CN110405173B - 一种采用希尔伯特-黄变换检测和定位连铸坯鼓肚的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用希尔伯特‑黄变换检测和定位连铸坯鼓肚的方法，属于钢铁冶金连铸检测技术领域。该方法通过希尔伯特‑黄变换得到液位信号的边际谱，进而获取频率信息，结合拉速和辊间距对鼓肚进行检测和定位。具体为：首先对液位信号进行经验模态分解，获得各层本征模态函数；然后对本征模态函数进行希尔伯特谱分析，汇总所有本征模态函数的希尔伯特谱并对时间积分，得到液位信号的边际谱，进而可获取频率信息；最后，结合拉速和铸机辊间距对鼓肚进行检测和定位。该方法原理清晰、易于实现且具有较高的可靠性，为连铸坯缺陷的检测和定位提高了提供可行途径。

Description

一种采用希尔伯特-黄变换检测和定位连铸坯鼓肚的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金连铸检测技术领域，涉及一种采用希尔伯特-黄变换检测和定位连铸坯鼓肚的方法。

背景技术

鼓肚是连铸坯的主要缺陷之一。连铸生产过程中，带有液芯的铸坯下移出结晶器后，已凝固的坯壳无法抵抗内部钢水静压力，坯壳向外鼓起形成连铸坯鼓肚。轻微的鼓肚会引起连铸坯内裂纹和中心偏析等缺陷，严重时会导致铸坯无法顺利通过扇形段，造成浇铸中断，给铸坯质量、生产顺行等带来严重干扰。由于高温、汽雾和腐蚀等因素的影响，且在二冷区扇形段狭小的空间内安装传感器存在很大困难，因此，国内外尚无成熟的鼓肚在线检测和定位技术。

通过对大量液位数据和铸坯质量的统计和分析后发现，液位波动常常与连铸坯鼓肚同时发生，具有显著的规律性。正常工况下，均匀生长的坯壳其厚度、强度能够抵抗内部钢水静压力的作用而不出现大的变形，所以其内部的钢液容积不会发生较大的变化；当连铸坯发生鼓肚并行进至某对导辊时，连铸坯的鼓肚变形在外力的作用下被压回，坯壳内部的钢液容积下降，钢液受挤压向上涌至结晶器而导致液位上升；如此反复，在钢水静压力和导辊的综合作用下，鼓肚会经历向外鼓出—向内压回的周期过程，造成结晶器液位同步出现大幅度周期性波动，该周期主要取决于拉速和导辊间距。

根据这一现象，同时考虑从上到下铸机在各扇形段内的辊间距并不一致，本发明提出，采用希尔伯特-黄变换检测结晶器液位信号周期性波动的频率特征，对连铸坯形成的鼓肚进行在线检测，并结合拉速和辊间距对其位置进行定位。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用希尔伯特-黄变换检测和定位连铸坯鼓肚的方法，对鼓肚发生的位置进行及时、准确的检测和定位，为连铸坯质量的在线检测和控制提供便利手段。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种采用希尔伯特-黄变换检测和定位连铸坯鼓肚的方法，该方法采用希尔伯特-黄变换对液位信号进行经验模态分解和希尔伯特谱分析得到边际谱和频率信息，利用所得频率结合拉速和辊间距对连铸坯鼓肚进行检测和定位，包括以下步骤：

第一步、结晶器液位信号实时采集

通过以太网直接读取结晶器液面控制系统检测到的液位信号，并同步采集铸机拉速浇铸等工艺参数。

第二步、结晶器液位信号希尔伯特-黄变换

(1)对采集到的结晶器液位信号进行经验模态分解，获取液位信号的各层本征模态函数，主要包括以下子步骤：

1.1)以X(t)表示待分解信号，找出其极大值点和极小值点，分别以三次样条函数对极大值点和极小值点进行拟合，得到上包络线S₊(t)和下包络线S_-(t)，并计算其包络均值：

其中，T表示液位信号的采样时间。

1.2)从信号X(t)中减去包络均值m₁(t)，得到h₁(t)：

h₁(t)＝X(t)-m₁(t),t∈[0,T]

如果，h₁(t)不满足本征模态函数判定规则，即信号计算h₁(t)的包络均值m₁₍₁₎(t)，并从h₁(t)中减去m₁₍₁₎(t)得到h₁₍₁₎(t)：

h₁₍₁₎(t)＝h₁(t)-m₁₍₁₎(t),t∈[0,T]

