穿孔过程关键参数软测量与优化控制

论文摘要

目前,国内许多钢铁企业为了提高无缝钢管的生产质量,都采用了加装狄赛尔导盘的斜轧穿孔机进行钢坯穿孔,但是在斜轧穿孔机中,与生产密切相关的工艺参数——导盘转速只能停机离线调整,这大大降低了钢坯穿孔生产效率和质量,成为钢管生产的一个瓶颈。如何实现穿孔机导盘转速的在线可调,进而改善穿孔机穿孔生产的毛管质量,提高无缝钢管生产机组的生产效率,已经成为各钢厂一个迫切需要解决的问题。本文以某钢铁公司钢管分公司SWW斜轧穿孔过程为研究背景,建立了导盘转速软测量模型,最优导盘转速确定模型,以及负载力矩软测量模型,并实现了导盘转速的优化控制。另外,通过对穿孔工艺的深入分析,建立了对穿孔生产具有一定指导意义的穿孔效率预报及优化模型。最后,通过建立毛管质量预报模型,实现了前述优化控制效果的检验及毛管质量的实时监测。本文主要工作如下：针对导盘转速难以在线测量的问题,提出了基于改进PCA-ELM的导盘转速软测量方法。利用PCA方法对数据进行压缩去噪,并且针对传统ELM方法在建模数据较多时,预报速度较慢的缺陷,提出了利用改进PCA-ELM方法建立软测量模型,实现导盘转速的在线预估。同时,利用短期校正与长期校正相结合的方法实现了软测量模型的更新校正。为了提高生产效益,需得到在不同工况下,使毛管质量和穿孔效率较高而能耗较低的最优导盘转速。针对管坯穿孔过程的复杂性及建模数据的特殊性,提出利用适用于非高斯分布数据的ICR建模方法建立独立成分和穿孔机最优导盘转速确定模型,并提出利用误差检验方法确定独立成分个数。最优导盘转速确定模型的建立,可为导盘转速自动控制的最优参数设定提供指导和参考。针对导盘转速的自动控制问题,提出了导盘转速的优化控制系统。其中导盘转速软测量模型实现了难于在线测量的关键参数——导盘转速的在线预估,为实现其直接控制奠定了基础；最优导盘转速确定模型根据管坯原材料、生产要求及生产运行工况确定了导盘转速的最优设定参数,为导盘转速的自动控制提供最优设定；负载力矩软测量模型,实现了系统中的主要扰动——负载力矩的实时预估,并在此基础上实现了负载力矩的前馈补偿控制,大大削弱了该主要扰动对导盘转速的影响。针对无缝钢管穿孔生产过程,难以一直保持较高穿孔效率这一问题,提出了基于均值子时段的MPLS穿孔生产过程穿孔效率预报模型,并根据生产工艺约束,对其进行了优化求解,获得了最优穿孔效率所对应的穿孔生产工艺参数。同时,为了检验穿孔效率的优化结果,实现毛管质量的在线监测,提出了基于均值子时段的MPLS毛管质量在线预报方法。基于均值子时段预估方法的创新之处在于：（1）提出了子时段的思想；（2）生产处于不同操作子时段,对预报参数的影响因素不同,分段选择辅助变量；（3）提出了数据均值的思想。最后,本文给出了穿孔过程关键参数软测量与优化系统的总体结构实施框架,详细地介绍了人机交互系统、下位机以及后台预报与优化系统的功能,同时给出了彼此间的相互联系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 无缝钢管生产概述
• 1.1.1 我国无缝钢管生产的历史
• 1.1.2 我国热轧无缝钢管生产设备发展简介
• 1.1.3 无缝钢管生产的基本工序
• 1.2 穿孔机概述
• 1.2.1 管坯穿孔方式
• 1.2.2 二辊式穿孔机
• 1.2.3 狄舍尔穿孔机
• 1.3 钢管生产及穿孔机的自动化发展
• 1.4 无缝钢管生产现状及本课题背景
• 1.4.1 无缝钢管生产现状
• 1.4.2 课题背景
• 1.5 本文主要工作
• 第二章 穿孔机导盘转速软测量方法研究
• 2.1 引言
• 2.2 软测量方法
• 2.2.1 软测量基本概念
