CN103272853A - 一种冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置及方法，属于自动控制、信息技术和先进制造领域。一种冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置，包括:初始压下率产生器、功率平衡计算器、能耗计算器、约束发生器、粗调更新器、约束非支配排序器、精调更新器、压下率选择器、压下率更新器筛选器和最终压下量与轧制速度产生器。本发明提出了一种冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置及方法，该装置及方法可在经验数据缺失的情况下计算出轧制不同规格带钢各机架的压下量与轧制速度，在保证每个机架负荷平衡的前提下，最大限度的降低轧制能耗，对于带钢轧制过程的节能减排有着十分重要的意义，同时也有着广泛的应用前景。

Description

一种冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置及方法

技术领域

本发明属于自动控制、信息技术和先进制造领域，特别涉及一种基于进化计算的冷连轧压下量与轧制速度设定装置及方法。

背景技术

轧制规程中的压下量与轧制速度设定是带钢生产工艺的主要内容之一，它对于产品的产量、质量、成本以及生产安全、工艺控制精度等均有着重大影响。合理的压下量与轧制速度既可提高带钢的生产率、降低能耗，又能保证产品的质量，提高工艺控制的精度、响应速度以及设备的利用效率，从而带来极大的经济效益。目前实际生产线中使用的压下量与轧制速度设定方法多为"计算-判断-修正-计算"的循环过程，只能考虑单一的性能指标，不能同时兼顾其他(在经验数据缺失或同时考虑多个性能指标时会造成循环时间过长甚至无限循环)。因而提出一种可以同时优化多个性能指标的在线压下量与轧制速度设定方法是十分必要和迫切的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提出一种计算冷连轧各机架压下量与轧制速度的装置及方法。

本发明的技术方案是这样实现的:一种冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置，包括:

初始压下率产生器:用于根据经验数据或采用随机方式产生N组冷连轧各机架压下率;

功率平衡计算器:用于根据初始压下率产生器产生的压下率，计算N组压下率分别对应的功率裕量平衡系数，也用于计算粗调更新器或精调更新器或压下率更新器产生的新压下率对应的功率裕量平衡系数;

能耗计算器:用于根据初始压下率产生器产生的压下率，计算N组压下率分别对应的总轧制能耗，也用于计算粗调更新器或精调更新器或压下率更新器产生的新压下率对应的轧制能耗;

约束发生器:用于使计算过程中产生的末机架的绝对压下率控制在0.005～0.03之间，其他机架的相对压下率控制在0.1～0.45之间，使轧制力、轧制力矩、轧制功率控制在小于各机架所允许的最大值的范围内，使轧制速度控制在满足生产要求的末机架最小速度与轧机机械系统允许的最大速度之间;

粗调更新器:用于对初始压下率产生器产生的Ｎ组冷连轧各机架压下率进行更新，采用固定的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与初始压下率产生器产生的相应压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率;

约束非支配排序器:用于根据功率平衡计算器、能耗计算器和约束发生器的输出，计算Ｎ组冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离两个参数;

精调更新器:用于根据约束非支配排序器所产生的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，确定粗调更新器或筛选器产生的每组内冷连轧各机架的压下率的克隆规模，在利用新产生的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与复制前的压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率;

压下率选择器:用于选取Ｎ/2组压下率，用联赛选择机制根据冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离选择出Ｎ/2组压下率输出，即压下率的约束非支配层数不同时，约束非支配层数小的一组胜出，约束非支配层数相同时，拥挤距离大的一组压下率胜出;

压下率更新器:用于将压下率选择器的输出结果作为父代压下率，采用交叉变异的方法产生新的子代压下率;

筛选器:用于根据约束非支配排序器输出的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，对压下率更新器产生的压下率进行筛选，当约束非支配层数值不同时，选择约束非支配层数值小的值对应的压下率，当约束非支配层数值相同时，选择拥挤距离大的值对应的压下率，直至压下率的总组数达到N，停止筛选;

最终压下量与轧制速度产生器:根据筛选器选出的当前压下率对应的功率裕量平衡系数与轧制能耗的值的空间分布，在其几何中心区域选择一个解作为最终的压下率，并据此计算最终的压下量与轧制速度。

