基于數(shù)據(jù)挖掘的單機架冷軋軋制力模型參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于單機架冷軋過程控制技術(shù)領域，特別涉及一種基于數(shù)據(jù)挖掘的冷軋軋 制力模型參數(shù)優(yōu)化的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 軋制力模型是整個單機架冷軋工藝控制的核心模型，模型的計算精度決定了軋制 過程控制精度、乳制過程穩(wěn)定性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。在冷軋過程控制中，乳制力設定計算精 度取決于軋件的變形抗力和摩擦系數(shù)的計算精度。軋制過程中各種軋制力影響因素，如：帶 鋼寬度、帶鋼的原料厚度、帶鋼道次入口厚度、帶鋼道次出口厚度、帶鋼的鋼種、乳制速度、 輥徑、前后張力等會隨著時間過程與空間位置而變化。
[0003] 軋件的變形抗力往往采用拉伸實驗的方法獲得，摩擦系數(shù)是通過軋制試驗方法或 專門的實驗機測得。理論的變形抗力值和摩擦系數(shù)值與實際軋制工藝數(shù)據(jù)值有差別。同時， 隨著軋機的使用，乳制過程的工況也會發(fā)生變化。系統(tǒng)的原有模型計算變形抗力值和摩擦 系數(shù)值也將與實際軋制數(shù)值有差別。因此在20世紀70年代，日本、前德國和我國的軋制前 輩們提出了，采用正常軋制工況下的采樣數(shù)據(jù)估計變形抗力和摩擦系數(shù)的方法。
[0004] 在這種情況下，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，在對軋制工藝理解的基礎上，數(shù)據(jù)挖 掘技術(shù)在軋鋼領域得到了廣泛深入的研宄。數(shù)據(jù)挖掘方法與傳統(tǒng)方法不同，它避開了以往 對軋制過程深層機理無止境的研宄，而是以事實和數(shù)據(jù)為依據(jù)，實現(xiàn)對優(yōu)化過程的優(yōu)化分 析和控制。這樣就不必擔心那一條基本假設脫離實際，也不必懷疑哪一步簡化處理過于粗 糙，只要相信傳感器，相信過去發(fā)生的事件、采集的數(shù)據(jù)是真實可靠的就有理由相信數(shù)據(jù)挖 掘的結(jié)果是準確的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種基于數(shù)據(jù)挖掘的單機架冷軋軋制力模型參數(shù)優(yōu)化方法， 直接用于提高單機架冷軋過程軋制力的設定精度，間接地影響單機架冷軋軋制帶鋼的厚度 和板形等質(zhì)量指標。
[0006] 本發(fā)明實時采集軋制過程當中的過程工藝數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理后形成軋制工藝 參數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)挖掘的歷史工藝數(shù)據(jù)文件庫，經(jīng)過已經(jīng)建立的變形抗力的逆計算模型和摩擦 系數(shù)的逆計算模型計算反映實際軋制工況的變形抗力和摩擦系數(shù)。將逆計算得出的變形抗 力、摩擦系數(shù)和歷史工藝數(shù)據(jù)文件庫等海量數(shù)據(jù)代入到變形抗力模型參數(shù)和摩擦系數(shù)模型 參數(shù)中進行多項式非線性回歸，計算不同鋼種帶鋼的變形抗力模型參數(shù)和不同軋輥類型的 摩擦系數(shù)模型參數(shù)。將回歸得出的變形抗力模型參數(shù)和摩擦系數(shù)模型參數(shù)帶入到單機架冷 軋的過程系統(tǒng)當中進行在線的軋制生產(chǎn)。
[0007] 本發(fā)明采用數(shù)據(jù)挖掘的方法，獲取單機架冷軋過程中Bland-Ford-Hill軋制力模 型當中計算變形抗力和摩擦系數(shù)的模型參數(shù)，來提高Bland-Ford-Hill乳制力模型在單機 架冷軋生產(chǎn)過程中的軋制力設定精度，，按照以下六個步驟進行：1、實際數(shù)據(jù)的采集和存 儲；2、工藝數(shù)據(jù)的預處理和存儲；3、變形抗力和摩擦系數(shù)逆計算；4、變形抗力模型參數(shù)和 摩擦系數(shù)模型參數(shù)的非線性多項式回歸；5、變形抗力參數(shù)和摩擦系數(shù)模型參數(shù)的離線驗 證；6.變形抗力模型參數(shù)和摩擦系數(shù)模型參數(shù)的在線應用。各個步驟具體操作如下：
[0008] 1、實際數(shù)據(jù)的采集和存儲，單機架冷軋過程中的各種軋制工藝參數(shù)（如：帶鋼的 鋼種，帶鋼原料厚度，帶鋼的寬度，乳制道次，數(shù)據(jù)采集點的位置，乳制力，乳制速度，乳機的 前張力，乳機的后張力，帶鋼的入口厚度，帶鋼的出口厚度等）通過軋機上配備的各種傳感 器進行采集之后發(fā)送到現(xiàn)場的過程控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集存儲計算機采用TCP/IP協(xié)議與現(xiàn) 場的單機架冷軋過程控制系統(tǒng)進行通信，以1S的頻率實時連續(xù)存儲實際生產(chǎn)的過程工藝 數(shù)據(jù)和由三級每一個鋼卷下發(fā)一次的PDI數(shù)據(jù)（主要包括鋼種、帶鋼的寬度、帶鋼的重量、 帶鋼的成分等數(shù)據(jù)），和軋輥數(shù)據(jù)（軋輥的輥徑、乳輥的長度、乳輥類型等數(shù)據(jù)），每一組數(shù) 據(jù)都包括該組數(shù)據(jù)采集的時間、采集位置、工藝參數(shù)值。在每一個數(shù)據(jù)的采集周期，該過程 會根據(jù)帶鋼的跟蹤信息將本次采集到的所有實際數(shù)據(jù)與帶鋼位置相匹配，并以堆棧的方式 存入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)的緩存區(qū)域，當一卷帶鋼的多個道次軋制完成卸卷后，從緩存區(qū)域中讀取 該卷帶鋼數(shù)據(jù)，以鋼卷為單位形成二進制文件進行存儲；
