CN102213961B - 一种毛管质量预报与控制方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种毛管质量在线检测与控制方法,实时性好,可靠性和精度高。
背景技术
无缝钢管主要应用于石油工业、航空工业、汽车工业、国防工业和城市公用事业等方面,其质量的好坏关系重大。无缝钢管生产的各工序环节都对产品质量的监测有严格的要求。这是因为各道生产工序都有可能出现废品或次品,如果前一工序出现的缺陷或废品不能及时检测出来,在后面工序中继续加工时,不仅不能提高设备的有效利用率,而且会造成能源的浪费。管坯穿孔生产是无缝钢管成型的第一道工序,穿孔得到的毛管质量对最终产品质量影响很大。管坯穿孔生产过程是具有多时段、复杂非线性、动态多变量等特性的间歇生产过程,这使得毛管质量与过程变量之间的关系比较复杂。在实际中由于生产的连续性和检测仪器的限制,毛管质量无法实时测量得到。它的监测需通过技术人员定期抽查来完成,其控制主要由操作工人依靠经验调节工艺参数来实现。虽然部分学者利用有限元理论建立了毛管形变、扭转角度、内外裂纹和多余应变等质量信息与生产工艺参数之间的关系,但很难利用有限元法对其工艺参数与质量参数建立一一对应的映射关系。文献记载有利用BP神经网络方法建立了辊型、送进角和顶头前伸量等工艺参数与毛管质量关系模型。但由于建模方法和所选工艺参数的限制,所建立的质量模型精度不高。在间歇生产过程的质量预报中,MPCA、MPLS及其改进方法经常被采用。传统的MPCA、MPLS方法在线监视策略的实施依赖于对过程测量变量未来数据点的估计。尽管Nomikos和MacGregor[8]提出了三种预估未反应完数据的方法,但是由于预估时没有考虑采样数据之间的动态联系,所以易造成质量预报误差较大。目前虽已提出的建立多MPCA模型的方法虽然解决了对未来数据点的预估问题,但其更适合于应用在故障诊断中。因为毛管质量的形成是一个连续过程,与各个生产时段时刻密切相关,很难用某个子时段的预报模型去表达。
发明内容
本发明的目的,是提供一种无管质量预报与控制方法,能大幅度提高斜轧穿孔生产的无缝钢管的质量,降低维护费用,实时性好,精度高。
针对管坯穿孔过程的复杂性,可将其分为一次不稳定穿孔、稳定穿孔和二次不稳定穿孔三个子时段。本发明人提出了基于方差子时段MPLS方法来建立毛管质量预测模型。该方法依据穿孔生产时段划分过程变量,并在每个子时段取相关过程变量的方差作为输入变量,克服了传统MPLS方法模型结构复杂、计算负荷大的缺点,解决了多时段间歇生产中模型对变量小幅波动不敏感问题,避免了建模和预报过程中的数据不等长问题,易于实现毛管质量的在线建模与预测。仿真表明,基于方差子时段MPLS方法模型比传统的MPLS模型具有更高的回归和预测精度,为斜轧穿孔毛管质量的提高提供了更有效的手段。
在建模前,首先对影响毛管质量的因素分析
为了更准确的建立毛管质量预测模型,首先需要对影响毛管质量的因素进行分析,以避免建模中信息不全和存在冗余,降低模型的精度。通过对工艺特性分析后可知,不同时段中各自变量对毛管质量的影响不同。一部分变量只在某个时段存在并可作为观测毛管质量因素,而另一部分变量则贯穿整个生产过程,对毛管质量有较大的影响。根据实际生产情况,可将管坯穿孔过程分成三个主要子时段:一次不稳定穿孔子时段、稳定穿孔子时段和二次不稳定穿孔子时段。
一次不稳定穿孔子时段是从轧件和轧辊接触开始,到金属充满变形区为止。这一子时段对毛管质量有影响测量变量为上轧辊入口侧温度、下轧辊入口侧温度、上辊压下量、下辊压上量、上辊倾角值、下轧辊倾角值、上轧辊转速、下轧辊转速、推钢机位置、止推小车的实际位置和顶杆位置等。本文建立的第一步进子时段只包含一次不稳定穿孔子时段。
稳定穿孔子时段是从金属充满变形区开始,到管坯尾部遇到顶头为止。此时段与一次不稳定穿孔子时段相比,与质量相关的测量变量增加了上轧辊出口侧温度、下轧辊出口侧温度、左导盘转速、右导盘转速,减少了推钢机位置、止推小车的实际位置和顶杆位置。第二步进子时段包含一次不稳定穿孔子时段和稳定穿孔子时段。