所述的功率裕量平衡系数用于评价压下率反映的各机架的功率裕量平衡程度。

所述的固定的克隆规模，是指对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制的次数，取3～10。

采用上述装置对冷连轧各机架压下量与轧制速度进行设定的方法，包括以下步骤:

步骤１：根据经验数据或采用随机方式产生Ｎ组冷连轧各机架压下率;

步骤2:根据初始压下率产生器产生的压下率，计算Ｎ组压下率分别对应的功率裕量平衡系数;根据初始压下率产生器产生的压下率，计算Ｎ组压下率分别对应的总轧制能耗;利用约束发生器使初始压下率产生器产生的末机架的绝对压下率控制在0.005～0.03之间，其他机架的相对压下率控制在0.1～0.45之间，使轧制力、轧制力矩、轧制功率控制在小于各机架所允许的最大值的范围内，使轧制速度控制在满足生产要求的末机架最小速度与轧机机械系统允许的最大速度之间;

步骤3:对初始压下率产生器产生的Ｎ组冷连轧各机架压下率进行更新，采用固定的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与初始压下率产生器产生的相应压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率;

步骤4:根据功率平衡计算器、能耗计算器和约束发生器的输出，用约束非支配排序器计算粗调更新器产生的或筛选器产生的Ｎ组冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，如果该方法当前的运行时间为t_max/n的整数倍，其中，t_max为系统运行的最大时间，则执行步骤5，否则执行步骤6;

步骤5:根据约束非支配排序器所产生的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，确定粗调更新器或筛选器产生的每组内冷连轧各机架的压下率的克隆规模，再利用新产生的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与复制前的压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率，并调用约束非支配排序器计算新产生的压下率的rank与distance值;

步骤6:用于选取N/2组压下率，用联赛选择机制根据冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离选择出N/2组压下率输出，即压下率的约束非支配层数不同时，小的一组胜出，约束非支配层数相同时，拥挤距离大的一组压下率胜出;

步骤7:将压下率选择器的输出结果作为父代压下率，采用交叉变异的方法产生新的子代压下率，并调用约束非支配排序器计算新产生的压下率的rank与distance值;

步骤8:根据约束非支配排序器输出的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，对压下率更新器产生的压下率进行筛选，当约束非支配层数值不同时，选择约束非支配层数值小的值对应的压下率，当约束非支配层数值相同时，选择拥挤距离大的值对应的压下率，直至压下率的总组数达到N，停止筛选，并判断终止条件，若当前的运行时间大于t_max，则执行步骤9，否则返回步骤4;

步骤9:根据筛选器选出的当前压下率对应的功率裕量平衡系数与轧制能耗的值的空间分布在其几何中心区域选择一个解作为最终的压下率，并据此计算最终的压下量与轧制速度;

步骤10:将获得的下一规格带钢(即将连续轧制的不同规格的带钢)的各机架的压下量与轧制速度传给一级基础自动化，并经动态变规格设置各机架的辊缝与轧辊的转速。

步骤4所述的最大时间，为轧制当前规格带钢到连续轧制下一规格的(指不同来料厚度或成品厚度)带钢的间隔时间乘以系数k，其中k取0.3～0.6，n取10～20。

本发明的优点:目前实际生产线中使用的压下量与轧制速度设定方法多为"计算-判断-修正-计算"的循环过程，只能考虑单一的性能指标(在经验数据缺失或同时考虑多个性能指标时会造成循环时间过长甚至无限循环)，不能同时兼顾其他。本发明提出了一种冷连轧各机架压下量与轧制速度的装置及方法。该装置及方法可在经验数据缺失的情况下计算出轧制不同规格带钢各机架(道次)的压下量与轧制速度，在保证每个机架负荷平衡的前提下，最大限度的降低轧制能耗，对于带钢轧制过程的节能减排有着十分重要的意义，同时也有着广泛的应用前景。

附图说明

图１为本发明一种实施方式冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置的结构框图;

图2为本发明一种实施方式设定冷连轧各机架压下量与轧制速度的方法流程图;

图3为本发明一种实施方式二级过程计算机结构示意图;

图4为本发明一种实施方式Ｎ＝10时冷连轧压下量与轧制速度解集示意图;

图5为本发明一种实施方式Ｎ=20时冷连轧压下量与轧制速度解集示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。