直至经过k次计算可得到满足本征模态函数判定规则的h_1(k)(t)：

h_1(k)(t)＝h_1(k-1)(t)-m_1(k)(t),t∈[0,T]

即：h_1(k)(t)的极值点和过零点的个数相等或相差不超过一个，且其局部极大值点和局部极小值点形成的上、下包络线的均值为零；

所述本征模态函数判定规则为同时满足以下两个条件：1)信号极值点和过零点的个数相等或相差不超过一个；2)信号局部极大值点和局部极小值点形成的上、下包络线的均值为零。

1.3)将h_1(k)(t)存储为本征模函数，记为C₁(t)，并从X(t)中减去C₁(t)，得到残差信号r₁(t)：

r₁(t)＝X(t)-C₁(t),t∈[0,T]

1.4)返回步骤1.1)，将r₁(t)更新为待分解信号，并重新执行步骤1.1)-1.3)，得到第N层本征模态函数C_N(t)和残差信号r_N(t)：

r_N(t)＝r_N-1(t)-C_N(t),t∈[0,T]

其中：r_N-1(t)表示获取第N层本征模态函数时对应的待分解信号。

1.5)如果r_N(t)极值点个数小于M，则分解过程结束，最终得到：

否则，重复执行1.1)-1.5)，直到分解过程结束为止。最终，得到了N层本征模态函数C₁(t)～C_N(t)和残差信号r_N(t)。

其中，N为本征模态函数的数量，C_i(t)为第i层本征模态函数，r_N(t)为残差信号。

(2)对各层本征模态函数进行希尔伯特谱分析，汇总所有本征模态函数的希尔伯特谱并积分，得到结晶器液位信号的边际谱，最终确定频率信息；

2.1)对各层本征模态函数进行希尔伯特谱分析，并得到希尔伯特谱：

其中，a_i(t)、ω_i(t)分别表示第i层本征模态函数的瞬时幅值和瞬时频率，j表示虚数符号。

2.2)汇总所有本征模态函数的希尔伯特谱，得到液位信号的希尔伯特谱：

2.3)对液位信号的希尔伯特谱进行时间积分，得到边际谱：

绘制边际谱图根据边际谱图获取能量峰值所对应的主要频率。

第三步、连铸坯鼓肚的检测和定位

结合拉速V_c计算连铸坯在某个频率f对应的周期内行进的距离D：

若D与铸机扇形段某对导辊的间距一致，可判定出现了鼓肚，并预报其出现的位置。

上述鼓肚预测的方法适用于板坯、方坯、圆坯、异型坯等连铸坯鼓肚的预测和定位。

本发明的有益效果是：所提方法根据结晶器液位信号周期性波动与连铸坯鼓肚同步出现这一现象，利用希尔伯特-黄变换对结晶器液位信号进行经验模态分解和希尔伯特谱分析以获取其边际谱，最终得到原始信号的频率信息，结合拉速和辊间距对连铸坯鼓肚进行检测和定位。该方法不需在铸机上额外安装传感器或其他检测元件，原理清晰、易于实现且具有较高的可靠性，为连铸过程异常的在线监控提供可行途径。

附图说明

图1为结晶器液位周期性波动曲线；

图2为结晶器液位信号的经验模态分解结果；

图3为本征模态函数C₅的希尔伯特谱；

图4为本征模态函数C₇的希尔伯特谱；

图5为液位信号的边际谱结果。

具体实施方式

下面通过具体的实施例，结合附图对本发明作进一步的阐述。

第一步、结晶器液位信号实时采集

结晶器液位控制系统是连铸生产必备的标准化检测仪表，生产中通过结晶器液位实际值和目标值的差值，对塞棒的位置进行控制，以将液面控制在生产规定的范围之内。生产中，该铸机采用了放射性同位素法对结晶器液面进行实时检测和控制。通过以太网直接读取该液位信号，并进行后续的分析。连铸坯鼓肚发生时，结晶器液位呈现一定的规律性，图1所示为采样时间为200s、采样频率为25Hz的结晶器液位信号，可以看出，该信号具有明显的周期性波动规律。