二次不稳定穿孔子时段是从管坯尾部接触顶头开始,到管坯离开轧辊为止。该时段与稳定穿孔子时段比较,与质量相关的测量变量减少了上轧辊入口侧温度、下轧辊入口侧温度。第三步进子时段包含所有三个子时段的数据信息。
要对毛管质量进行评估,需要给出衡量毛管质量的量化指标。由于毛管质量集中反映在其管形与内部组织上,而内部组织只能通过对最终产品进行了轧卡、水压等测试实验测得,因此本文只选择管形进行质量分析。热轧无缝钢管的壁厚精度, 特别是横向壁厚不均度是钢管的一个极为重要的质量指标。毛管横向壁厚不均是最大壁厚与名义壁厚之比,其计算公式如式(1)所示。
——钢管的名义壁厚。
毛管纵向壁厚不均的大小由毛管前端壁厚的平均值与后端壁厚的平均值之差来确定,其计算公式如式(2)所示。
基于对影响毛管质量因素的上述分析,为实现斜轧穿孔生产的无缝钢管的质量,采用下述技术方案:
一种毛管质量预报与控制方法,包括毛管质量预测模型建模方法和基于方差子时段MPLS质量预报模型的迭代优化控制方法;
预报模型建立
本发明在对穿孔过程各时段分析的基础上,确定了建模所需的各时段过程变量,再将各时段批次生产数据展开成二维矩阵,将展开后的数据进行分时段处理,对每个过程变量在该时段取方差,对过程变量数据处理后,应用MPLS方法对其建立质量预报模型。用MPLS算法得到和质量矩阵之间的回归关系:
外部关系:
内部关系:
因为b为对角阵,且,那么Y的模型可写为
所述基于方差子时段MPLS质量预报模型的迭代优化控制方法,由于模型误差和未知扰动的影响,采用一次离线优化得到的控制变量轨迹,在投入实际应用中可能得不到理想的质量指标,这时就需要在穿孔生产过程中依据人工采样的检测结果不断进行控制变量轨迹的调整。迭代学习算法经常被用来与基于模型的控制算法相结合,以抵消模型不准带来的控制问题。本发明利用迭代学习控制的方法不断修正控制变量轨迹,抵消模型误差和未知扰动带来的影响,使得毛管质量不断趋于理想指标,根据,第k个测量批次的毛管质量指标可表示为:
若期望达到的毛管质量为,则第k个测量批次的毛管质量实测偏差为
最终质量指标的实际偏差如下
则第k+1个测量批次的实测偏差为:
根据增量的计算方法,终点质量误差能确定是逐步收敛的,k+1批次的终点质量误差可被描述为:
质量建模和控制方法实验
取某钢厂SWW斜轧穿孔机2010年100根20号钢管坯穿孔生产数据,分成两组:前65根用来建立质量预报模型,后35根用来测试模型,检验其对毛管质量的预估精度。试验工艺条件为轧辊直径,入口锥角,导盘直径,碾轧角,导盘距离,管坯直径,轧辊初始温度,导盘初始温度,顶头温度为。
对65根毛管的生产数据按图1方式展开和处理,得到二维数据阵,得到等长的数据阵X(65,1170)。其中,数据采集周期为100ms,一次不稳定穿孔子时段确定11个过程变量,采集时间为1s。稳定穿孔子时段确定12个过程变量,采集时间为8s。二次不稳定穿孔子时段确定10个过程变量,采集时间为1s。针对上述数据作图1所示的处理得到数据阵X(65,33),代入式(3)~(7)利用方差子时段MPLS方法建立质量预报模型。利用同样方法采集35根毛管生产数据用于模型检验。将整理的检验数据阵Xnew(35,33)代入式(6)中,进行质量预报检验。
为了与传统间歇过程质量预报模型相比校,对先前建模的65根毛管生产数据,选取15个过程变量,数据采集周期为100ms,采集时间10s。在仿真建模中对数据阵X(65,1500)用传统MPLS方法建立质量预报模型。同样方法整理35根毛管生产数据形成检验数据阵Xnew(35,1500)进行质量预报检验。在第120点、900点和1400点分别测量两个模型的质量预报精度。图2和图3为两种预报模型的检验数据预报结果。
由图2和图3可见,在各段的横向和纵向壁厚误差预测结果中,基于方差子时段MPLS方法建立的质量预报模型误差明显小于传统MPLS方法模型。基于方差子时段MPLS方法模型的横向和纵向壁厚误差预测精度为91.2%和90.5%,而传统MPLS方法模型预测精度为82.1%和80.5%。由此可见方差子时段MPLS方法模型较MPLS方法模型有更高的预报精度。