图１为本发明为本实施方式中冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置的结构框图。该装置包括:

初始压下率产生器:根据经验数据(如需轧制某一规格的带钢时，可以通过数据库查询到轧制相同规格带钢时所采用的各道次的压下量与轧制速度的历史数据，则利用这些历史数据通过交叉和变异产生初始压下率)或采用随机方式产生(当经验数据缺失时)Ｎ组(Ｎ取10-20)冷连轧各机架压下率(一组冷连轧机组内一般并不是只有一个机架，而是设置有若干个机架，本实施方式的冷连轧机组内具有5个机架)。

功率平衡计算器:用于根据初始压下率产生器产生的压下率，计算Ｎ组压下率分别对应的功率裕量平衡系数。这里每一组冷连轧各机架的压下率可以算出来一个功率裕量平衡系数，本实施方式中取Ｎ组，就有Ｎ个功率裕量平衡系数，设Ｎ组压下率对应xpb₁、xpb₂，......，xpb_N，N个功率裕量平衡系数。当各更新器(粗调更新器，精调更新器，压下率更新器)更新出新的压下率时，功率平衡计算器自动计算新的压下率对应的功率裕量平衡系数。

能耗计算器:用于根据初始压下率产生器产生的压下率，计算N组压下率分别对应的总轧制能耗，如，第1组压下率对应一个功率裕量平衡系数，同时对应一个总轧制能耗，第2组压下率对应一个功率裕量平衡系数，同时对应另一个总轧制能耗，......，第N组压下率对应一个功率裕量平衡系数，同时对应又一个总轧制能耗，因此，N组压下率分别对应有N个总轧制能耗。当各更新器更新出新的压下率时，能耗计算器自动计算新的压下率对应的轧制能耗。

约束发生器:用于使计算过程中产生的末机架的绝对压下率控制在0.005～0.03之间，其他机架的相对压下率控制在0.1～0.45之间，使轧制力、轧制力矩、轧制功率控制在小于各机架所允许的最大值的范围内，使轧制速度控制在满足生产要求的末机架最小速度与轧机机械系统允许的最大速度之间。约束发生器根据上述要求产生约束不等式，如末机架(5机架)的绝对压下率控制在0.005～0.03之间对应的不等式为0.005<x₅<0.03，当x₅(5机架的绝对压下率)在0.005到0.03之间时，此约束条件(不等式)的值为１，否则为0。

粗调更新器:用于对初始压下率产生器产生的Ｎ组冷连轧各机架压下率进行更新，采用固定的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制(如本实施方式中，设定固定规模为10，以一组冷连轧机架的压下率为例，将一组压下率xⁱ=[xⁱ ₁，xⁱ ₂，xⁱ ₃，xⁱ ₄，xⁱ ₅]，即5个机架的5个压下率复制为10组压下率，每组包含5个机架的5个压下率，即xⁱ、xⁱ、xⁱ，......，xⁱ)，再使经过复制产生的每个压下率进行概率为1的多项式变异(即分别将这10组压下率都进行变异，使１0组压下率变异为不同的压下率)，将变异产生的各压下率与初始压下率产生器产生的相应压下率(即未经过复制及变异之前的原始压下率xⁱ)进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器输出的随机加权和最小(以加权求和的方式来选择轧制功率裕量分布更为平衡，轧制总能耗更小的一组压下率)的压下率作为该组内冷连轧各机架更新后的压下率;

约束非支配排序器:用于根据功率平衡计算器、能耗计算器和约束发生器的输出，计算Ｎ组冷连轧各机架压下率的约束非支配层数rank(反应了该组压下率所处的约束非支配层数，该值越小说明该组压下率越优)和拥挤距离distance(反应了同处于一个约束非支配层数中的压下率之间的位置关系，该值越大说明该组压下率距离同一个约束非支配层数中的相邻组的压下率越远)两个参数。输入约束非支配排序器中的Ｎ组压下率中的某组压下率的rank值为1，当其他N-1组压下率不存在约束支配此组压下率的压下率，在Ｎ组压下率中将满足此条件的S_１组压下率全找到，将其rank值置为1，并将这S₁组压下率移出;在剩下的N-S₁组压下率中，某组压下率的rank值为2，当其他N-S₁-1组压下率不存在约束支配此组压下率的压下率，在Ｎ-S_１-1组压下率中将满足此条件的S₂组压下率全找到，将其rank值置为2，并将这S₂组压下率移出，剩下N-S₁-S₂组;重复此过程直到所有组的压下率被移出。在rank值相同的压下率中根据其功率裕量平衡系数与轧制能耗确定每组压下率的拥挤距离。

