Программное обеспечение для обработки сигналов диагностики металлических изделий методом свободных колебаний

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Программное обеспечение для обработки сигналов диагностики металлических изделий методом свободных колебаний

Бычков Е.Д., Титов Д.А., Ельцов А.К.,

Карабанов В.С., Фадина Е.А.

1. Функциональное назначение продукта, область применения, его ограничения

Данное программное обеспечение (ПО) используется для обработки дискретизированных сигналов диагностики тянутых тонкостенных металлических кожухов (ТМК) различной формы. Для обнаружения скрытых дефектов в ТМК используется метод свободных колебаний. ТМК подвергают механическому удару при помощи вибратора, а создаваемые колебания регистрируют микрофоном. Сигнал микрофона преобразуется в цифровую форму с помощью звуковой карты ПЭВМ (в данном случае используется аналого-цифровой преобразователь, соответствующий стандарту AC'97). В ПЭВМ с помощью данного ПО производится формирование решения о наличии (или отсутствии) дефекта в ТМК.

ПО устанавливается на ПЭВМ и работает в составе программной среды Matlab 6.5. Экранные формы ПО выполнены в виде структурных схем со стандартными и специализированными элементами библиотеки Simulink среды Matlab.

Настоящее ПО осуществляет

обращение к аппаратным средствам компьютерной звуковой карты (получение последовательности отсчетов дискретизированного сигнала);

предварительную обработку дискретизированного сигнала;

реализацию алгоритмов автоматического анализа сигнала с использованием нечетких (fuzzy) множеств;

принятие решения о наличии дефекта в ТМК по результатам анализа сигнала.

Схема приборной установки, использующей описываемое программное обеспечение представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема приборной установки: 1 - ТМК; 2 - ударник (вибратор); 3 - резиновая подставка; 4 - микрофон; 5 - ПЭВМ (блок обработки информации) с установленным ПО.

ПО реализовано в виде графической модели с использованием пакета расширения Simulink программной среды Matlab. Для упрощения визуального восприятия модель имеет вложенную структуру, т.е. состоит из моделей более низкого уровня (подсистем). Общий вид описываемой модели представлен на рис.1. Подсистемы модели показаны на рис. 2, 6-11.

Рис. 1. Общий вид графической модели

ПО производит обработку массивов (переменных типа double array [1]), содержащих последовательности отсчетов сигнала

?,

где T - период дискретизации сигналов; n - номер отсчета сигнала, который может принимать только целые значения 0, 1, 2, 3…. Длительность обрабатываемого сигнала составляет 1 с. Частота дискретизации сигнала равна 8 кГц.

Обращение к аппаратной части ПЭВМ и формирование переменных в рабочем пространстве среды Matlab реализованы в виде отдельного файла-сценария (Script-файла) [2].

Диагностируемый объект, т. е. ТМК характеризуется двумя классами состояний: «норма» и «дефект».

Рассмотрим действия, выполняемые ПО. Прежде всего, сигнал подвергается ограничению в блоке Saturation1 (обрабатываемый сигнал является приблизительно симметричным относительно оси времени, поэтому отрицательные значения сигнала заменяются нулевыми). После этого сигнал подается на вход цифрового фильтра нижних частот Filter1 (рис. 2), который подавляет высокочастотные составляющие сигнала.

Рис. 2. Подсистема Filter1 (см. рис. 1)

С выхода фильтра сигнал параллельно подается на входы трех подсистем Subsystem1-Subsystem3 (см. рис. 1). Каждая из них анализирует массив отсчетов сигнала и производит нахождение некоторых характерных точек на графике временной формы сигнала. Пример сигнала на выходе блока Filter1 показан на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3

Для анализа сигнала используются три характерные точки (P1, P2, P3 на рис. 3). P1 - начало значительных отклонений сигнала от нулевого уровня, P2 - максимальное значение сигнала (в пределах временного интервала анализа), P3 - окончание колебаний большой амплитуды. Каждая точка может быть представлена двумя координатами (временным положением и мгновенным значением сигнала): P1 = (, a), P2 = (, g), P3 = (, p), an, gn, pn. Подсистемы Subsystem1, Subsystem2 и Subsystem3 определяют координаты точек P1, P2, и P3 соответственно.

