計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要:隨著計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)，設(shè)計(jì)出了三層網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)的電弧爐控制系統(tǒng)，就是通過(guò)控制層、設(shè)備層、管理層來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧爐及精煉爐的控制。這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)使煉鋼作業(yè)效率的提高和優(yōu)化，并且可以優(yōu)化控制和數(shù)據(jù)監(jiān)控。精煉爐和電弧爐控制在采用控制專家系統(tǒng)的同時(shí)，提出了另外一種在精煉爐和電弧爐控制在采用控制專家系統(tǒng)的同時(shí)，另外提出了一種可以使用到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的預(yù)估，這種方法可以在常規(guī)的控制器做出輸出時(shí)，做出與之能呼應(yīng)起來(lái)的補(bǔ)償，這能夠讓該系統(tǒng)更好地應(yīng)對(duì)負(fù)荷情況，還可以對(duì)外部的擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)救，進(jìn)而可以使控制質(zhì)量得以提高。

關(guān)鍵詞:系統(tǒng)組成;編程;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

隨著科技時(shí)代的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)日益發(fā)達(dá)，在自動(dòng)化領(lǐng)域中總線Ethernet增長(zhǎng)的速度非常迅速，在電弧爐和精煉爐控制系統(tǒng)中，使用了成本較低的工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，其中應(yīng)用了TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)［1］。這樣，在煉鋼過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了多機(jī)控制，不僅使綜合自動(dòng)化的水平得到了提高，而且可以滿足生產(chǎn)的需求量。

1控制系統(tǒng)的組成

某公司電爐分廠設(shè)計(jì)了這套控制設(shè)備，不但可以用40t電弧爐，而且精煉爐Sot也可以使用，代替了之前從美國(guó)引進(jìn)的IAF控制設(shè)備。該系統(tǒng)的總結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了設(shè)備層、控制層、信息管理層邏輯控制和電機(jī)調(diào)節(jié)都是爐前的控制設(shè)備，都是歸于設(shè)備層的。雙CPU工控機(jī)被用在電極調(diào)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工控機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。邏輯控制為了保證設(shè)備的可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性，在采用西門(mén)子公司S7－300的同時(shí)，還設(shè)計(jì)了PLC(S7－300－CPU318)備用的電極調(diào)節(jié)器，保證了在工控機(jī)發(fā)生故障時(shí)，依舊可以正常生產(chǎn)。控制管理層可以提高工藝曲線，可以預(yù)估精煉爐的鋼水溫度，可以使得不同服務(wù)器間的信息互通，還可以優(yōu)化位于設(shè)備層的監(jiān)控系統(tǒng)的管理，并且當(dāng)出現(xiàn)異常信息時(shí)能監(jiān)測(cè)到并報(bào)警。信息管理層能夠讓辦公和生產(chǎn)達(dá)到自動(dòng)化生產(chǎn)，還能夠把電弧爐和精煉爐的各個(gè)工作站間的數(shù)據(jù)、信息相聯(lián)通起來(lái)，并能實(shí)現(xiàn)工藝的優(yōu)化和管理的數(shù)據(jù)化，這些都需要在生產(chǎn)的過(guò)程當(dāng)中通過(guò)使用局域網(wǎng)把管理信息和控制系統(tǒng)做以結(jié)合才能達(dá)到。