精调更新器:用于根据约束非支配排序器所产生的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，确定粗调更新器(或筛选器)产生的每组内冷连轧各机架的压下率的克隆规模，即该组压下率所处非支配层数和拥挤距离越小，克隆规模越大，反之则克隆规模越大。再利用新产生的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与复制前的压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率。Ｎ组压下率经过精调更新器更新后产生新的Ｎ组压下率，将更新前后的压下率结合到一起共2Ｎ组作为精调更新器的输出;

压下率选择器:用于选取Ｎ/2组压下率，用联赛选择机制根据冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离选择出Ｎ/2组压下率输出。生成一个１到3的随机数tour_n，在当前2Ｎ组压下率中随机选取tour_n组压下率，如果tour_n组冷连轧各机架压下率的约束非支配层数值不同，则选择约束非支配层数值最小的一组压下率胜出，如果tour_n组中有多组压下率同时处于最小的约束非支配层数，则拥挤距离大的一组冷连轧各机架对应的压下率胜出，上述过程执行Ｎ/2次，即选择出Ｎ/2组压下率输出。例如随机生成的tour_n为2，则在Ｎ组轧制规程中随机选出两组，根据上述方法选出胜出的一组，再随机选出2组，重复此过程，选出Ｎ/2组压下率输出。

压下率更新器:用于将压下率选择器的输出结果作为父代压下率，采用交叉和低概率变异的方法产生新的子代压下率。此更新器更新出的新压下率与被更新的压下率的差异程度，与粗调、精调更新器相比要小得多。即生成一个0到Ｎ/2之间的随机数m，对Ｎ/2组压下率随机作m次交叉产生2m组新压下率，作Ｎ/2-m次变异，产生Ｎ/2-m组新压下率，即共产生Ｎ/2+m组新的压下率，与Ｎ/2组父代压下率结合到一起，共Ｎ+m组压下率作为压下率更新器的输出。

筛选器:用于根据约束非支配排序器输出的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，对压下率更新器输出的Ｎ+m组压下率进行筛选，当约束非支配层数值不同时，选择约束非支配层数值小的值对应的压下率，当约束非支配层数值相同时，选择拥挤距离大的值对应的压下率，直至压下率的总组数达到N，停止筛选，并输出筛选出的Ｎ组压下率;

最终压下量与轧制速度产生器:根据筛选器选出的Ｎ组压下率对应的功率裕量平衡系数与轧制能耗的值的空间分布，在其几何中心区域选择一个解作为最终的压下率。即:以功率裕量平衡系数为横坐标，轧制总能耗为纵坐标建立坐标系，Ｎ组压下率分布在此坐标系中，功率裕量平衡系数最小同时轧制能耗最大的一组压下率为上端点，功率裕量平衡系数最大同时轧制能耗最小的一组压下率为下端点，在此坐标系中距离上下端点的欧式距离之差最小的一组压下率即为所选的最终压下率，并据此计算最终的压下量与轧制速度。

本实施方式中采用上述装置对冷连轧各机架压下量与轧制速度进行设定的方法，如图2所示，包括以下步骤:

步骤１：本实施方式中，以某冷轧厂内5台机架冷轧机组为例，其中，轧机的参数如表１所示：

表１为某冷轧厂内5台轧机参数表

本实施方式中带钢来料尺寸为2.6mm×900mm的DQ钢，成品尺寸为0.5mm×900mm。根据上述的数据，搜索二级过程计算机中的数据库，如图3所示，查找上述尺寸带钢的压下量与轧制速度经验数据，并据此数据用初始压下量产生器生成(没有经验数据则随机生成)N＝１０(或20)组压下率，例如一次随机生成的10组压下率如下所示。

步骤2:根据初始压下率产生器产生的压下率(或各更新器新产生的压下率)，基于冷连轧生产线过程自动化中的轧制力模型、轧制力矩模型和轧制功率模型计算功率裕量平衡的目标函数f₁(x)，公式如下:

