基于數(shù)據(jù)挖掘的擠塑成型溫度預(yù)測驗(yàn)證

陳 梅，孫 筱，張 隆，黃朝華

（1. 烏魯木齊職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，烏魯木齊 830002；2. 新疆工程學(xué)院 機(jī)械系，烏魯木齊 830091；3. 新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，奎屯 833200）

基于數(shù)據(jù)挖掘的擠塑成型溫度預(yù)測驗(yàn)證

陳 梅1，孫 筱2，張 隆2，黃朝華3

（1. 烏魯木齊職業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，烏魯木齊 830002；2. 新疆工程學(xué)院 機(jī)械系，烏魯木齊 830091；3. 新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，奎屯 833200）

0 引言

擠塑成型是借助螺桿的擠壓作用，將塑料加熱成熔融粘流態(tài)并推動其通過模具而成為截面與模具形狀相同的連續(xù)體的一種成型方法[2]。影響擠塑成型產(chǎn)品斷面尺寸的主要因素是融熔塑料溫度、壓力及擠出速度。擠塑成型機(jī)筒的加熱過程如圖1所示，顆粒狀塑料從加料筒進(jìn)入機(jī)筒，在擠出機(jī)螺桿的作用下，螺桿的螺旋槽將塑料向前輸送，塑料逐漸熔融。在機(jī)筒內(nèi)從進(jìn)料口到出料口擠塑成型熔體溫度是成增量分布的，通常將機(jī)筒分為三段，即加料段、壓縮段和均化段，其中均化段的溫度直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量[5]?，F(xiàn)有的擠塑成型加熱設(shè)備中,采用的溫度控制方法以反饋控制為主，仍存在有溫度控制慣性滯后現(xiàn)象，因而擠塑成型生產(chǎn)過程中仍然存在因溫度控制不理想而出現(xiàn)次品的現(xiàn)象。根據(jù)擠塑成型過程中溫度變化特點(diǎn)，通過采集壓縮段溫度，利用數(shù)據(jù)挖掘中的多元線性回歸預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)對均化段溫度的預(yù)測。

圖1 擠塑成型加熱過程

1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是從大量的數(shù)據(jù)中挖掘知識，其過程是一個從已知數(shù)據(jù)集合中發(fā)現(xiàn)各種模型、規(guī)則、關(guān)聯(lián)的過程[1,7]。根據(jù)挖掘的任務(wù)不同，數(shù)據(jù)挖掘可以分為分類或預(yù)測模型發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)聚類、關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)、異常和趨勢發(fā)現(xiàn)等，預(yù)測模型發(fā)現(xiàn)中又分線性回歸預(yù)測和非線性回歸預(yù)測[3]。

1.2 多元線性回歸預(yù)測

一般地，如果因變量y與k個自變量x1,x2,… ,xk之間存在線性關(guān)系，則：

n個觀測值 (xi1,xi2,…xik,yi),i= 1 ,2,…n滿足（1）式，即：

系數(shù)向量β的最小二乘估計(jì)為：

2 擠塑成型溫度預(yù)測的試驗(yàn)方案

實(shí)際擠塑成型機(jī)筒是鋼管，其內(nèi)表面采用了滲氮處理，致使機(jī)筒內(nèi)壁非常的堅(jiān)硬耐磨，如果在其中段處用接觸式傳感器采集溫度，則必然使機(jī)筒遭破壞[6]。為了驗(yàn)證本預(yù)測方案，我們按照擠塑成型溫度的實(shí)際變化情況及被加熱介質(zhì)的流動情況建立了試驗(yàn)驗(yàn)正方案。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)際試驗(yàn)過程中，為了便于反復(fù)測試與檢驗(yàn)，主要使用與圖1的結(jié)構(gòu)相似的設(shè)備，加熱介質(zhì)為水，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集、分析和驗(yàn)證。使用的硬件設(shè)備為：直徑10cm長度為150cm的模擬機(jī)筒、2個18b20防水型溫度傳感器、3組功率均為900w的加熱圈、渦輪流量計(jì)（用于采集水流速度）、固態(tài)繼電器、AT89S52單片機(jī)及PC機(jī)。試驗(yàn)方案如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)方案分布

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

模型中以PC機(jī)上的labview數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)為核心，借助AT89S52單片機(jī)將采集轉(zhuǎn)換后的溫度、速度和功率數(shù)據(jù)通過串口傳輸給PC機(jī)。模型中采用Access建立數(shù)據(jù)庫，在LabVIEW中通過LabSQL工具包實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作，采用改變功率參數(shù)和速度參數(shù)對加熱圈3和電磁閥實(shí)施控制，實(shí)現(xiàn)積累大量需要挖掘的數(shù)據(jù)樣本。采集到的原始樣本數(shù)據(jù)如表1所示。

采集到的樣本數(shù)據(jù)是以時(shí)間為序列進(jìn)行采集，為了更好挖掘出同一熔體在采集點(diǎn)1和采集點(diǎn)2的對應(yīng)溫度關(guān)系，以及找出功率、速度對溫度的影響力度，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理的工作分為兩部分，預(yù)處理后數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 原始樣本數(shù)據(jù)

表2 預(yù)處理后數(shù)據(jù)表

從原始數(shù)據(jù)表1中在T1時(shí)刻的溫度值1對應(yīng)的熔體經(jīng)過一定時(shí)間后，在T（1+K）時(shí)刻該熔體的溫度值2形成對應(yīng)關(guān)系，推算公式如下：

