一種基于多階段mpca的無縫鋼管連軋生產(chǎn)過程的監(jiān)測與故障識別方法
【專利摘要】針對無縫鋼管連軋生產(chǎn)過程的機(jī)理模型難以建立，過程監(jiān)測和故障識別很困難的問題，考慮其非線性極強(qiáng)、動態(tài)特性變化快等生產(chǎn)特點(diǎn)，提出了基于多階段MPCA方法的無縫鋼管連軋過程的監(jiān)測與故障識別模型.該方法通過多階段線性結(jié)構(gòu)改進(jìn)傳統(tǒng)MPCA法的單模型線性化結(jié)構(gòu)，以分段線性建模逼近非線性的方式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)MPCA法的不足，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確度和反應(yīng)速度.實(shí)驗和仿真表明，基于多階段MPCA方法的無縫鋼管連軋過程的監(jiān)測模型有效性地實(shí)現(xiàn)了對無縫鋼管連軋過程的監(jiān)測與故障識別，并且其實(shí)時性好、可靠性及精度高。
【專利說明】-種基于多階段MPCA的無縫鋼管連軋生產(chǎn)過程的監(jiān)測與 故障識別方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無縫鋼管連軋生產(chǎn)過程監(jiān)測與故障識別方法，實(shí)時性好，可靠性 和精度高。

【背景技術(shù)】
[0002] 無縫鋼管被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、石油、化工、建筑、鍋爐和軍工等各個部門，在 國民經(jīng)濟(jì)中具有很重要的地位，故被人們稱為工業(yè)的血管.隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，無縫鋼 管的使用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高.無縫鋼管的生產(chǎn)工序主要有穿 孔、乳管和減徑.鋼管連軋生產(chǎn)是無縫鋼管生產(chǎn)的第二道工序，連軋得到的鋼管質(zhì)量對最 終產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。鋼管連軋生產(chǎn)過程是具有典型的多時段、多變量且變量間有復(fù)雜線 性相關(guān)關(guān)系等特性的間歇生產(chǎn)過程，這使得鋼管質(zhì)量與過程變量之間的關(guān)系比較復(fù)雜。無 縫鋼管連軋過程中數(shù)據(jù)的監(jiān)測與故障識別是保障鋼管質(zhì)量的有效方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的，是提供一種無縫鋼管連軋生產(chǎn)過程監(jiān)測與故障識別方法，能快速 準(zhǔn)確監(jiān)測故障，從而降低廢品率，提高生產(chǎn)效益，該方法模型維護(hù)費(fèi)用低，實(shí)時性好，精度 商。
[0004] 針對鋼管連軋生產(chǎn)過程的復(fù)雜性，可將其分為咬鋼、穩(wěn)定軋制和拋鋼三個子時 段.本發(fā)明人提出了基于多階段MPCA方法來建立連軋過程的監(jiān)測與故障識別模型.該方 法通過多階段線性結(jié)構(gòu)改進(jìn)傳統(tǒng)MPCA法的單模型線性化結(jié)構(gòu)，以分段線性建模逼近非線 性的方式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)MPCA法的不足，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確度.實(shí)驗表明，基于多階段MPCA方法 方法模型比傳統(tǒng)的MPCA模型具有更高精度，有效性地實(shí)現(xiàn)了對無縫鋼管連軋過程的監(jiān)測 與故障識別。
[0005] 在建模前，先對連軋無縫鋼管生產(chǎn)過程變量進(jìn)行選擇與分析 (1)軋輥轉(zhuǎn)速：在連軋過程中，乳輥的轉(zhuǎn)速非常重要，如果轉(zhuǎn)速過快，會導(dǎo)致鋼管表面的 毛坯不能被完全消除，連軋出來的鋼管將是不合格的產(chǎn)品。另一方面如果軋輥的轉(zhuǎn)速過慢 會增加連軋時間，因為消耗的電量等能源將會增加，不符合經(jīng)濟(jì)效益。而且，在8個軋輥中， 因為傳送過程存在時間差的關(guān)系，前后兩輪的轉(zhuǎn)速控制必須符合要求，才能確保每根鋼管 的連軋過程轉(zhuǎn)速變化幅度保證在一定范圍內(nèi)。
[0006] (2)軋輥力矩：力矩的大小直接影響鋼管生產(chǎn)的質(zhì)量，力矩不足，力度不夠，無法清 除鋼管表面毛坯，力矩過大，會導(dǎo)致鋼管承受過壓而在連軋過程中變形。因此，合理的力矩 范圍是確保產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障。為了節(jié)省電能資源，在等待狀態(tài)時，力矩可以減少，輸入 的電流不用過大。當(dāng)有鋼管進(jìn)入時，所通電流增大從而增加力矩。在鋼管進(jìn)入連軋機(jī)時，電 流增加，力矩隨之增加。當(dāng)鋼管輸出連軋機(jī)時，電流減少，力矩隨電流減少。