После того, как определены координаты характерных точек информативный отрезок сигнала может быть аппроксимирован двумя прямыми (будем называть их Склон 1 и Склон 2). Склоны показаны на рис. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4

Склоны характеризуются размахом и протяженностью. На рис. 5 показаны буквенные обозначения параметров склонов: U1 - размах первого склона; U2 - размах второго склона; t1 - протяженность первого склона; t2 - протяженность второго склона. Параметры склонов являются диагностическими параметрами (признаками) [3].

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5

Состав подсистем Subsystem1-Subsystem3 показан на рис. 6-11.

Рис. 6. Подсистема Subsystem1 (см. рис. 1)

Рис. 7. Подсистема Delay line 1 (см. рис. 6)

Рис. 8. Подсистема Sub1 (см. рис. 6)

Рис. 9. Подсистема Sub2 (см. рис. 6)

Рис. 10. Подсистема Subsystem2 (см. рис. 1)

Рис. 11. Подсистема Subsystem3 (см. рис. 1)

диагностика тонкостенный металлический программный

Блоки Sum1-Sum4, (см. рис. 1) производят вычисление параметров склонов по формулам: U1=|-|, U2=|-|, t1=|g-a|, t2=|p-g|.

После этого значения U1, U2, t1 и t2 направляются к блокам Gaussian MF1 - Gaussian MF4 (см. рис. 1). Эти блоки вычисляют весовые коэффициенты, соответствующие параметрам склонов. Выходные сигналы указанных блоков м1[0, 1], м2[0, 1], м3[0, 1], м4[0, 1] представляют собой степени принадлежности [4] диагностируемых параметров состоянию «дефект».

Блоки Gaussian MF5 - Gaussian MF8 вычисляют степени принадлежности параметров м5[0, 1], м6[0, 1], м7[0, 1], м8[0, 1] состоянию «норма». Значения м1 - м8 устанавливаются экспертным путем

Далее производится определение минимального весового коэффициента из двух коэффициентов, соответствующих однородным параметрам, т. е. находятся значения

м min1 def = min(м1, м3),

м min2 def = min(м2, м4).

Эти действия производятся с помощью блоков MinMax1, MinMax2. Из м min1 def и м min2 def выбирается максимальное значение (блок MinMax3):

м def = max(м min1 def, м min2 def),

Выходной сигнал блока MinMax3 является степенью принадлежности диагностируемого объекта состоянию «дефект». Параллельно выполняются опреации для вычисления степени принадлежности диагностируемого объекта состоянию «норма» (блоки MinMax4, MinMax5 и MinMax6):

м norm = max(м min1 norm, м min2 norm),

м min1 norm = min(м5, м7),

м min2 norm = min(м6, м8).

Решение о наличии дефекта в ТМК принимается в случае, если мdef>мnorm. Если мnorm>мdef, то дефект в ТМК отсутствует.

2. Используемые технические средства

ПО предназначено для использования на персональных компьютерах типа IBM PC. Объем дисковой памяти составляет менее 10 Мбайт. Объем оперативной памяти, необходимой для работы программы, составляет порядка 128 Мбайт.

В общем случае ПО ориентировано на работу с данными, представленными в виде массивов (принятое в среде Matlab обозначение - array). При наличии соответствующих преобразователей может обрабатывать любые типы данных, которые поддерживает среда Matlab.

Библиографический список

1. Лазарев Ю. Ф. MatLAB 5.x. - Kиев: Изд. группа BHV, 2000. - 384 с.

2. Дьяконов В. П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 Основы применения - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 800 с.

3. Вешкурцев Ю. М., Бычков Е. Д. Автоматизированные системы контроля и диагностики РЭС - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001. - 100 с.

4. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта. / Под ред. Д. А. Поспелова. - М.: Наука, 1986. - 312 с.

Размещено на Allbest.ru