$f_1\left(x\right)=\mathrm{\&alpha;}\underset{i=1}{\overset{L-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\ln [1+\mathrm{\&beta;}\&times;{({\mathrm{Bal}}_i-1)}^2]---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{Bal}}_1=P_1\left(x\right)/P_2\left(x\right)& i=1\\ {\mathrm{Bal}}_i=\frac{H_{P_i}\left(x\right)/H_{P_{{\max }_i}}\left(x\right)}{[\underset{i=2}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_{P_i}\left(x\right)/H_{P_{{\max }_i}}\left(x\right)]/(L-1)}& 1<i<L-1\end{array}\right.$

式中，α=10000，β=5为计算时设定的系数；x为压下率，且有x＝(x_１，x₂，x₃，x₄，......,x_L)，Bal_i为计算时第i机架产生的中间变量，P_i(x)为第i机架由x计算出的轧制力;为i架电机功率的计算值;

为i架电机额定功率;L为机架数，其值在本实施方式中为5。

根据初始压下率产生器产生的压下率(或各更新器新产生的压下率)，基于冷连轧生产线过程自动化中的轧制力模型、轧制力矩模型和轧制功率模型计算轧制总能耗的目标函数f₂(x)，公式如下:

$f_2\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_{P_i}\left(x\right)---\left(2\right)$

同时根据轧机的机械型号、电气状态条件、实际操作中应满足的条件确定约束发生器内的约束条件为:１)压下率0.1≤x_i≤0.45，且有i=1～L-1，0.005<x_L<0.03，其中，x_i为第i架的相对压下率，x_L为末机架的绝对压下率。2)轧制力、轧制力矩、轧制功率小于各机架所允许的最大值;3)轧制速度在满足生产要求的末机架最小速度与轧机机械系统允许的最大速度之间。

步骤3:对初始压下率产生器产生的Ｎ组冷连轧各机架压下率进行更新，采用固定的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与初始压下率产生器产生的相应压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率。

更新压下率

的具体步骤为:

步骤3-1:随机生成权向量w_j，并设置停止标志变量flag=1，公式如下:

${\mathrm{\&lambda;}}_j=\mathrm{random}\left[\mathrm{0,1}\right),{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sum}}=\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&lambda;}}_j---\left(3\right)$

$w_j=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{sum}}},j=1~M$

式中，λ，λ_sum为中间变量，函数random[0，1)产生[0，1)上的随机数。从上式可以看出

本实施方式中M=2。

步骤3-2:判断停止标志变量flag是否等于0，是的话跳出更新并输出xⁱ，否则继续;

步骤3-3:对xⁱ做克隆操作得到yⁱ，公式如下:

yⁱ=clone_op(xⁱ)=I_i×xⁱ=[xⁱ,xⁱ,…xⁱ]   (4)

式中，clone_op表示克隆操作，I_i为元素为1的q_i维行向量，每组压下率xⁱ对应一个q_i，它反映了对xⁱ的克隆规模，在粗调更新器中，xⁱ被改进的空间很大，q_i取一个较小的整数q_min，(取值范围为3-10)克隆过后xⁱ变为维数为q_i的行向量yⁱ;

步骤3-4:对yⁱ进行概率为1的多项式变异得到mutⁱ，公式如下:

${\mathrm{mut}}^i={\mathrm{Pm}}_{\mathrm{op}}\left(y^i\right)=[P{m}_{\mathrm{op}}\left(x^i\right),P{m}_{\mathrm{op}}\left(x^i\right),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;P{m}_{\mathrm{op}}\left(x^i\right)]$      (5)

$=[{\mathrm{mut}}_1^i,{\mathrm{mut}}_2^i,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;{\mathrm{mut}}_{q_i}^i]$

式中Pm_op表示多项式变异操作。

步骤3-5:调用功率平衡计算器与能耗计算器计算

对应的功率裕量平衡系数与轧制能耗，并计算

及xⁱ的聚合函数值。xⁱ对应的聚合函数值，公式为:

$Z\left(x^i\right)=\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_k\&CenterDot;f_k\left(x^i\right)---\left(6\right)$

mutⁱ对应的聚合函数值，公式为:

