Фундаментальные основы обработки данных для автоматического контроля достоверности показаний средств измерений цифровой индустрии

Объекты исследования: физико-математические модели средств измерений; статистические модели средств измерений динамически искаженные сигналы средств измерений; зашумленные сигналы средств измерений; методы аугментации многомерных наборов временных данных средств измерений. Цель научного исследования - разработать и исследователь аналитические, численные, статистические модели и методы обработки данных с опорой на разработанные модели для автоматического контроля достоверности и коррекции результатов измерений средств измерений разнородных физических величин. В ходе выполнения НИР получены следующие научные результаты. 1. Разработана математическая модель измерительной системы, состоящая из установленных на вращающемся валу двух емкостных МЭМС-акселерометров, позволяющая измерять радиальную и тангенциальную составляющие ускорения вращающегося вала. 2. Разработана математическая модель нелинейного осевого гибкого динамического движения микробалки МЭМС-структуры с электростатическим приводом, учитывающая постепенную деградацию жесткости микробалки с течением времени, вызванную циклическими нагрузками. 3. Разработан метод определения температуры по результатам первичных измерений сопротивлений. Предложена математическая модель зависимости температуры от электрических сопротивлений, представленная в виде полиномов. 4. Разработан метод обработки зашумленных динамических измерений, основанный на использовании аддитивных стабилизирующих функционалов, обеспечивающих устойчивость алгоритмов относительно погрешности исходных данных при фиксированном интервале измерений по времени. 5. Разработан метод исключения обратных связей и восстановления входного сигнала по зашумленным данным, основанный на саморегуляризирующем алгоритме, обеспечивающий уменьшение влияния шума исходных данных на результаты восстановления входного сигнала. 6. Предложена новая структура динамической модели измерительной системы на основе принципа адаптивного линейного усиления сигналов, которая позволяет корректировать динамическую погрешность без дополнительной информации об измеряемых процессах; 7. Предложена новая модель адаптивного линейного оценивателя в структуре измерительной системы, позволяющая одновременно корректировать динамическую погрешность и получать ее среднеквадратическую оценку; 8. Предложены новые метод и алгоритм адаптации порядка корректирующего фильтра измерительной системы по критерию минимума оценки динамической погрешности. 9. Разработаны модели одиночной трубки и двухтрубной конструкции расходомера на основе теории вычислительной динамики жидкости и газа, позволяющие возбуждать колебания трубок и оценивать фазовый сдвиг колебаний трубок, связанный с массовым расходом и режимом протекающей через трубки жидкости. 10. Разработан метод коррекции погрешности измерений кориолисового расходомера на основе ансамблей деревьев решений. Построены модели регрессии, корректирующие ошибку измерения массового расхода и плотности. 11. Разработаны имитационная модель, основанная на изменении младших коэффициентов номинальной статической характеристики, и алгоритм генерирования синтетических данных. 12. Разработана методика валидации имитационной модели и алгоритма генерирования синтетических данных, основанная на использовании диаграмм размаха, расстояния Вассерштайна и непараметрического двухвыборочного критерия однородности Лемана-Розенблатта. 13. Разработан алгоритм адаптивной фильтрации, основанный на медианном фильтре с автоматически подбираемым порогом, для удаления шумов в данных средств измерений. 14. Разработан новый метод декомпозиционной аугментации многомерных временных данных. Полученные результаты формируют научную базу для проведения прикладных исследований в области самодиагностики и метрологического самоконтроля средств измерений разнородных физических величин: 1. Разработанные модели, методы и алгоритмы создают основу для эффективной обработки информации в контрольно-измерительных системах в условиях неполных, зашумленных и динамически изменяющихся данных и могут быть применены для широкого круга прикладных задач, связанных с теплопереносом, например, при формировании и оптимизации технического регламента технологических процессов. 2. Разработанные алгоритмы оценивания и коррекции динамической погрешности (неопределенности) средств измерения позволяют улучшить динамические характеристики средств измерения только за счет глубокой математической обработки результатов измерений без изменения структуры и конструкции существующих средств измерения. Разработанный алгоритмы применимы для широкого спектра средств измерения, в том числе температуры и давления. 3. Разработанные модели коррекции показаний средств измерений, основанные на методе ансамблей деревьев решений, создают математическую основу для алгоритмов обработки информации широкого спектра средств измерений, например, для повышения достоверности определения показаний плотности и массового расхода кориолисового расходомера, работающего в условиях течения неоднородной среды “жидкость - газ”. 4. Разработанные имитационные модели дрейфа функций преобразования средств измерения на основе экспериментальных данных позволяют генерировать синтетические данные о деградации датчиков, например, температуры. Полученные синтетические данные не требуют дополнительной верификации и позволяют проводить настройку статистических алгоритмов оценки достоверности результатов измерения, а также количественно сравнивать различные алгоритмы оценки достоверности и коррекции результатов измерений средств измерений. Все поставленные на данном этапе задачи были выполнены полностью. Научно-технический уровень разработки сравним или превосходит лучшие достижения в соответствующих областях. Рекомендации и исходные данные по конкретному использованию результатов НИР и оценки технико-экономической эффективности внедрения будут даны в заключительном отчете.