第二步、结晶器液位信号希尔伯特-黄变换

(1)对图1中的结晶器液位信号进行经验模态分解，获取液位信号的各层本征模态函数，主要包括以下子步骤：

1.1)以X(t)表示待分解信号，找出其极大值点和极小值点，分别以三次样条函数对极大值点和极小值点进行拟合，得到上包络线S₊(t)和下包络线S_-(t)，并计算其包络均值：

其中，T表示液位信号的采样时间。

1.2)从信号X(t)中减去包络均值m₁(t)，得到h₁(t)：

h₁(t)＝X(t)-m₁(t),t∈[0,200]

经验证h₁(t)并不满足本征模态函数判定规则，计算h₁(t)的包络均值m₁₍₁₎(t)，并从h₁(t)中减去m₁₍₁₎(t)得到h₁₍₁₎(t)：

h₁₍₁₎(t)＝h₁(t)-m₁₍₁₎(t),t∈[0,200]

直至经过6次计算后得到了满足本征模态函数判定规则的h₁₍₆₎(t)：

h₁₍₆₎(t)＝h₁₍₅₎(t)-m₁₍₆₎(t),t∈[0,200]

即：h₁₍₆₎(t)的极值点和过零点的个数相等或相差不超过一个，且其局部极大值点和局部极小值点形成的上、下包络线的均值为零；

1.3)将h₁₍₆₎(t)存储为本征模函数，记为C₁(t)，并从X(t)中减去C₁(t)，得到残差信号r₁(t)：

r₁(t)＝X(t)-C₁(t),t∈[0,200]

1.4)返回步骤1.1)，将r₁(t)更新为待分解信号，并重新执行步骤1.1)-1.3)，持续得到了第10层本征模态函数C₁₀(t)和残差信号r₁₀(t)：

r₁₀(t)＝r₉(t)-C₁₀(t),t∈[0,200]

1.5)由于r₁₀(t)极值点个数小于2，所以分解过程结束，最终得到10层本征模态函数和残差信号：

图2为经验模态分解结果，可以看出，图1中的结晶器液位信号经经验模态分解得到了分量C₁～C₁₀以及残差信号r₁₀。

(2)对各层本征模态函数进行希尔伯特谱分析，汇总所有本征模态函数的希尔伯特谱并积分，得到结晶器液位信号的边际谱，最终确定频率信息，主要包括以下子步骤：

2.1)对各层本征模态函数进行希尔伯特谱分析，并得到希尔伯特谱：

其中，a_i(t)、ω_i(t)分别表示第i层本征模态函数的瞬时幅值和瞬时频率，j表示虚数符号。

2.2)汇总本征模态函数C₁～C₁₀的希尔伯特谱，得到液位信号的希尔伯特谱：

2.3)对液位信号的希尔伯特谱进行时间积分，得到边际谱：

希尔伯特谱表征了能量随时间、频率的变化关系，图3、图4分别为分量C₅和C₇的希尔伯特谱，右侧颜色棒表示能量。汇总所有分量的希尔伯特谱并对时间进行积分，得到图1中结晶器液位信号的边际谱，如图5所示。可以看出，在频率为0.219Hz和0.037Hz处具有明显的峰值，需对这两个频率作进一步分析。

第三步、连铸坯鼓肚的检测和定位

为了将液位波动控制在一定范围内，液位控制系统主要通过液位实际值与设定值之间的差值向塞棒发送指令，以调整塞棒上下运动，使液位控制在设定值附近，塞棒的动作频率对液位的影响很大。图5中，能量最高处对应的频率为0.219Hz，经分析后可以确认，该频率即为塞棒的动作频率，因此可将其剔除。

第二个能量峰值对应的频率为0.037Hz，计算该频率对应的周期，即取频率的倒数，为27.0s，此时铸机的拉速V_c为0.6m/min，则连铸坯在一个周期内行进的距离为：

对照表1中列出的铸机扇形段辊间距，该距离与1号段的总辊19号～段内辊1号和总辊20号～段内辊2号的辊间距几乎完全相同，因此，可以判定连铸坯鼓肚出现在1号扇形段内，位置在19号辊附近，该结果与现场人员对连铸坯鼓肚的实时追踪结果一致。

