Способ измерения режимной координаты и устройство для его осуществления

 

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 - НИН И расширения области использования , дополнительно определяют оценки режимной координаты по числу режимов технологии, измеряют и сравнивают между собой дисперсии полу ченных для каждого реяЙ1ма технологии оценок режимной координаты и о текуп ем 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 реяммной координаты, отл, ичающееся тем, что оно снабжено дисперсиометрами, i компараторами и дополнительными блоками определения оценки режимной (Л координаты по числу режимов технологии и управляемым коммутатором, причем выходы датчиков технологических параметров подключены к входам со5 ответствующего блока определения оценки режимной координаты, в ыходы ка кдого из которых соединены неЮ посредЬтвенно с информационными входами управляемого коммутатора и СО СП через последовательно соединенные дисперсиометры и компараторы с уп09 равляющими входами управляемого коммутатора, выход которого является выходом устройства.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

g g E 02 F 9/20

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3612959/29-03 (22) 29.06.83 . (46) 07. 12. 84. Бюл. N- 45 (72) К.В. Кибизов и А.Ч.Хатагов (71) Северо-Кавказский ордена Дружбы народов горно-металлургический институт (53) 621.879.34 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР 488504, кл..G 01 G 23/36, 1975. 1

2. Авторское свидетельство СССР

975925, кл.,Е 02 F 9/20, 1978.

3. Авторское свидетельство СССР

N - 866076, кл. E 02 F 9/20, 1978. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЖИМНОЙ КООРДИНАТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 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„„ЯЦ„„1127953 Д нивают между собой дисперсии полученных для каждого режима 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено дисперсиометрами, компараторами и дополнительными блоками 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.

t 11279

Изобретение относится к контролю и автоматизации технологических процессов (ТП), в частности к способам измерения таких физических величин, которые не поддаются непосредственному измерению, и может быть использовано в АСУ ТП и в локальных системах автоматизации при контроле и управлении технологическими процессами, преимущественно в горной промышленности для контроля режимов экскавации и качества подготовки забоя.

Известны способы косвенного контроля и измерения режимной координаf5 ты, не поддающейся прямому измере- нию, например способ измерения веса материала, выгружаемого из ковша экскаватора, при котором сигнал разности умножают на сигнал, равный

20 разности между постоянным сигналом, пропорциональным весу порожнего ковша с рукоятью, и сигналом, пропорциональным частному от деления половины произведения длины рукояти на длину выдвинутой части рукояти f1 3, Однако для повышения точности таких способов контроля приходится полнее считывать всю совокупность влияющих факторов, из-за чего быстро растет сложность функциональной

30 зависимости, лежащей в основе измерения, и ее аппаратурной,реализации, а это вызывает объективное ограничение практически достижимой точности. Кроме того, многие влияющие фак- З5 торы часто, в свою очередь, не поддаются измерению. Если же ограничиться кругом измеряемых первичных переменных, то остальные факторы — помехи никак не учитываются.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения режимной координаты, технологического процесса, основанный на измерении технологических параметров и вычислении 45 по ним оценки режимной координаты с помощью регрессионной модели. В нем по сигналам датчиков натяжения подъемного каната, его длины и вылета рукояти косвенно измеряемую . 50 загрузку ковша определяют с помощью одной регрессионной модели, используемой в качестве расчетной формулы. Точность контроля достигается выбором рационального момента изме- 55 рения. Область вариации первичных, независимых переменных (факторов) узка в момент открывания днища ков53 2 ша при его разгрузке Благодаря этому найденное по данным наблюдений в этой области уравнение регрессии остается адекватным, а измерение загрузки ковша достаточно точ- . ным во всех дальнейших циклах экскавации P2).

Опнако при известном способе измеряемая величина не стохастическая непрерывная, переменная, а постоянная величина в течение всего периода поворотного движения экскаватора.

Именно поэтому достаточно выбрать один наиболее благоприятный момент измерения, чтобы обеспечить хорошую точность определения загрузки ковша.

Способ не решает общей задачи косвенного измерения, так как при широкой области вариации факторов и/или нестационарности ТП, он не дает точных результатов.

