基于VMD-ConvKELM算法的燃气计量检测系统.pdf

收稿日期:作者简介:孙秀卿()硕士/工程师.基于 算法的燃气计量检测系统孙秀卿 杨天龙 吉恒洲 朱昕姝(陕西省天然气股份有限公司 北京博思达新世纪测控技术有限公司)摘 要 燃气流量计量中存在信号噪声干扰和气流扰动 不能满足冶金、燃气、发电等工业领域精确计量需求 文章设计了一种基于气体流量传感器采集与变分模态分解()滤波优化预测补偿的燃气流量检测系统 在气体流量传感器采集信号进行变分模态分解的滤波处理 并使用卷积计算核极限学习机()预测模型对数据误差进行预测补偿 实验结果表明 方法在信号分解和误差预测补偿任务中具有优越的性能 通过对比不同算法的预测精度 结果显示 优化的燃气计量检测能够有效地测量实际流量值 具有较高精度且结果更加稳定可靠关键词 燃气流量 变分模态分解 卷积计算核极限学习机 滤波补偿文献标识码:文章编号:()(.)().().钢铁工业是国民经济的支柱性产业 同时也是能源消耗和二氧化碳排放密集型产业 节能降碳潜力巨大 而钢铁行业的燃气计量不仅是节能减排的前提 也是评价能源利用、节能减排效果的技术手段和有力措施 燃气流量计主要包括涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、转子流量计、孔板流量计和超声波流量计等 其中气体涡轮流量计具有组成简单、安装维修方便、宽量程比、抗震性能好、故障率低、对气体燃料种类适应性强和响应速度较快等优点 广泛应用在钢铁、天然气储运各个工序 但是由冶 金 能 源 于安装环境的不确定性 会导致测量时出现误差影响准确度 所以涡轮流量计的输出信号需要经过滤波和数据预测模型进行补偿 从而提升燃气流量的检测计量精度 燃气流量计部分组件及工作过程 燃气流量计部分组件燃气流量计部分组件包括气阀门、整流器、转速流量转换器、气室、主控芯片和控制端等如图 所示 其中主控芯片为某公司生产的一款 位 该主控芯片丰富的外部接口可实现气体涡轮流量计功能 主要包括模拟输入输出端口()可以用于接收模拟信号或发送模拟信号 数字输入输出端口()可以用于接收数字信号或发送数字信号 串行通信接口(、)可以用于实现与其他设备的串行通信 中断请求输入输出端口()可以用于接收或发送 中 断 请 求 信 号 定 时 器 模 块()可以用于生成精确的时间延迟或测量时间间隔图 燃气流量计部分组件 工作过程气阀门控制气流的通断 首先燃气经过整流器后流动状态变得平稳 再进入流量计 涡轮开始转动 涡轮的转速与气流的流速成正比 然后 流量测速传感器捕捉气体流量的变化并转换为相应的电信号 电信号可以被仪表内部的电路放大、整形 并输出给信号处理和显示部分 控制器单元实时显示气体流量数据 滤波算法与预测补偿算法 变分模态分解滤波由于测量误差及电路波动等原因 收集到的信号数据存在误差 使用变分模态分解()进行数据滤波处理可以减少误差()算法约束变分模型将信号数据分解成一系列多个频率模态分量()在频率域内迭代更新求解最佳 模型解 首先将数据分解为 个模态分量 初始化模态分量频率 迭代次数不断增加 设定迭代判断条件 更新频率分量和当前模态数()上述步骤循环往复 迭代至满足条件为止 最终条件为判别精度符合期望要求该方法通过对中心频率和模态基频带参数的调整 将信号分解为多个频率和振幅逐渐变化的 分量 能够同时捕捉时空特征和长期依赖关系 可以在处理平稳信号和非线性信号时获得更好的分解结果 有效地处理时序数据并具有良好的特征提取 改进的 算法基于卷积计算核极限学习机()的燃气计量预测补偿模型 该模型利用 对流量数据进行时序建模和预测补偿 提高误差补偿的准确性和鲁棒性 预测模型流程:()对原始转数传感器数据进行适当地预处理和特征提取()将提取的特征序列输入 模型中进行时序建模 引入了核函数连接从而进一步调节特征映射 解决了梯度消失的问题 通过对 进行卷积可以对数据进行有效的时序建模和预测 在训练过程中通过反向传播算法优化 模型的参数 以使其能够更好地拟合数据的特征和变化趋势 另外 引入状态激活函数 使得网络能够长时间保持和访问历史信息 方 法 将 和 有机结合 