表1 连铸机扇形段辊列数据

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种采用希尔伯特-黄变换检测和定位连铸坯鼓肚的方法，其特征在于，该方法采用希尔伯特-黄变换对结晶器液位信号进行经验模态分解和希尔伯特谱分析，汇总所有分量的希尔伯特谱并对时间积分得到边际谱以获取频率信息，结合铸机拉速和辊列布置间距，对连铸坯鼓肚进行检测和定位，具体包括以下步骤：

第一步、结晶器液位信号实时采集

通过以太网直接读取结晶器液面控制系统检测到的液位信号，并同步采集铸机拉速浇铸工艺参数；

第二步、结晶器液位信号希尔伯特-黄变换

(1)对采集到的结晶器液位信号进行经验模态分解，获取液位信号的各层本征模态函数；

(2)对各层本征模态函数进行希尔伯特谱分析，汇总所有本征模态函数的希尔伯特谱并积分，得到结晶器液位信号的边际谱，最终确定频率信息；

第三步、连铸坯鼓肚的检测和定位

结合拉速V_c计算连铸坯在某个频率f对应的周期内行进的距离D：

若D与铸机扇形段某对导辊的间距一致，则判定鼓肚出现，并预报其出现的位置。

2.根据权利要求书1所述的一种采用希尔伯特-黄变换检测和定位连铸坯鼓肚的方法，其特征在于，第二步步骤(1)所述经验模态分解包括以下子步骤：

1)以X(t)表示待分解信号，找出其极大值点和极小值点，分别以三次样条函数对极大值点和极小值点进行拟合，得到上包络线S₊(t)和下包络线S_-(t)，并计算其包络均值：

其中，T表示液位信号的采样时间；

2)从信号X(t)中减去包络均值m₁(t)，得到h₁(t)：

h₁(t)＝X(t)-m₁(t),t∈[0,T]

如果，h₁(t)不满足本征模态函数判定规则，计算h₁(t)的包络均值m₁₍₁₎(t)，并从h₁(t)中减去m₁₍₁₎(t)得到h₁₍₁₎(t)：

h₁₍₁₎(t)＝h₁(t)-m₁₍₁₎(t),t∈[0,T]

直至经过k次计算可得到满足本征模态函数判定规则的h_1(k)(t)：

h_1(k)(t)＝h_1(k-1)(t)-m_1(k)(t),t∈[0,T]

所述本征模态函数判定规则为同时满足以下两个条件：信号极值点和过零点的个数相等或相差不超过一个；信号局部极大值点和局部极小值点形成的上、下包络线的均值为零；

3)将h_1(k)(t)存储为本征模函数，记为C₁(t)，并从X(t)中减去C₁(t)，得到残差信号r₁(t)：

r₁(t)＝X(t)-C₁(t),t∈[0,T]

4)返回步骤1)，将r₁(t)更新为待分解信号，并重新执行步骤1)-3)，得到第N层本征模态函数C_N(t)和残差信号r_N(t)：

r_N(t)＝r_N-1(t)-C_N(t),t∈[0,T]

其中：r_N-1(t)表示获取第N层本征模态函数时对应的待分解信号；

5)如果r_N(t)极值点个数小于M，则分解过程结束，最终得到：

否则，重复执行1)-5)，直到分解过程结束为止；最终，得到了N层本征模态函数C₁(t)～C_N(t)和残差信号r_N(t)；

其中，N为本征模态函数的数量，C_i(t)为第i层本征模态函数，r_N(t)为残差信号。

3.根据权利要求书1所述的一种采用希尔伯特-黄变换检测和定位连铸坯鼓肚的方法，其特征在于，第二步步骤(2)所述边际谱的获取包括以下子步骤：

1)对各层本征模态函数进行希尔伯特谱分析，并得到希尔伯特谱：

其中，a_i(t)、ω_i(t)分别表示第i层本征模态函数的瞬时幅值和瞬时频率，j表示虚数符号；

2)汇总所有本征模态函数的希尔伯特谱，得到原始信号的希尔伯特谱：

3)对液位波动信号的希尔伯特谱进行时间积分，得到边际谱：

绘制边际谱图根据边际谱图获取能量峰值所对应的主要频率f。

4.根据权利要求书1-3任一所述的一种采用希尔伯特-黄变换检测和定位连铸坯鼓肚的方法，其特征在于，所述鼓肚预测方法适用于板坯、方坯、圆坯、异型坯或其他连铸坯鼓肚的检测和定位。

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