Kalman濾波在磁檢測(cè)信號(hào)分析中的應(yīng)用-開(kāi)題報(bào)告_第1頁(yè)
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XX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告 題目 Kalman濾波 在磁檢測(cè)信號(hào)分析中的應(yīng)用專 業(yè) 名 稱 測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 1、 選題的依據(jù)及意義: 石油、天然氣是能源存在的主要形式之一,他們的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸大部分是通過(guò)長(zhǎng)輸管道實(shí)現(xiàn)的1。管道運(yùn)輸作為石油、化工行業(yè)中輸送原料與介質(zhì)的重要途徑,在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中,由于受到腐蝕,會(huì)出現(xiàn)局部的麻坑,甚至發(fā)生泄漏事故、造成環(huán)境污染,因此管道缺陷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)保證工業(yè)生產(chǎn)的安全有著十分重要的意義。國(guó)內(nèi)外廣泛采用的管道檢測(cè)技術(shù)主要包括超聲檢測(cè)、渦流檢測(cè)和漏磁檢測(cè)等幾種,漏磁檢測(cè)法是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)在役石油、天然氣長(zhǎng)輸管道缺陷檢測(cè)最有效的方法之一。漏磁無(wú)損檢測(cè)方法是建立在如鋼管、鋼棒等鐵磁性材料的高磁導(dǎo)率這一特性上的。它通過(guò)拾取被磁化的鋼管其缺陷處引起泄漏到外部的磁通信號(hào),再經(jīng)信號(hào)處理裝置得到與缺陷的形狀有關(guān)的電信號(hào)的一種方法2。通過(guò)測(cè)量或觀測(cè)所獲得信號(hào)通常包含兩個(gè)部分其一是與所檢測(cè)的對(duì)象存在直接或間接關(guān)系的有用部分,稱為信息;另一部分是與所研究的對(duì)象無(wú)關(guān)的干撓部分,稱為噪聲。信號(hào)處理主要分為信號(hào)分析與信號(hào)過(guò)濾兩類,信號(hào)分析主要是通過(guò)分析測(cè)量信號(hào)的性質(zhì),進(jìn)而應(yīng)用于目標(biāo)檢測(cè);信號(hào)過(guò)濾主要用于信號(hào)除躁、頻帶劃分、頻譜成形等3。信號(hào)處理的目的就是最大限度去除或抑制與所研究對(duì)象無(wú)關(guān)的那部分干撓,突出或提取有用信息。隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,以軟件為主的基于現(xiàn)代控制理論和信號(hào)處理技術(shù)的方法逐漸發(fā)展起來(lái)4。Kalman濾波是一套由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)遞推算法,它所處理的對(duì)象是隨機(jī)信號(hào),利用系統(tǒng)噪聲和觀測(cè)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性,以系統(tǒng)觀測(cè)量作為濾波器的輸入,以所要估計(jì)值(系統(tǒng)的狀態(tài)或參數(shù))作為濾波器的輸出,濾波器的輸入與輸出之間是由時(shí)間更新和觀測(cè)更新算法聯(lián)系在一起的,根據(jù)系統(tǒng)方程和觀測(cè)方程估計(jì)出所有需要處理的信號(hào)。它不但可以對(duì)平穩(wěn)的一維的隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行估計(jì),也可以對(duì)非平穩(wěn)的、多維隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行估計(jì),因此適用范圍比較廣泛。作為一種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理方法,kalman濾波能在即使并不知道模型的確切性質(zhì)的條件下,估計(jì)信號(hào)的過(guò)去和當(dāng)前狀態(tài)。甚至能估計(jì)將來(lái)的狀態(tài)5。它的基本思想是:以最小均方誤差為最佳估計(jì)準(zhǔn)則,采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型,利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的觀測(cè)值來(lái)更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì),求出當(dāng)前時(shí)刻的估計(jì)值,算法根據(jù)建立的系統(tǒng)方程和觀測(cè)方程對(duì)需要處理的信號(hào)做出滿足最小均方誤差的估計(jì)。