$Z\left({\mathrm{mut}}_j^i\right)=\underset{k=1}{\overset{2}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_k\&CenterDot;f_k\left({\mathrm{mut}}_j^i\right)$

$Z\left({\mathrm{mut}}^i\right)=[Z\left({\mathrm{mut}}_1^i\right),Z\left({\mathrm{mut}}_2^i\right),\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,Z\left({\mathrm{mut}}_{q_i}^i\right)]---\left(7\right)$

步骤3-6:选出Z(mutⁱ)中最小的分量的压下率记为作为移动后的压下率:

步骤3-7设置局部搜索停止标志变量flag。比较Z(xⁱ)与

并按下式设置flag

$\left\{\begin{array}{ccc}\mathrm{flag}=1& \mathrm{if}& Z\left({\mathrm{mut}}_{*}^i\right)<Z\left(x^i\right)\\ \mathrm{flag}=0& \mathrm{if}& Z\left({\mathrm{mut}}_{*}^i\right)>Z\left(x^i\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

步骤3-8:如果flag=1，令否则xⁱ不变。返回步骤3-2。

步骤4:根据功率平衡计算器、能耗计算器和约束发生器的输出，采用约束非支配排序方法计算粗调更新器产生的(或筛选器产生的)Ｎ组冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，如果该方法当前的运行耗时为t_max/n的整数倍(t_max为本方法运行的最大时间，其值为轧制当前规格带钢到连续轧制下一规格(本方法设定压下量与轧制速度的)带钢的间隔时间乘以系数k。k一般取0.3-0.6，n一般取10-20)，则执行步骤5，否则执行步骤6;

步骤5:根据约束非支配排序器所产生的约束非支配层数rank和拥挤距离distance两个参数，确定粗调更新器产生的(或筛选器产生的)每组内冷连轧各机架的压下率的克隆规模，再利用新产生的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与复制前的压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率。

其中，克隆规模q_i的计算方法采用如下公式计算:

$q_i^{\mathrm{temp}}=\frac{1}{{\mathrm{rank}}_i\&CenterDot;{\mathrm{dis}\tan \mathrm{ce}}_i}$

$q_i=\mathrm{Int}[q_{\min }+\frac{q_i^{\mathrm{temp}}-\min \left(q_i^{\mathrm{temp}}\right)}{\max \left(q_i^{\mathrm{temp}}\right)-\min \left(q_i^{\mathrm{temp}}\right)}\&CenterDot;(q_{\max }-q_{\min })]---\left(9\right)$

式中，q_max为设定的q_i的最大值取为10，q_min为设定的q_i的最小值取为3，rank_i为第i组压下率所处的约束非支配层数，distance_i为第i组压下率的拥挤距离，

表示当前所有压下率中对应的

的最小值，

表示当前所有压下率除去边界压下率(拥挤距离为无穷)的的最大值，Int[·]为上取整函数，Int[ψ]表示大于ψ的最小整数。

最后将更新前的N组压下率与更新后得到的N组压下率结合到一起获得2Ｎ组压下率。

更新过程中调用功率平衡计算器、能耗计算器、约束条件发生器计算新产生的压下率对应的功率裕量平衡目标函数f₁(x)、轧制总能耗目标函数f₂(x)与约束条件，并调用约束非支配排序器计算新产生的压下率的rank与distance值。

步骤6:用于选取N/2组压下率，用联赛选择机制根据冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离选择出Ｎ/2组压下率输出。生成一个1到3的随机数tour_n，在当前2Ｎ组压下率中随机选取tour_n组压下率，如果tour_n组冷连轧各机架压下率的约束非支配层数值不同，则选择约束非支配层数值最小的一组压下率胜出，如果tour_n组中有多组压下率同时处于最小的约束非支配层数，则拥挤距离大的一组冷连轧各机架对应的压下率胜出，上述过程执行Ｎ/2次，即选择出Ｎ/2组压下率输出。例如随机生成的tour_n为2，则在Ｎ组轧制规程中随机选出两组，根据上述方法选出胜出的一组，再随机选出2组，重复此过程，选出Ｎ/2组压下率输出;

步骤7:将压下率选择器的输出结果作为父代压下率，采用SBX交叉和低概率的多项式变异的方法产生新的子代压下率，并调用约束非支配排序器计算新产生的压下率的rank与distance值;