Устройство для измерения режимной координаты технологического процесса, содержащее датчики технологических параметров и блок определе, ния оценки режимной координаты, построено - на одной регрессионной модели и разпознавателе момента взвешивания содержимого ковша, благодаря выбору которого достигается повышение точности, с которой отклик модели отражает действительную загрузку ковша. В этот момент распознаватель открывает ключ и пропускает сигнал измеряемой загрузки, на индикатор, причем разпознавание кондиционного момента цикла экскавации происходит либо.по нажатию машинистом кнопки открывания днища ков,ша, либо по наступлению определенного соотношения факторов ГЗ ).

Однако общая задача измерения непрерывной стохастической координаты ТП не решаема с помощью одномодельной измерительной схемы. В ней выбором момента отбора информации уже нельзя достичь повыпения точности измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения и расширение области использования.

Поставленная цель достигается тем, что при способе измерения режимной координаты технологического процесса, основанном на измерении технологических параметров и вычислении по ним оценки режимной scoopдинаты с помощью регрессионной модели, дополнительно определяют оцен-27953 4 .Достоверность этого решения сле- дует из известного положения о том, что любое уравнение регрессии наи- i более точно предсказывает в "цент" ре факторного пространства. В однофакторном случае эта достоверность видна из выражения для оценки среднеквадратической ошибки отклика Y регрессионной модели в заданной точке интервала вариации фактора

\

45 г л fn

Y +в = Y + вц.кв.вам } 4

3 11 ки режимной координаты по числу режимов технологии, измеряют и сравнивают между собой дисперсии полученных для каждого режима 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.

При этом устройство для измерения режимной координаты технологического процесса, содержащее датчики технологических параметров и блок определения оценки режимной координаты, снабжено дисперсиометрами, компараторами и дополнительными блоками определения оценкй режимной координаты по числу режимов технологии и управляемым коммутатором, причем выходы датчиков технологических

20 параметров подключены к входам соответствующего блока определения оцен1 ки режимной координаты, выходы каждого из которых соединены непосредственно с информационными входами управляемого коммутатора и через последовательно соединенные дисперсиометры и компараторы с управляющими

v входами управляемого коммутатора, выход. которого является 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 для измерения режимной координаты технологического процесса.

Сущность способа измерения режимной координаты технологического про- 40 . цесса состоит в том, что вначале всю область вариации первичных измеряемых технологических величин ТП разбивают на подобласти, т..е. оп, ределяют, из каких режимов технологии состоит данный ТП, а затем в каждом из них ойределение значений измеряемой координаты ТП производят по первичным технологическим величинам с помощью регрессионной модели 50 данного режима. Каждый раз, когда косвенное измерение координаты ТП выходит за пределы заданной точности, переходят к новому прямому измерению и преобразованию первич- 55 ных технологических величин, в результате чего вновь получают адекватное значение координаты ТП. где х„. — наблюдаемые значения фактора х; х — общее среднее значение х-ов по выборке объема и;

K.(х,-х) — сумма квадратов отклонений фактора; хк — заданная точка интервала вариации фактора;

S — оценка остаточного среднеквадратического отклонения Y-O т. е. эксперименталь-: но наблюдаемых значений 1,. измеряемой координаты ТП.

Эта оценка минимальна и равна

5/Yr в "центре" наблюдений, при удалении от которого в любом направлении она растет ° Это проиллюстрировано графически на фиг.1 для случая, когда интервал вариации фактора состоит из трех подинтервалов I

II u III где а — линия регрессии, 6 — линии доверительных границ, в— линии дисперсий. Ординаты доверительных границ для 9 равны где с — ошибка в любой K-й точке интервала вариации фактора х

1 табл (1 — 2 с(,) 7-ная точка

1 -распределения (Стьюдента) с (-2) степенями свободы (cC- уровень риска) .

Минимальные значения ошибок измерения координаты ТП в подинтер112795

ЗО.3 валах при одинаково адекватных регрессионных моделях близки одно

" другому тмин © и мин ""ю мнн максимальное значение Фм имеет место на стыке подинтервалов.