然后加入迭代学习优化控制方法不断修正控制变量轨迹,产品质量误差逐渐收敛。从图4和图5可知,当第5批次控制完成时,质量误差已能够很好的满足要求。表1显示优化控制的参数,包括上下轧辊压上量、上下轧辊倾角值、上下轧辊转速、左右导盘转速和管坯温度。
表1毛管壁厚偏差迭代学习控制计算结果
No | 表量名称 | 初始值 | 一次迭代值 | 二次迭代值 | 三次迭代值 | 四次迭代值 |
1 | 上轧辊压下量 | 630.728 | 633.535 | 635.342 | 636.445 | 636.749 |
2 | 下轧辊压上量 | 630.728 | 633.535 | 635.342 | 636.445 | 636.749 |
3 | 上轧辊倾角值 | 14.400 | 14.565 | 14.660 | 14.705 | 14.720 |
4 | 下轧辊倾角值 | 14.400 | 14.565 | 14.660 | 14.705 | 14.720 |
5 | 上轧辊转速 | 250.53 | 241.27 | 234.68 | 231.89 | 230.94 |
6 | 下轧辊转速 | 250.53 | 241.27 | 234.68 | 231.89 | 230.94 |
7 | 左导盘转速 | 27.86 | 26.71 | 25.96 | 25.18 | 24.97 |
8 | 右导盘转速 | 27.86 | 26.71 | 25.96 | 25.18 | 24.97 |
9 | 管坯温度 | 1265 | 1270 | 1273 | 1275 | 1276 |
本发明的优点在于:
(1)该方法根据斜轧穿孔过程特性,将过程划分成具有不同变量影响的三个子时段,并利用各子时段变量方差建立二维的MPLS模型,使得模型精度提高了12%。
(2)该方法克服了传统和改进间歇过程质量预测方法模型结构复杂、计算负荷大的缺点,解决了多时段间歇生产中模型对变量小幅波动不敏感问题,避免了建模和预报过程中的数据不等长问题,易于实现毛管质量的在线建模与预测。
(3)利用迭代优化控制方法,毛管的横向壁厚误差从6.08%减小到5.48%,毛管的纵向壁厚误差从1.16mm减小到0.97mm。质量精度提高了10%。
仿真和实验验证了基于方差子时段MPLS建模和控制方法在斜轧穿孔毛管质量预报和控制中的可行性和有效性,并可以推广应用于其它的多时段间歇工业过程的质量预报。
附图说明
图1是管坯穿孔过程数据的展开和处理示图。
图2是检验数据的横向壁厚误差预报结果示图。
图3是检验数据的纵向壁厚误差预报结果示图。
图4是横向壁厚误差迭代学习控制效果示图。
图5是纵向壁厚误差迭代学习控制效果示图。
Claims (1)
1.一种毛管质量预报模型的建模方法,包括毛管质量预报模型建模和基于方差子时段MPLS质量预报模型的迭代优化控制方法,其特征是:
预报模型建立
在对穿孔过程各时段分析的基础上,确定了建模所需的各时段过程变量,再将各时段批次生产数据展开成二维矩阵,将展开后的数据进行分时段处理,对每个过程变量在该时段取方差,对过程变量数据处理后,应用MPLS方法对其建立质量预报模型,用MPLS算法得到 和质量矩阵之间的回归关系:
外部关系:
内部关系:
所述基于方差子时段MPLS质量预报模型的迭代优化控制方法,由于模型误差和未知扰动的影响,采用一次离线优化得到的控制变量轨迹,在投入实际应用中可能得不到理想的质量指标,这时就需要在穿孔生产过程中依据人工采样的检测结果不断进行控制变量轨迹的调整,迭代学习算法经常被用来与基于模型的控制算法相结合,以抵消模型不准带来的控制问题;利用迭代学习控制的方法不断修正控制变量轨迹,抵消模型误差和未知扰动带来的影响,使得毛管质量不断趋于理想指标,根据,第k个测量批次的毛管质量指标可表示为:
最终质量指标的实际偏差如下:
则第k+1个测量批次的实测偏差为:
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