[0007] (3)軋輥電流：乳輥電流是連軋過程中最重要的控制變量，它是控制力矩和轉(zhuǎn)速的 重要因素。因為電流的敏感度比較高，在鋼管進(jìn)入連軋機(jī)時，電流反應(yīng)比較迅速，從而帶動 軋輥速度以及軋輥力矩，確保連軋的順利進(jìn)行。電流與力矩成比例關(guān)系，電流隨鋼管進(jìn)入時 增大，接著趨向穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)鋼管離開軋輥時，電流迅速下降，等待下一批次的鋼管。
[0008] -般來說連軋無縫鋼管生產(chǎn)過程分成三大階段：第一階段為鋼管進(jìn)入連軋機(jī)的咬 鋼階段，此階段軋輥轉(zhuǎn)速在鋼管進(jìn)入瞬間，轉(zhuǎn)速下降，隨時間變化后上升趨向平穩(wěn)。由于鋼 管進(jìn)入而導(dǎo)致靜摩擦力增大，為了使鋼管能順利進(jìn)入連軋機(jī)內(nèi)部，電流必須迅速增大從而 帶動力矩增大。第二階段為鋼管穩(wěn)定軋制階段，此階段軋輥轉(zhuǎn)速平穩(wěn)的在控制線附近上下 波動，由于鋼管在連軋機(jī)上連軋，因此，電流和力矩都要維持相應(yīng)的值。第三階段為無縫鋼 管輸出連軋機(jī)的刨鋼階段，此階段鋼管輸出連軋機(jī)組瞬間，軋輥轉(zhuǎn)速瞬間上升，然后慢慢下 降趨于平緩。鋼管完成連軋輸出連軋機(jī)時，電流和力矩都迅速下降，保證能源的節(jié)省和下一 批次連軋鋼管的順利進(jìn)行。
[0009] 基于對連軋無縫鋼管生產(chǎn)過程各變量的上述分析，為實(shí)現(xiàn)連軋生產(chǎn)過程的監(jiān)測與 故障識別，采用下述技術(shù)方案： (1)連軋無縫鋼管生產(chǎn)過程子操作時段的劃分 本發(fā)明在對連軋生產(chǎn)過程各時段分析的基礎(chǔ)上，確定了建模所需的各時段過程變量。 依據(jù)變量采集建模數(shù)據(jù)后，需要對生產(chǎn)過程子操作時段進(jìn)行劃分。在獲得的三維數(shù)據(jù)的基 礎(chǔ)上，將過程數(shù)據(jù)按生產(chǎn)操作時段的不同，將其分段處理。本發(fā)明先將連軋生產(chǎn)過程劃分為 咬鋼子時段、穩(wěn)定軋制子時段和拋鋼子時段。然后依據(jù)k-means聚類分析法并結(jié)合軋鋼過 程變量間的關(guān)系進(jìn)行細(xì)分段，細(xì)劃咬鋼和拋鋼階段，將咬鋼階段細(xì)劃成3個子時段，將拋鋼 階段也細(xì)劃成3個子時段。
[0010] k-means算法接受輸入量k，然后將η個數(shù)據(jù)對象劃分為k個聚類以便使得所獲 得的聚類滿足：同一聚類中的對象相似度較高；而不同聚類中的對象相似度較小。聚類相 似度是利用各聚類中對象的均值所獲得一個中心對象來進(jìn)行計算的，具體步驟如下： ① 從η個數(shù)據(jù)對象任意選擇k個對象作為初始聚類中心； ② 循環(huán)（3)到（4)直到每個聚類不再發(fā)生變化為止； ③ 根據(jù)每個聚類對象的均值（中心對象)，計算每個對象與這些中心對象的距離；并 根據(jù)最小距離重新對相應(yīng)對象進(jìn)行劃分； ④ 重新計算每個聚類的均值(中心對象)。
[0011] (2)連軋無縫鋼管生產(chǎn)過程多階段MPCA模型建立 在間歇過程的一次運(yùn)行中，記錄下變量J'=l，2, ···，/在時刻左=1，2,…，尤的采樣值，運(yùn) 行i=l，2,…，J次以后，得到了數(shù)據(jù)Z (J X / X幻。多向主元分析MPCA的思想是把三 維數(shù)據(jù)展開為二維數(shù)據(jù)以后再進(jìn)行PCA分析。具體步驟如下： ① 將三維矩陣.

【權(quán)利要求】
1. 一種基于多階段MPCA的無縫鋼管連軋生產(chǎn)過程的監(jiān)測與故障識別方法其特征是： 本發(fā)明在對連軋生產(chǎn)過程各時段分析的基礎(chǔ)上，確定了建模所需的各時段過程變量，依據(jù) 變量采集建模數(shù)據(jù)后，需要對生產(chǎn)過程子操作時段進(jìn)行劃分.在獲得的三維數(shù)據(jù)的基礎(chǔ) 上，將過程數(shù)據(jù)按生產(chǎn)操作時段的不同，將其分段處理.本發(fā)明先將連軋生產(chǎn)過程劃分為 咬鋼子時段、穩(wěn)定軋制子時段和拋鋼子時段.然后依據(jù)k-means聚類分析法并結(jié)合軋鋼過 程變量間的關(guān)系進(jìn)行分段，細(xì)劃咬鋼和拋鋼階段，將咬鋼階段細(xì)劃成3個子時段，同理將拋 鋼階段也細(xì)劃成3個子時段.確定建模所需的各時段過程變量后，多階段MPCA算法對進(jìn)行 無縫鋼管連軋生產(chǎn)過程監(jiān)測與故障識別.該方法通過多階段線性結(jié)構(gòu)改進(jìn)傳統(tǒng)MPCA法的 單模型線性化結(jié)構(gòu)，以分段線性建模逼近非線性的方式，彌補(bǔ)傳統(tǒng)MPCA法的不足，提高監(jiān) 測的準(zhǔn)確度。
【文檔編號】G06F17/50GK104063542SQ201410278192
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月20日
【發(fā)明者】肖冬, 高旭陽 申請人:東北大學(xué)