MathWorks公司針對(duì)不同的領(lǐng)域的應(yīng)用,推出了信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、小波分析、魯棒控制、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)分析、財(cái)政金融、樣條及通信等30多個(gè)具有專門功能的工具箱6。Matlab軟件用于數(shù)字信號(hào)的處理具有靈活程度高、精度和穩(wěn)定性較好、便于開(kāi)發(fā)和升級(jí)、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn),在解決相同問(wèn)題的時(shí)候,Matlab的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)用其他的變成語(yǔ)言所編制的計(jì)算機(jī)程序7。二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì):國(guó)外對(duì)漏磁探傷的理論研究比較早:1933年zuschlug初次提出用磁粉顯示磁化剛體上由缺陷產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)這種測(cè)定方法。 1947年Hastings設(shè)計(jì)了一套漏磁檢測(cè)系統(tǒng)后,漏磁檢測(cè)才得到了普遍承認(rèn)。1965年,日本株式會(huì)社和住友金屬株式會(huì)社設(shè)計(jì)出一記錄式磁探傷機(jī)械裝置。1966年,Sheherb一inin和Zatsepin提出了磁偶極子法。同年前蘇聯(lián)也于同年發(fā)表了第一篇定量分析缺陷漏磁場(chǎng)的論文,提出用磁偶極子、無(wú)限長(zhǎng)磁偶極線和無(wú)限長(zhǎng)磁偶帶來(lái)模擬工件表面的點(diǎn)狀缺陷、淺裂紋和深裂縫。1975年,Hwang和Lord采用有限元方法對(duì)漏磁場(chǎng)進(jìn)行分析,首次把材料內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)和磁導(dǎo)率與漏磁場(chǎng)幅值聯(lián)系起來(lái)。并且分析了矩形槽深度、寬度、角度對(duì)漏磁場(chǎng)的影響。1986年,Edwards和Palae:在漏磁場(chǎng)的計(jì)算方面,把解析法向前推進(jìn)了一步,對(duì)無(wú)限長(zhǎng)表面開(kāi)口裂紋進(jìn)行了分析,得出了二維表達(dá)式;并且推出了有限長(zhǎng)開(kāi)口裂紋的三維表達(dá)式,從中得出當(dāng)材料的相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于缺陷深寬比時(shí),漏磁場(chǎng)強(qiáng)度與缺陷深度呈近似線性關(guān)系的結(jié)論8-9。 然而,從當(dāng)一前對(duì)漏磁檢測(cè)理論研究和應(yīng)用來(lái)看,國(guó)外一些國(guó)家,美國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本、德國(guó)等研究較早,在深入理論研究的同時(shí),將該技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中并取得良好的效果。 在國(guó)內(nèi),理論和實(shí)驗(yàn)研究較多,漏磁場(chǎng)的研究、缺陷的定性和定量分析以及應(yīng)用新的方法研究漏磁檢測(cè)都還未取得實(shí)用效果,一些結(jié)論還處在探索階段,實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域主要靠進(jìn)口國(guó)外的儀器和技術(shù),整個(gè)漏磁檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與國(guó)外相比還有一段距離。而在進(jìn)行管道磁檢測(cè)的過(guò)程中目前存在一定的技術(shù)難點(diǎn),比如說(shuō):由于管道缺陷識(shí)別是一個(gè)逆問(wèn)題,輸出和輸入之間存在非唯一性,而且漏磁信號(hào)與缺陷尺寸之間是非常復(fù)雜的非線性關(guān)系,所以缺陷識(shí)別技術(shù)是當(dāng)前管道無(wú)損檢測(cè)中的一大技術(shù)難點(diǎn)和研究重點(diǎn)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法識(shí)別缺陷工作量龐大、容易出現(xiàn)局部極值、過(guò)擬合現(xiàn)象等。 在工程系統(tǒng)隨機(jī)控制和信息處理問(wèn)題中,通常所得到的觀測(cè)信號(hào)中不僅包含所需的信號(hào),而且還包含有隨機(jī)觀測(cè)噪聲和干擾信號(hào)。通過(guò)對(duì)一系列帶有觀測(cè)噪聲和干擾信號(hào)的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理,從中得到所需要的各種參量的估計(jì)值,這就是估計(jì)問(wèn)題10。 而卡爾曼濾波作為一種數(shù)值估計(jì)優(yōu)化方法,其高效的實(shí)時(shí)處理功能,使得當(dāng)信號(hào)中含有噪聲時(shí),kalman濾波能在以最小均方差條件下給出信號(hào)的最佳估計(jì)而且是在時(shí)域中采用遞推的方式進(jìn)行10。 