步骤8:根据约束非支配排序器输出的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，对压下率更新器产生的压下率进行筛选，当约束非支配层数值不同时，选择约束非支配层数值小的值对应的压下率，当约束非支配层数值相同时，选择拥挤距离大的值对应的压下率，直至压下率的总组数达到N，停止筛选，并判断终止条件(当前的运行时间大于t_max)，如果为真，执行步骤9，否则返回步骤4;

步骤9:根据筛选器选出的当前压下率对应的功率裕量平衡系数与轧制能耗的值的空间分布在其几何中心区域选择一个解作为最终的压下率。以功率裕量平衡系数为横坐标，轧制总能耗为纵坐标建立坐标系，Ｎ组压下率分布在此坐标系中，功率裕量平衡系数最小同时轧制能耗最大的一组压下率为上端点，功率裕量平衡系数最大同时轧制能耗最小的一组压下率为下端点，在此坐标系中距离上下端点的欧式距离之差最小的一组压下率即为所选的最终压下率，并据此计算最终的压下量与轧制速度。

步骤10:将获得的下一规格带钢(即将连续轧制的不同规格的带钢)的各机架的压下量与轧制速度传给一级基础自动化，并经动态变规格设置各机架的辊缝与轧辊的转速。

本实施方式提出的冷连轧压下量与轧制速度设定方法获得的结果与原生产线实际生产过程中使用的压下量与轧制速度作比较以验证本发明所提出的方法的有效性。比较结果如图4，5所示。未经优化的、实际应用的压下量与轧制速度用功率平衡计算器与能耗计算器计算出的两个目标函数值为:f₁ ^ori=14975.78,f₂ ^ori=18128.71,如图中五角星所示。由该点所处的位置，可以得出本发明提出的计算方法可以有效地获得比原轧制规程更好的冷连轧压下量与轧制速度集，其几何中心所对应的压下量与轧制速度的两个目标函数值均小于实际应用的压下量与轧制速度。图4所得结果的运行时间为5.9125秒，图5所得结果的运行时间为7.3121秒，满足该方法在线应用的实时性要求，证明了该方法的有效性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置，其特征在于:包括

初始压下率产生器:用于根据经验数据或采用随机方式产生N组冷连轧各机架压下率;

功率平衡计算器:用于根据初始压下率产生器产生的压下率，计算N组压下率分别对应的功率裕量平衡系数，也用于计算粗调更新器或精调更新器或压下率更新器产生的新压下率对应的功率裕量平衡系数;

能耗计算器:用于根据初始压下率产生器产生的压下率，计算N组压下率分别对应的总轧制能耗，也用于计算粗调更新器或精调更新器或压下率更新器产生的新压下率对应的轧制能耗;

约束发生器:用于使计算过程中产生的末机架的绝对压下率控制在0.005～0.03之间，其他机架的相对压下率控制在0.1～0.45之间，使轧制力、轧制力矩、轧制功率控制在小于各机架所允许的最大值的范围内，使轧制速度控制在满足生产要求的末机架最小速度与轧机机械系统允许的最大速度之间;

粗调更新器:用于对初始压下率产生器产生的Ｎ组冷连轧各机架压下率进行更新，采用固定的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与初始压下率产生器产生的相应压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率；

约束非支配排序器:用于根据功率平衡计算器、能耗计算器和约束发生器的输出，计算Ｎ组冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离两个参数;

精调更新器:用于根据约束非支配排序器所产生的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，确定粗调更新器或筛选器产生的每组内冷连轧各机架的压下率的克隆规模，在利用新产生的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与复制前的压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率;

压下率选择器:用于选取Ｎ/2组压下率，用联赛选择机制根据冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离选择出N/2组压下率输出，即压下率的约束非支配层数不同时，约束非支配层数小的一组胜出，约束非支配层数相同时，拥挤距离大的一组压下率胜出;

压下率更新器:用于将压下率选择器的输出结果作为父代压下率，采用交叉变异的方法产生新的子代压下率;

筛选器:用于根据约束非支配排序器输出的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，对压下率更新器产生的压下率进行筛选，当约束非支配层数值不同时，选择约束非支配层数值小的值对应的压下率，当约束非支配层数值相同时，选择拥挤距离大的值对应的压下率，直至压下率的总组数达到N，停止筛选;