克服传统方法和 在信号分解任务中的局限性 其算法流程如图 所示先通过 模型滤波预处理 传感器数据信号被分解为多个本征模态函数()揭示了时频特性和不同频率成分变化的影响 通过对每个 分量进行递归训练和参数优化 实现了对原始信号的准确分解和预测 之后 对每个 进行时序建模和预测 利用卷积层提取 冶 金 能 源 局部特征网 通过递归训练和参数优化 最后将各个 的预测结果重构为对原始信号的预测图 方法流程 模型提高了预测准确性和泛化能力 方法在信号处理中能够解决复杂的信号分解和预测问题 在信号分解和预测补偿任务中具有优越的性能 该方法能够提取传感器信号的时空特征 具有高预测精度和泛化能力 为传感器系统的测量值识别提供支持 测试结果以某企业天然气计量系统为验证平台 采用涡轮流量计 以压缩空气来稳定天然气压力 阀门开度控制流量变化 测试期间天然气流量在 /范围内波动 为了突出测试效果尽量模拟瞬时流量的突变情况 当转数计采样频率为 时 将转速计数据进行 滤波后接入、和 四种不同预测算法 比较不同算法的预测值误差参数如表 得到的预测值的平均绝对误差、均方差 和平均绝对百分比误差 均小于三种传统的预测方法其预测值准确性更高、和 四种算法预测值和实际值对比如图 所示 对比其他方法 方法得到的预测值 在流量连续变化情况下具有良好的数据预测精度表 四种不同预测算法的误差参数误差参数 均方差 平均绝对百分比误差 平均绝对误差 图 流量试验数据 结论针对气体燃气流量计在钢铁、冶金、燃气、发电等工业中的精确计量需求 提出利用 算法 有效地从时序数据提取特征 实现较高的预测补偿精度 以某企业天然气计量系统为平台对各类算法进行验证 结果表明 算法得到的结果有更好的精度和更高的稳定性 能够很好地解决气体流量的精确数据计量问题 未来还将进一步验证和提高系统计量的可靠性参考文献 白晓光 杨帆 黄雅彬 等 包钢高炉喷吹煤优化选择及性价比评价 .冶金 能 源 ():谷延良 安亚鹤 李金叶 等 提高 燃气轮冶 金 能 源 机夏季发电能力的研究与实践.冶金能源 ():张琦 沈佳林 籍杨梅 典型钢铁制造流程碳排放及碳中和实施路径.钢铁 ():王杰 曾加庆 杨利彬 等 转炉炼钢过程的精细化控制及协同优化.钢铁 ():孙兴伟 李宜霖 杨赫然 等 流体粘度对涡轮流量计计量特 性 影 响 研 究 .仪 器 仪 表 学 报 ():邵家存 严微微 林景殿 等 气体涡轮流量计后导流体结构优化设计.仪器仪表学报 ():万观军 严微微 邵家存 等 气体涡轮流量计结构改进与性 能 优 化 研 究 .传 感 技 术 学 报 ():李旭阳 万观军 严微微 等 气体涡轮流量计结构优化研究.仪器仪表学报 ():郭素娜 宋巍 相诺林 等 基于 仿真的涡轮流量计动态特性.北京航空航天大学学报():潘旭东 赵伟国 章圣意 等 基于高精度时差法的气体超声流量计研究.传感技术学报 ():岳应娟 孙钢 蔡艳平 等 基于 的内燃机振动信号时频分析方法.武汉科技大学学报 ():.():万 雪编辑(上接第 页)参考文献 杜学强 郦秀萍 韩伟刚 等 炼铁 炼钢界面动态运行过程解析与仿真优化.钢铁 ():王新 常金宝 李杰 方坯连铸 轧钢“界面”技术的发展与应用.钢铁 ():周继程 郦秀萍 韩伟刚 等 炼铁 炼钢界面模式与铁水罐多功能化技术.钢铁 ():王海风 郦秀萍 周继程 等 钢铁工业节能技术发展现状及趋势.冶金能源 ():刘道忠 国产混铁车系列产品介绍.铁道车辆 ():吴懋林 张永宏 杨圣发 等 鱼雷罐铁水温降分析.钢铁 ():杜贤武 朱善合 陈超 等 加盖鱼雷罐的铁水温降分析.冶金能源 ():楚化强 冯艳 顾明言 等 鱼雷罐罐体温降与内衬厚度关系特性分析.安徽工业大学学报(自然科学版)():徐维忠主编 耐火材料.北京:冶金工业出版社 李庭寿 冯改山 戴龙大 等编著 钢铁工业用节能降耗耐火材料.北京:冶金工业出版社 刘诗薇 于景坤 颜正国 等 鱼雷罐车热量损失的影响因素及控制方法.材料与冶金学报 ():单佳 楚化强 顾明言 等 混铁车外表面温度与内衬厚度关系的模拟研究.安徽工业大学学报(自然科学版)():.():赵 艳编辑 冶 金 能 源