[0009] 2、工藝數(shù)據(jù)的預處理和存儲，從以鋼卷為單位存儲的實際過程數(shù)據(jù)二進制文件中 讀取實際過程數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)直接來自環(huán)境惡略、干擾源眾多的冷軋生產(chǎn)過程現(xiàn)場，因此含 有較多的干擾噪音信息，具有雜亂性、重復性和不完整性的特點。本過程以帶鋼軋制過程工 藝知識為指導，經(jīng)過數(shù)據(jù)選取、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)預處理等步驟重新組織實際過程數(shù)據(jù)，為后 面的數(shù)據(jù)挖掘提供干凈、準確和更能反映軋制工藝機理的工藝數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)挖掘的 效率和準確度。工藝預處理的具體步驟如下：
[0010] (1)數(shù)據(jù)的選?。喝橹七^程當中的數(shù)據(jù)量巨大，所涵蓋的范圍也非常的廣泛，本方 法研宄的目的是優(yōu)化軋制力，在深入理解單機架冷軋生產(chǎn)工藝的基礎上選取鋼種、乳制道 次、原料厚度、帶鋼寬度、帶鋼道次入口厚度、帶鋼道次出口厚度、乳制速度、前張力、后張 力、工作輥輥徑等與軋制力密切相關的工藝數(shù)據(jù)作為分析對象，將研宄對象限制在一定的 范圍內(nèi)；
[0011] (2)數(shù)據(jù)的集成：根據(jù)分析目的選取的工藝數(shù)據(jù)來自多個檢測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)集成完 成異構(gòu)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換問題，包括數(shù)據(jù)的命名、結(jié)構(gòu)、單位、含義。同時多個檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集 時間和采集位置都不相同，也必須以帶鋼長度方向上的位置為基準，把實際數(shù)據(jù)對應起來 組成一組數(shù)據(jù)，在最低層次上加以轉(zhuǎn)換、提煉和聚集，形成最初始的數(shù)據(jù)空間；
[0012] (3)數(shù)據(jù)的清理：主要解決實際數(shù)據(jù)中必然和廣泛存在的數(shù)據(jù)空缺值、錯誤數(shù)據(jù)、 孤立點、噪聲等問題。
[0013] (4)處理錯誤數(shù)據(jù)：對采集的實際數(shù)據(jù)經(jīng)過極限檢查，確認其有效性，超出極限范 圍時用極限值代替；
[0014] (5)處理數(shù)據(jù)當中的奇異值：處理數(shù)據(jù)中的奇異項：針對實際數(shù)據(jù)序列中的奇異 項數(shù)據(jù)，采用一階差分方法進行處理。判斷奇異項的準則是：給定一個誤差限W，若t時刻的 采樣值為xt，預測值為t，當Ixt_x'11 >W時，則認為此采樣值xt是奇異值應當予以剔除， 而應當予以剔除，而以預測值x't取代采樣值xt。預測值x' t可以根據(jù)下式所示一階差分 方程推算。
[0015] x?t =xt-!+(xt_rxt_2)
[0016] 式中：x't:t時刻的預測值；xt_1:t時刻前一個時刻的值；xt_2:t時刻前兩個時刻 的值。
[0017] 本發(fā)明在該產(chǎn)線實施中，誤差極限W取機械設備允許的控制參數(shù)單步變化量，例 如：入口厚度的極限誤差取2mm〇
[0018] 數(shù)據(jù)的濾波處理：將算數(shù)平均值法和中值濾波法這兩種方式結(jié)合，即先用中值濾 波法濾除由于脈沖干擾而有偏差的采樣值，然后再作算數(shù)平均。這樣既可以去除脈沖干擾， 又可以對采樣值進行平滑處理。其原理如下式所示：
[0019] x2^? ? ?^xn3^N^5
[0020] Y=(x2+x3+? ?? +xN_i)/(N_2)
[0021] 3、變形抗力和摩擦系數(shù)逆計算，該過程以Bland-Ford-Hill乳制力模型為分析對 象建立變形抗力和摩擦系數(shù)的逆計算模型，具體過程如下：
[0022] (1)Bland-Ford-Hill軋制力模型：
[0026] 式中：P:乳制力；b:乳件寬度；kp:乳件的動態(tài)變形抗力；te:張力影響系數(shù)；Dp: 軋制過程的平面影響系數(shù)；R'軋輥的壓扁半徑；zp:軋制力的自學習系數(shù)；e:軋制過程中 軋件的道次壓下率；y:摩擦系數(shù)；tf:軋件的道次前張力；tb:軋件的道次后張力；H:乳件
的入口厚度；h:乳件的出口厚度；ch:在模型當中取常值0.000214,由 V : 9 泊松常數(shù)，E:乳輥的彈性模量計算得出。
[0027] (2)由軋制力模型建立變形抗力的逆計算模型
[0028] 在式1中分析可得，通過乳制力進行變形抗力的計算，其中kp和te與帶鋼的動態(tài) 變形抗力密切相關，所以式1變形為：
[0030]令式2的右邊等于
[00