Согласно сущности предлагаемого измерения при переходе технологического процесса из одной подобласти факторов в другую необходимо соот, ветственно переключать регрессионные модели. Для этого нужно непрерывно измерять.и сравнивать между собой л л оценки дисперсий Д (у) откликов всех моделей, Выбор именно соотношения дисперсий в качестве критерия для переключения моделей обусловлен простотой и точностью его контроля. Минимальная из оценок дисперсий указывает наиболее адекватную модель в данный момент вре- мени, иначе говоря, она указывает, в какой подобласти факторов находится ТП, по какой модели следует вычислять измеряемую координату в данный момент времени. Например, как . указывают линии в дисперсии (фиг.1), чтобы оценка дисперсии не превысила ординат сплошной линии или,что то же, чтобы ошибка измерения координаты ТП не превысила допустимого значения с =, в точке хд, где О(Y 1с 3 (У;,) с 3 ((,-, ), выбирается модель I; в точке х, где D(Y ))I)(5,-,)с (9 1, 1,,н) модель II; в точке х происходит переключение моделей I u

II. Таким образом, всякий раз, когда Ç5 ошибка измерения координаты превысит допустимое значение, извлекают новую информацию из ТП; благодаря чему сохраняется точность измерения.

Способ измерения режимной коор. 40 динаты предназначен для технологических процессов, в которых различаются не менее двух режимов технологии,, заметно очерченных последовательно сменяющихся состоянии, суще-45 ствующих на различных интервалах времени. Критериями для такого различения могут служить статистичес- . кие критерии однородности выборок из этих режимов ТП. Последние и соответствуют подобластям факторного пространства. Для широкого круга технологических процессов число подобластей не превышает пяти. Это связано с тем, что при характерных для 55 .этого круга процессов диапазонах изменения технологических величин дальнейшее дробление их на число

3 6 подобластей, большее пяти, не дает дальнейшего существенного повышения точности измерения, но затрудняет различимость и дискриминацию моделей при большей сложности измерения. Это происходит в силу экспоненциального характера зависимости уменьшения ошибки измерения 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 измерения все более падает.

Способ измерения базируется на возможности нахождения уравнений регрессии как расчетных формул по известной методике. Для этого массивы опытных данных об измеряемой координате ТП снимают с помощью доступных ручных методов опробования и контроля 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, настоящий способ изме- рения неприменим.

Предлагаемый способ включает преобразование первичных технологических величин регрессионными моделями ТП. Причем действия над этими величинами, входящие в преобразование регрессионной моделью, заключены в самой модели для конкретного

ТП и конкретного режима ТП.

Предлагаемый способ можно использовать, например для измерения массовой загрузки ковша экскаватора в любом его положении по таким измеримым величинам, как геометри.ческое расположение рабочего оборудования, нагрузки в механизмах подъема и напора; измерения характеристик экскаваторного забоя по токам электроприводов экскаватора и геометрическим координатам его рабочего оборудования; измерения тонины помола в мельницах обогащения по измеримым загрузке руды, воды, мелющих тел и возврата и

1127

15

7 выгрузке пульпы, акустическому и вибросигналам, а также в металлургических процессах обжига концентратов в кипящем слое для измерения содержания остаточной серы в огарке по таким технологическим величинам, как температура обжига, расход дутья, концентрата, аэроди.намический режим, вь1грузка агарка и обжиговых газов и в тонколистовой холодной прокатке для измерения надлежащего раствора валков по скорости прокатки и сигналам толщиномеров до и после клети.

Устройство для измерения режимной координаты технологического процесса (фиг.2) построено применительно к ТП, в котором выделяются три режима технологии (три подобласти технологических параметров), причем измеряемая режимная координата Y тесно коррелирует с четырьмя технологическими параметрами х, х2 хэ и Х4 которые поддаются непосредственному измерению с помощью датчиков (случай достаточной общности). Для режимов технологии I II u III найдены регрессионные модели .

