейти этим фирмам к выпуску высокоточных интеллектуальных датчиков давления, имеющих близкие характеристики.

В условиях жесткой конкуренции, когда метрологические характеристики датчиков близки друг к другу, особое значение приобретает снижение стоимости испытаний измерительных преобразователей давления при их производстве путем выбора наиболее дешевого плана проведения градуировки. В этой связи актуальным является вопрос разработки алгоритмов нахождения наиболее простых моделей ФП для преобразователей давления, используемых в АСУ ТП, и позволяющих увеличить быстродействие системы, а так же сократить затраты на проведения испытаний датчиков без ухудшения их характеристик.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью работы является разработка алгоритмов обработки информации, позволяющих выбирать более простые функции преобразования измерительных преобразователей давления с сохранением заданной точности измерения давления.

ЗАДАЧИ РАБОТЫ. Для достижения цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ научной литературы, посвященной способам выбора и обоснования функций преобразования измерительных преобразователей давления.

2. Разработать алгоритмы формирования моделей функций преобразования измерительных преобразователей давления с применением статистических методов.

3. Разработать алгоритмы и способы выбора функций преобразования для отдельных экземпляров измерительных преобразователей давления.

4. Разработать алгоритмы получения функции преобразования, общей для датчиков давления определенного конструктивного исполнения;

5. Провести апробацию созданных алгоритмов и программ путем проверки полученных ФП на экспериментальных данных, для датчиков давления различного конструктивного исполнения.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Выполненные в работе исследования базируются на использовании статистических методов анализа, элементов алгебры логики, методов математического моделирования и экспериментальных исследованиях

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Математические модели функций преобразования, предложенные в работе, основаны на корректном использовании статистических методов анализа. Достоверность полученных в работе результатов подтверждается имитационным моделированием функций преобразования. Разработанные алгоритмы базируются на статистических критериях для получения статистических выводов с заданным уровнем достоверности и проверены на больших партиях экспериментальных данных.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке и предложении новых алгоритмов и показателей:

1. Разработан алгоритм разбиения партии преобразователей, изготовленных в едином технологическом цикле на непересекающиеся группы, по уникальным признакам точностных характеристик. Это позволяет реализовать разбиение преобразователей на группы, обладающие различными точностными характеристиками.

2. Предложен показатель сложности для оценки частных моделей функции преобразования, основанный на использовании процедуры ранжирования членов модели и придании им различных весов в зависимости от степени влияющего фактора температуры. Это дает возможность формализовать процесс выбора более простых моделей, не ухудшающих точностные характеристики исследуемых преобразователей.

3. Разработаны алгоритмы формирования моделей функций преобразования для отдельных экземпляров преобразователей давления на основе различных способов объединения моделей, полученных разными статистическими методами, с использованием операторов алгебры логики. Это обеспечивает большую полноту и объективность охвата всех моделей функций преобразования, полученных с использованием различных статистических критериев.

4. Разработан алгоритм получения «общей» модели функции преобразования для датчиков давления определенного конструктивного исполнения, путем объединения моделей отдельных исследованных экземпляров преобразователей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Практическая ценность полученных результатов диссертационной работы, заключается в следующем:

1. Применение предложенных в работе классификационных признаков для разбиения партии измерительных преобразователей давления на группы, дает возможность выявлять преобразователи, имеющие неудовлетворительные для заданного класса точности характеристики, на ранних стадиях производства датчиков давления. Алгоритмизация этих признаков позволяет автоматизировать процесс разбраковки измерительных преобразователей, что снижает издержки производства.

2. Полученные модели функций преобразования имеют более простой вид, чем используемые в настоящее время, и обеспечивают показатели погрешности от нелинейности и температурной погрешности, отвечающие требованиям нормативной документации. Применение в АСУ ТП датчиков давления с такими функциями преобразования повышает быстродействие системы и улучшает ее технико-экономические показатели.

3. Разработанные алгоритмы позволяют создавать на приборостроительном предприятии, выпускающем датчики давления, библиотеку функций преобразования для каждой конструкции преобразователя давления, выпускаемой промышленным предприятием. При этом, процедуру нахождения по результатам градуировки функции преобразования отдельных датчиков определенной конструкции, предлагается свести к нахождению индивидуальных коэффициентов модели функции преобразования, взятой из библиотеки для этой конструкции.

4.Разработанный программный продукт, позволяет получать модели функций преобразования описанными в работе методами, что дает возможность использовать программу для исследований измерительных преобразователей давления разных конструкций.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Разработанные в работе алгоритмы реализованы и внедрены в рамках выполнения научно-исследовательских работах (НИР № 2005122-13 от 01.09.2007 г., НИР № 2005122-21/1 от 29.08.2008 г., НИР №2005122-27 от 01.12.2009 г., НИР №2005122-31 от 10.11.2010 г.) на ЗАО «Промышленная группа «Метран». Предложенные в работе модели функций преобразования использованы при проведении испытаний преобразователей давления на ЗАО «Промышленная группа «Метран», что подтверждается актом внедрения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научно-технических совещаниях в Глобальном инженерном центре ЗАО «ПГ «Метран» в 2007 - 2010 годах.

Результаты работы докладывались на: 9-й Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» -(Воронеж, НПФ «Саквоее», 13-15 мая 2008 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Разработки Российской Федерации по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники» (Секция «Информационно-телекоммуникационные системы», Челябинск, ЮУрГУ, 11- 13 мая

2009 г.); XII и XIII международных научно-практических конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики» (г. Сочи, ГОУ ВПО «МГУПИ», 5-9 октября 2009 г.; 4 - 8 октября

2010 г.); IX и X Всероссийских научных конференциях молодых ученых «Наука, технологии, инновации (НТИ-2009) и (НТИ-2010)» (Новосибирск, ГОУ ВПО «НГТУ», 4-5 декабря 2009 г.; 3 - 5 декабря 2010г.); Второй международной научно-практической конференции «Измерения в современном мире-2009»(Санкт-Петербург, ГОУ ВПО «СПбГПУ», 8-10 декабря 2009 г.); Девятой международной научно-практической конференции «Исследования, разработки и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 22 - 23 апреля 2010 г.); научных конференциях ЮУрГУ в 2008 -2010 году.

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам диссертационных исследований и разработок опубликовано 13 печатных работ, из них 4 работы в ведущем рецензируемом журнале ВАК.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (12 Наименований), и 4 приложений. Основная часть работы содержит 128 стр., 24 рис., 56 таблиц.