最终压下量与轧制速度产生器:根据筛选器选出的当前压下率对应的功率裕量平衡系数与轧制能耗的值的空间分布，在其几何中心区域选择一个解作为最终的压下率，并据此计算最终的压下量与轧制速度。

2.根据权利要求１所述的冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置，其特征在于:所述的功率裕量平衡系数用于评价压下率反映的各机架的功率平衡程度。

3.根据权利要求1所述的冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置，其特征在于:所述的固定的克隆规模，是指对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制的次数，取3～10。

4.采用权利要求１所述的冷连轧各机架压下量与轧制速度的设定装置对压下量与轧制速度进行设定的方法，其特征在于:包括以下步骤:

步骤１：根据经验数据或采用随机方式产生Ｎ组冷连轧各机架压下率;

步骤2:根据初始压下率产生器产生的压下率，计算Ｎ组压下率分别对应的功率裕量平衡系数;根据初始压下率产生器产生的压下率，计算Ｎ组压下率分别对应的总轧制能耗;利用约束发生器使初始压下率产生器产生的末机架的绝对压下率控制在0.005～0.03之间，其他机架的相对压下率控制在0.1～0.45之间，使轧制力、轧制力矩、轧制功率控制在小于各机架所允许的最大值的范围内，使轧制速度控制在满足生产要求的末机架最小速度与轧机机械系统允许的最大速度之间;

步骤3:对初始压下率产生器产生的Ｎ组冷连轧各机架压下率进行更新，采用固定的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与初始压下率产生器产生的相应压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率;

步骤4:根据功率平衡计算器、能耗计算器和约束发生器的输出，用约束非支配排库器计算粗调更新器产生的或筛选器产生的Ｎ组冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，如果该方法当前的运行时间为t_max/n的整数倍，其中，t_max为系统运行的最大时间，则执行步骤5，否则执行步骤6;

步骤5:根据约束非支配排序器所产生的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，确定粗调更新器或筛选器产生的每组内冷连轧各机架的压下率的克隆规模，再利用新产生的克隆规模对每组内冷连轧各机架的压下率进行复制，再使经过复制产生的每个压下率进行变异，将变异产生的各压下率与复制前的压下率进行比较，选择功率平衡计算器与能耗计算器的输出之和最小的压下率作为该组内冷连轧各机架的压下率，并调用约束非支配排序器计算新产生的压下率的rank与distance值;

步骤6:用于选取N/2组压下率，用联赛选择机制根据冷连轧各机架压下率的约束非支配层数和拥挤距离选择出N/2组压下率输出，即压下率的约束非支配层数不同时，小的一组胜出，约束非支配层数相同时，拥挤距离大的一组压下率胜出;

步骤7:将压下率选择器的输出结果作为父代压下率，采用交叉变异的方法产生新的子代压下率，并调用约束非支配排序器计算新产生的压下率的rank与distance值;

步骤8:根据约束非支配排序器输出的约束非支配层数和拥挤距离两个参数，对压下率更新器产生的压下率进行筛选，当约束非支配层数值不同时，选择约束非支配层数值小的值对应的压下率，当约束非支配层数值相同时，选择拥挤距离大的值对应的压下率，直至压下率的总组数达到N，停止筛选，并判断终止条件，若当前的运行时间大于t_max，则执行步骤9，否则返回步骤4;

步骤9:根据筛选器选出的当前压下率对应的功率裕量平衡系数与轧制能耗的值的空间分布在其几何中心区域选择一个解作为最终的压下率，并据此计算最终的压下量与轧制速度;

步骤10:将获得的下一规格带钢的各机架的压下量与轧制速度传给一级基础自动化，并设置各机架的辊缝与轧辊的转速。

5.根据权利要求4所述的设定冷连轧各机架压下量与轧制速度的方法，其特征在于:步骤4所述的最大时间，为轧制当前规格带钢到连续轧制下一规格的带钢的间隔时间乘以系数k，其中k取0.3～0.6，n取10～20，其中，所述的下一规格的带钢是指与当前轧制的带钢相比，来料厚度或成品厚度不同的带钢。

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