= о+> х.+а х +a х +а y . 30

1 1 2 2. 3 3 + + л щ- 1х. +с2х — с х х4

Каждое из этих уравнений реализо- З5 вано в виде вычислителя сигнала У по сигналам датчиков х х х и х с

2 3 4 учетом соответствующих коэффициентова Ь ис, Устройство измерения координаты 40

ТП содержит датчики 1-4 первичных технологических параметров, блоки

5-7 определения оценки режимной координаты по регрессионным моделям, управляемый коммутатор 8, диспер- 45 сиометры 9-11 и компараторы 12-14.

Выходы всех датчиков 1-4 подаются на соответствующие .входы каждого из блоков 5-7, выходы которых подсоединены как к соответствующим парам информационных входов а- с и Ь-f и Ы вЂ” 8 урравляемого коммутатора 8, так и к входам соответствующих дис" персиометров 9-11. Выходы дисперсиометров 9-11 попарно подключены .55 к двум входам каждого из компараторов 12-14, выходы последних соединены с управляющими входами соот953 8 ветствующего разряда управляемого коммутатора 8, выход которого является общим выходом всего измеритель ного устройства.

Элементы устройства для измерения режимной координаты ТП конструктивно выполнены следующим образом.

Датчики 1-.4 представляют собой преобразователи первичных технологических величин в напряжение постоянного тока.

В блоках 5-7 определения оценки режимной координаты по регрессионныммоделям для выполнения операций сложения и вычитания могут быть применены сумматоры на базе микросхемных операционных усилителей общего применения.

Управляемый коммутатор 8 — это многоканальный (многовходовый) ком-мутатор, управляемый двоичным кодом..Здесь может быть применен микросхемный восьмиканальцый коммутатор типа К590КН1 управляемый трехразрядным параллельным двоичным кодом. Суть его работы заключается в том, что к общему аналоговому выходу микросхемы подключается тот из ее восьми входов, номер которого соответствует двоичному числу, поданному на кодовые входы управления.

Дисперсиометры 9-11 также могут быть построены средствами -аналоговой .микросхемотехники, например, по функциональной схеме,в которую входят два усредняющих фильтра, сумматор и перемножитель. Это возможно благодаря тому, что выходные сигналы блоков 5-7 в пределах подобласти факторов представляет собой стационарные и эргодические случайные функции времени ((1).

Выходной сигнал такого дисперсиометра достаточно точно выражает дисл персию сигнала y (t j при 1 >, (610)Т, где Т вЂ” доверительный отрезок времени, например, для измерения с точностью в IX он равен 16, где — интервал автокорреляции выходного сигнале вычислителя по. регрессионной модели. Дисперсиометры постоянно подключены к выходам блоков определения оценки режимной координаты, благодаря чему их сигналы адекватны. При больших постоянных времени Т усредняющих фильтров следует использовать мало9 шумящие операционные усилители широкого применения типа К551УД1А.

Компараторы 12-14 предназначены для выработки управляющего кода многовходового коммутатора и особы требования к ним не предъявляются.

Для согласования со стандартными уровнями цифровых сигналов интегральных коммутаторов в практической схеме удобно использовать компараторы напряжения типа К521СА3

Дискриминатор 15 моделей включа в себя совокупность блоков 8-14 (фиг.2, пунктир). Его функциональная роль заключается в том, чтобы выход всего устройства в качестве л сигнала Y подавать тот из выходл и ных сигналов (Y- или Y — вых И! числителей 5-7 дисперсия которого минимальна .

Способ осуществляется следующим образом:

Выходные напряжения х х, х .1 2 3 х4 датчиков 1-4 непрерывно подают на выходы каждого из блоков 5-7 и преобразуют ими по регрессионным моделям каждой подобласти факторов в соответствующие сигналы измеряемо координаты ТП. Дискриминатор 15 моделей осуществляет выбор между этими сигналами. Для этого все вы. п л ходные сигналы Ч., Y,-, и Ф блоков 5-7 также непрерывно поступают на соответствующие информационные выходы а-с, Ь-5 и d- е управляемого коммутатора 8 и соответственно на входы дисперсиометров 9-11. Последние непрерывно вырабатывают сигналы пропорциональные оценкам дисперсий сигналов каждого из блоков опенки определения режимной координаты.