因而速度更快,也便于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理。 3、 研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案:1.研究?jī)?nèi)容:研究所采集漏磁檢測(cè)信號(hào)的特點(diǎn),分析所采集信號(hào)的特點(diǎn),并對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,利用適當(dāng)?shù)乃惴ā⒗碚撆cMatlab軟件實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建。2.實(shí)驗(yàn)方案:發(fā)現(xiàn)問(wèn)題實(shí)驗(yàn)程序編寫與修改實(shí)現(xiàn)濾波 Matlab 數(shù)據(jù)處理 數(shù)學(xué)建模漏磁信號(hào)采集分析采集到的信號(hào)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)成功問(wèn)題分析圖2.1 實(shí)驗(yàn)方案框圖(1) 漏磁信號(hào)采集(2) 建立準(zhǔn)確的管道漏磁檢測(cè)數(shù)學(xué)模型(3) 從模型出發(fā),應(yīng)用Matlab軟件設(shè)計(jì)濾波器(4) 檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)于所采集的漏磁檢測(cè)信號(hào)的處理是否正確(5) 調(diào)整濾波器,進(jìn)一步細(xì)化、完善濾波過(guò)程4、 目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度1.目標(biāo):通過(guò)使用卡爾曼濾波,使得磁檢測(cè)的信號(hào)處理更加快速、高效、可靠。并實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果可視化較強(qiáng)的目的。2.特色:(1)利用kalman濾波實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理(2)利用kalman濾波在磁檢測(cè)中的應(yīng)用,對(duì)于缺陷的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)估計(jì)檢測(cè),避免大量的人力、物力的浪費(fèi)。(3)利用matlab實(shí)現(xiàn)處理結(jié)果的可視化。(4)基于matlab的kalman濾波使得程序的編寫更加簡(jiǎn)單明了。3工作進(jìn)度:20xx.3.920xx.3.20 前期資料搜集調(diào)研20xx.3.2020xx.4.5 撰寫開(kāi)題報(bào)告 20xx.4.620xx.5.1 掌握最優(yōu)估計(jì)在kalman濾波中的應(yīng)用 20xx.5.220xx.6.1 程序編寫,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 20xx.6.220xx.6.26 撰寫畢業(yè)論文,準(zhǔn)備畢業(yè)答辯 5、 參考文獻(xiàn)1 王玉梅. 小波變換在管道漏磁檢測(cè)信號(hào)分析技術(shù)中的應(yīng)用D. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué), 2002: 2526.2 崔益銘. 管道漏磁檢測(cè)技術(shù)的研究D. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué), 2009: 1112.3 陳漢友. Matlab在數(shù)字信號(hào)處理中的應(yīng)用J. 計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化, 200, 21(1): 2122.4 朱愛(ài)華. 卡爾曼濾波和序貫概率比檢驗(yàn)在管道泄漏監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用D. 天津: 天津大學(xué), 2006: 2324.5 彭丁聰. 卡爾曼濾波的基本原理及應(yīng)用J. 軟件導(dǎo)刊, 2009, 11(8): 1819.6 鄧巍. Matlab在圖像處理和分析中的應(yīng)用J. 農(nóng)機(jī)化研究, 2006, 11(2): 2122.7 于洋. 基于Matlab的信號(hào)處理系統(tǒng)與分析J. 電子世界, 2009, 10(9): 2526.8 韓亮. 鐵磁構(gòu)建表層裂紋漏磁分析D. 重慶: 重慶大學(xué), 2012: 5152.9 孫岳江. 油管底板腐蝕缺陷漏磁檢測(cè)及其應(yīng)用研究D. 北京: 北京交通大學(xué), 2012: 4243.10 龔文引. 演化Kalman濾波及其應(yīng)用研究D. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué), 2007: 2728.11 王利

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