2網(wǎng)絡(luò)通信的TCP/IP編程

信號(hào)采集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和輸出是系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主要功能［2］。Winsock的網(wǎng)絡(luò)通信中有很多操作為阻撓性質(zhì)，為使主控程序正常的執(zhí)行，多線程是一個(gè)好的方案。為避免由網(wǎng)絡(luò)阻塞操作使得主控程序的進(jìn)行受影響的問(wèn)題，可以把網(wǎng)絡(luò)程序拿出來(lái)放到另外一個(gè)單獨(dú)的線程中［3－4］。網(wǎng)絡(luò)通信、有功功率、主控程序和功率因數(shù)運(yùn)算以及弧留弧壓采集都包含在系統(tǒng)程序當(dāng)中。有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)通信程序的闡述如下:網(wǎng)絡(luò)通信程序可分為兩方面，一方面的功能是做出連接到服務(wù)器的申請(qǐng)，還可以發(fā)送計(jì)算的請(qǐng)求并且能夠?qū)Ψ?wù)器返回的結(jié)果做出處置，這個(gè)應(yīng)用程序是有關(guān)客戶端方面的;而另一方面的主要作用是把客戶端關(guān)于信息、連接和計(jì)算的要求接收到，并對(duì)其做出相應(yīng)的回復(fù)，這個(gè)應(yīng)用程序是有關(guān)服務(wù)器方面的。其數(shù)據(jù)傳遞模型如圖2所示。在此系統(tǒng)中，在主控程序和WinCC組態(tài)軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因?yàn)槿绻麄冎苯舆M(jìn)行網(wǎng)絡(luò)DDE交換，通信寬帶受限制，數(shù)據(jù)交換模型因需求而誕生;在客戶端，網(wǎng)絡(luò)通信程序作為一個(gè)子線程，可獨(dú)自完成內(nèi)存數(shù)據(jù)之間的交換;在服務(wù)器端口，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)程序的服務(wù)器，可以由本機(jī)的DDE來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的交換。這樣在增加寬帶的同時(shí)，還完成數(shù)據(jù)交換的目的。有關(guān)于客戶端的網(wǎng)絡(luò)通信程序的主要工作是:定期地把電量表上和I/O板卡上的電參量采集好發(fā)送至服務(wù)器，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)參數(shù)等做出計(jì)算，這可以把分析和顯示的數(shù)據(jù)提供給服務(wù)器?？蛻舳顺绦蚴且谥骺爻绦騿?dòng)之后才會(huì)啟動(dòng)的，它是一個(gè)屬于主控程序的子程序，與主線程在同一個(gè)內(nèi)存單元當(dāng)中。由于子線程并不進(jìn)行數(shù)據(jù)的更改，所以只是共享內(nèi)存，所以，在多線程程序中，不會(huì)使信號(hào)量受到影響，更不會(huì)造成訪問(wèn)沖突?？蛻舳耸菦](méi)有服務(wù)器的，所以沒(méi)法預(yù)知它的開(kāi)機(jī)時(shí)間，故而，客戶端的連接功能是多次的，當(dāng)客戶端發(fā)生連接失敗信號(hào)時(shí)，這條線程會(huì)在睡眠了1min后重新啟動(dòng)，直到成功連接上。在數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，必須檢查此通信的Socket的狀態(tài)，還有其所對(duì)應(yīng)的鏈路暢通與否，需要的數(shù)據(jù)完整與否，當(dāng)上文描述的情況中任何一種發(fā)生，都要馬上中斷信號(hào)的發(fā)送，要等各項(xiàng)準(zhǔn)備工作都做好之后，再重新對(duì)服務(wù)器進(jìn)行連接。服務(wù)器端就是要把從客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的連接請(qǐng)求和數(shù)據(jù)接收到，再通過(guò)一個(gè)DDE接口把這些信息轉(zhuǎn)送給WinCC，在同一時(shí)間內(nèi)，把收到的信息指令再傳回客戶端。這就是服務(wù)器端的主要作用。因此采用了快速并可視化的VisualBasic的開(kāi)發(fā)工具來(lái)設(shè)計(jì)這個(gè)程序。