• 2.2.2 建立软测量模型的基本方法
• 2.2.3 建立软测量模型的基本步骤
• 2.3 改进的极限学习机方法
• 2.3.1 极限学习机基本原理
• 2.3.2 改进的极限学习机方法
• 2.4 基于改进PCA-ELM方法的导盘转速软测量建模
• 2.4.1 主成分分析（PCA）技术
• 2.4.2 基于改进的PCA-ELM方法建立导盘转速软测量模型
• 2.4.3 导盘转速软测量模型的校正
• 2.4.4 仿真研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 穿孔机最优导盘转速确定
• 3.1 引言
• 3.2 最优导盘转速的建模方法
• 3.2.1 建模变量选取
• 3.2.2 最优导盘转速建模
• 3.3 最优导盘转速的仿真验证
• 3.3.1 仿真验证步骤
• 3.3.2 仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 穿孔机导盘转速优化控制
• 4.1 最优导盘转速优化控制系统总体结构
• 4.2 导盘转速对象模型的建立
• 4.2.1 EM执行机构与变量泵环节
• 4.2.2 泵—马达和负载系统模型
• 4.2.3 速度传感器环节
• 4.2.4 系统的数学模型
• 4.3 负载力矩的软测量建模
• 4.3.1 辅助变量的选择
• 4.3.2 变量预处理
• 4.3.3 基于PCR方法的负载力矩软测量建模与检验
• 4.4 导盘转速系统控制器的设计
• 4.4.1 导盘转速系统的工作原理及特点
• 4.4.2 导盘转速前馈-反馈控制器的设计
• 4.4.3 控制算法的仿真验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 穿孔效率的建模与优化
• 5.1 引言
• 5.2 多变量统计过程建模方法分析
• 5.2.1 间歇过程的数据特点及标准化方法
• 5.2.2 多向偏最小二乘（MPLS）
• 5.3 穿孔效率预报模型的建模
• 5.3.1 建模变量分析
• 5.3.2 数据预处理
• 5.3.3 预报模型建立
• 5.3.4 预报模型的特点
• 5.4 基于遗传算法穿孔效率的优化
• 5.4.1 穿孔效率决策变量及优化目标
• 5.4.2 优化方法的选择
• 5.4.3 穿孔效率的优化计算
• 5.5 仿真验证
• 5.6 本章小结
• 第六章 基于均值子时段MPLS方法的毛管质量预报
• 6.1 引言
• 6.2 毛管质量预报变量选择
• 6.2.1 毛管质量影响因素分析
• 6.2.2 毛管质量量化标准
• 6.3 毛管质量预报模型建立
• 6.3.1 建模数据的均值化处理
• 6.3.2 预报模型的建立
• 6.3.3 毛管质量在线预报
• 6.4 仿真验证
• 6.5 本章小结
• 第七章 穿孔过程关键参数软测量与优化系统的实施
• 7.1 前言
• 7.2 系统实施总体框架
• 7.3 下位机PLC
• 7.3.1 下位机系统的硬件组态
• 7.3.2 导盘转速的优化控制
• 7.4 上位机的配置与功能
• 7.4.1 上位机的硬件及软件配置
• 7.4.2 上位机的基本功能
• 7.4.3 上位机监控画面设计与开发
• 7.5 后台预报及优化系统
• 7.5.1 后台预报及优化系统的软硬件配置
• 7.5.2 后台预报及优化系统的编程语言
• 7.5.3 后台预报及优化系统的模块功能
• 7.5.4 后台预报及优化系统与上位机之间的数据交换
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间完成论文
• 个人简历