Компараторы 12-14 осуществляют срав нение сигналов дисперсий. При таком ,попарном соединении выходов диспер-! сиометра с входами компараторов (фиг.2) однозначно возможны только следующие кодовые комбинации на выходах компараторов (компаратор 12 с соответствует I разряду кода, компаратор 13 — II разряду, компаратор 14 - III разряду если напряжение,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

"0". Это относится к каждому -из компараторов 12, 13 и 14).

1 1 27953 10

В случае, когда дисперсия р (у ) сигнала вычислителя 5 наименьшая из трех 001 (соответствует 1 в десятич.— л ной системе счисления},если 9 (Y -,) >

)3(„);011 (соответствует 3), если

9(9;,) II (,-„).

В случае когда минимальна дисперсия, Р (Y -) сигнала вычислителя б

010 (соответствует 2), если 9 (Y;„) )

>f) (Y );110 (соответствует 6), если

D(Y,) < э(,,). ет В случае, когда минимальна дисперсия D (Y;„) сигнала вычислителя 7

100 (соответствует 4), если 3 (Ф ) > на 15 )g(Yg); 101 (соответствует 5), если

9() < 3(У;,).

Кодовые комбинации 000 и 111 в рассматриваемой схеме принципиально невозможны.Каждой кодовой комбинации соответствует подключение к выходу всего измерительного устройства соответствующего из информационных входов управляемого коммутатора 8.

Например, если минимальна дисперсия сигнала YI возможны две кодовые комбинации, при которых управляемый и 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 соединения соответственно возможным кодовым комбинациям произведены и для двух других рассмотренных случаев. Таким образом, к выходу измерительного устройства всегда подключена та регрессионная модель, дисперсия сигнала которой в данный момент времени наименьшая, а следо-.

40 вательно, определение измеряемой режимной координаты производится по наиболее адекватной регрессионной модели. Это значит, что за величину измеряемой (искомой) коор4> динаты в данный момент времени берется результат того первичного измерения и преобразования, которое соответствует данному технологическому режиму.

Использование предлагаемых способа и устройства позволит расширить область использования на непрерывные стохастические переменные — за счет непрерывного контроля 55 точности измерения переменной и автоматической перестройки измерительного устройства на более точную в данный момент времени модель

l .1 при выходе ошибки измерения sa допустимые пределы; на нестационарные ТП вЂ” за счет разделения глобально нестационарного технологического процесса на 2-5 сменяющих один другой во времени локально стационарных процессов, в каждом из которых факторы и переменные характеризуются отсутствием трепдов, однородностью дисперсий, в них соблюдаются предпосылки метода регрессионного анализа, а также условия эргодичности переменных (благодаря последнему упрощается контроль дисперсии выходных сигналов регрессионных моделей); на тех" нологические процессы, которые во всей области факторов обычно требуют для своего описания нелинейных по параметрам уравнений регрессии, — за счет того, что в узких локальных подобластях факторов всегда можно подобрать адекватные линейные по параметрам уравне1127953 l2 ния; на случай измерения двух и более координат ТП. По предлагаемому способу это можно осуществить на базе одних и тех же первичных дат5 чикове

Изобретение позволит также повысить точность измерения режимной координаты ТП за счет уменьшения удаленности вектора факторов от

l0 "центра" наблюдений. В однофакторном случае - это уменьшение величины (х„-х), а также за счет непрерывного контроля точности измерения и уменьшения остаточной дисперсии в !

S "центре" наблюдений, поскольку теперь уравнения регрессии подбираются и оцениваются для узкой подобласти вариации факторов и облегчается выполнение четырехкратного крите-.

20 рия точности предсказания. Способ позволит, уменьшить ошибку измерения до 2-3 раз по сравнению с регрессионным измерением на базе одномодельной измерительной схемы.

1127953

1127953

Составитель P. Гладун

Техред С.Мигунова Корректор A. Зимокосов

Редактор О. Юрковецкая

Заказ 8999/22

Тираж 643 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1.13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 г"

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4