3采用電弧爐法來(lái)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法

電弧爐控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)估模型是一種采用三層BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)做實(shí)施的，從而達(dá)到控制電弧爐的三相電極的不同狀態(tài)。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和電弧爐在接收到以N，N－1，N－2這三個(gè)時(shí)刻的調(diào)節(jié)器的輸出量和該時(shí)刻的參量為指導(dǎo)信號(hào)的輸入信號(hào)的時(shí)候，就會(huì)對(duì)模型的權(quán)值做出修正，這是根據(jù)實(shí)際值和預(yù)估值這兩者的差值來(lái)修正的，一直到初始態(tài)的關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)估模型建立起來(lái)為止。但是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在好多狀態(tài)下并不穩(wěn)定，所以當(dāng)電流過(guò)大就會(huì)造成短路，這時(shí)候系統(tǒng)就能自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到基本控制的模式中，當(dāng)狀態(tài)恢復(fù)時(shí)，就會(huì)自動(dòng)切換到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制模式中。在圖3當(dāng)中，這個(gè)預(yù)估模型是在線投入前邊就建立起來(lái)的，然后一直在做以調(diào)整，直到讓兩者達(dá)到的相似度很高。應(yīng)用一個(gè)預(yù)估程序并且是特定的，再用到這個(gè)預(yù)估的結(jié)果來(lái)對(duì)專家系統(tǒng)得到的輸出結(jié)果做優(yōu)化和補(bǔ)償，做到控制的及時(shí)有效性，然后才能取得一個(gè)和預(yù)期結(jié)果比較近似的效果。因?yàn)殡娀t的運(yùn)行條件如補(bǔ)償材料、線電壓、系統(tǒng)阻抗的改變等經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，所以系統(tǒng)采用了改進(jìn)的DBD算法，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的在線學(xué)習(xí)算法。BP算法是當(dāng)前最流行的算法，基本公式為式中:η為步長(zhǎng)參數(shù)(學(xué)習(xí)速率)。因?yàn)锽P只采用局部梯度信息，所以η的參數(shù)就不能太大，這樣就可以避免跳到權(quán)值空間不希望的區(qū)域。這樣就使搜索的速率降低。為了改變搜索速度，便捷的方法是加入沖量，式(1)更新為式中:μ為沖量因子，用于阻尼局部振蕩。該算法可提高搜索效率，電弧爐對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，其搜索速度仍不能到達(dá)期望值，改進(jìn)后的DBD算法應(yīng)用啟發(fā)式，其主要出發(fā)點(diǎn)為:在網(wǎng)絡(luò)中，權(quán)值方向不同，其斜率可能會(huì)產(chǎn)生較大差異，BP算法針對(duì)所有權(quán)值使用學(xué)習(xí)速率統(tǒng)一，故，該方向的斜率與各步的長(zhǎng)度成一定比例，這的算法可能引起在平坦斜率方向較慢地下降，但可在斜率最大方向跳過(guò)其極小值。針對(duì)該問(wèn)題，提出新的DBD算法如下:(1)在搜索空間中，每一維有各自的學(xué)習(xí)速率，速率η表示非常數(shù)，|δ(k)|表示指數(shù)衰減函數(shù)，指的是在平坦區(qū)域和比較陡峭區(qū)域的比值，η可相對(duì)快一點(diǎn)增加。(2)連續(xù)的多次迭代中，如果誤差梯度符號(hào)不變，表示極小點(diǎn)還處于前面，其學(xué)習(xí)的效率可以再提高一些。(3)連續(xù)的多次迭代中，如果誤差梯度符號(hào)改變，表示極小點(diǎn)已經(jīng)被跳過(guò)了，其學(xué)習(xí)的效率下降。(4)該算法中，可以改變其沖突項(xiàng)。(5)算法當(dāng)中恢復(fù)功能和記憶功能是新增加的，該系統(tǒng)可對(duì)當(dāng)前獲取的最佳值記憶，利用一個(gè)容許參數(shù)λ對(duì)其進(jìn)行控制恢復(fù)。當(dāng)所獲取的最佳值的誤差不小于λ倍的時(shí)候，可利用最佳的點(diǎn)進(jìn)行再次搜索。該系統(tǒng)在運(yùn)行實(shí)施中，可自行進(jìn)行調(diào)節(jié)，每經(jīng)過(guò)20s可更新一次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，以適應(yīng)電弧爐設(shè)備因各種因素而引發(fā)的其特性變化，程序編制采用VISUALC++6.0。

4應(yīng)用

在系統(tǒng)成功安裝前，冷調(diào)環(huán)節(jié)之后，便可使用，工業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的工作運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。神經(jīng)網(wǎng)路經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)以后，效率顯著提高，電耗明顯降低，針對(duì)不同配比的爐料，點(diǎn)弧更精確，相對(duì)98＜系統(tǒng)其運(yùn)行效率明顯提高了，具體性能參數(shù)比如表1所示。經(jīng)過(guò)實(shí)踐成功檢驗(yàn)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)估補(bǔ)償?shù)目刂品椒ㄊ羌瓤尚杏职踩?，神?jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)的速度及控制方法是否合理決定了其性能的優(yōu)劣。

5結(jié)論

成功安裝系統(tǒng)后，進(jìn)行冷調(diào)，即可進(jìn)行使用。神經(jīng)網(wǎng)路經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)以后，爐子提高了其控制性能，電弧精準(zhǔn)且更穩(wěn)定，較于IAF系統(tǒng)效率得到顯著提高。通過(guò)一年時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試，該套系統(tǒng)的可靠性相對(duì)更穩(wěn)定，調(diào)節(jié)性能更優(yōu)越，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，可廣泛推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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作者：劉挺 單位：西安外事學(xué)院