K為時(shí)間，單位為秒；

V12為采集點(diǎn)1與采集點(diǎn)2之間的容積，單位為立方厘米；

VS為熔體排出速度，單位為厘米每秒；

S為機(jī)筒截面積，單位為平方厘米。

將溫度值1和溫度值2對應(yīng)后的表中將速度和功率數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化，這樣經(jīng)分析挖掘后得出的函數(shù)式才能反映出各參數(shù)的影響力度。

2.3 多元線性回歸分析

Labview中可以直接調(diào)用MATLAB文件進(jìn)行高性能的數(shù)據(jù)分析和處理，本方案中將預(yù)處理后的樣本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為excel文件，導(dǎo)入到MATLAB回歸分析模塊進(jìn)行分析,樣本數(shù)據(jù)3800個。

以均化段溫度y為因變量，壓縮段溫度x1、速度x2、加熱功率x3為自變量。套用式（3），展開式如下：

應(yīng)用M a t l a b軟件作線性回歸，計(jì)算β?=(XTX)?1XTY。注意到數(shù)據(jù)樣本中速度的值在5到7之間，熔體在壓縮段測得溫度后經(jīng)過一定時(shí)間才到達(dá)均化段，所以均化段溫度變化應(yīng)該與壓縮段溫度變化有一定延遲。通過比較壓縮段溫度與均化段溫度的變化情況可以估算出延遲時(shí)間τ。本方案采用向量范數(shù)衡量2個序列相似程度的方法驗(yàn)證式（5）的合理性見圖3。

圖3 延遲時(shí)間

表3 時(shí)間與范數(shù)對應(yīng)表

根據(jù)式（5）計(jì)算出的延遲時(shí)間均值K=60.762秒，而用向量范數(shù)的方法取τ=61秒，將壓縮段溫度與均化段溫度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集開始點(diǎn)到2000點(diǎn)的數(shù)據(jù)曲線差別較大，主要原因是這段時(shí)間機(jī)筒處于預(yù)熱和加料階段，機(jī)筒內(nèi)存在有部分空氣，故而溫度波動較大，但2000點(diǎn)以后數(shù)據(jù)吻合度很好（如圖4所示），說明K的值是有效的，驗(yàn)證了式（5）。

圖4 壓縮段溫度與均化段溫度

調(diào)用函數(shù)regress(y,x)，可以得到系數(shù)β=[-7.9505 1.4782 -0.39464 0.00052034]，相關(guān)系數(shù)為R2= 0.8935， F統(tǒng)計(jì)量F=4036.7，p值p=0。

3 預(yù)測方程的確定與預(yù)測

3.1 溫度預(yù)測方程的R 和F檢驗(yàn)

1）R檢驗(yàn)

2）F檢驗(yàn)

表4 溫度預(yù)測驗(yàn)證表

表4(續(xù))

圖5 均化段實(shí)測溫度與計(jì)算溫度比較

3.2 溫度預(yù)測方程的驗(yàn)證

在同一試驗(yàn)條件下，再次采集2000組數(shù)據(jù)對溫度預(yù)測方程進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算出均化段溫度，對照實(shí)際采集的均化段溫度進(jìn)行誤差分析，得出以下數(shù)據(jù)，見表4和圖5。

4 結(jié)論

通過以上的試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出以下結(jié)論:

1）采用預(yù)測模型發(fā)現(xiàn)中的多元線性回歸預(yù)測方法，針對采集到的壓縮段、均化段溫度數(shù)據(jù)，建立擠塑成型生產(chǎn)過程溫度預(yù)測方程是可行的。

2）從預(yù)測方程中可以看出x2的系數(shù)較大，即速度的變化對均化段的溫度影響幅度大， x3系數(shù)小，即加熱功率的變化對均化段的溫度影響幅度小，若在短時(shí)間內(nèi)較大幅度調(diào)整均化段溫度，優(yōu)先考慮調(diào)整速度，若在短時(shí)間內(nèi)較小幅度調(diào)整均化段溫度，則優(yōu)先考慮調(diào)整功率，為均化段的溫度控制提供了理論依據(jù)。

3）在實(shí)際中可以通過檢測的壓縮段熔體溫度、螺桿速度和均化段加熱器功率等參數(shù)，預(yù)測出均化段出口熔體溫度，為控制該處的溫度爭取到一定時(shí)間，為溫度控制提供了保證。

[1]邵鴻翔.線性回歸方法在數(shù)據(jù)挖掘中的應(yīng)用和改進(jìn)[J].統(tǒng)計(jì)與決策,2012,362(14):72-75.

[2]譚梅,李曉秀,呂聰.自適應(yīng)神經(jīng)PDI在擠塑機(jī)溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].控制工程,2006,13(3):250-255.

[3]張娥,鄭斐峰,馮耕中.web日志數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2004,20(2):96-100.

[4]王玉國,梁新華,檀丁,等.基于數(shù)據(jù)挖掘的基坑監(jiān)測關(guān)聯(lián)性分析及聯(lián)合預(yù)報(bào)研究[J].全球定位系統(tǒng),2012,1O(4):185-189.

[5]夏江梅.塑料成型模具與設(shè)備[M].北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2005:220-223.

[6]張榮清.模具設(shè)計(jì)與制造[M].北京,高等教育出版社,2003:238-242.

[7]易繼鍇,侯媛彬.智能控制技術(shù)[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2007:177-200.

[8]高立鵑,劉云,趙玲.雙向數(shù)據(jù)挖掘的反饋預(yù)測分析[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2011,12(5):81-85.

[9]武書彥,李咚.數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的探索性研究[J].制造業(yè)自動化,2011,33(1):102-105.

Extrusion molding temperature forecasts based on verified data mining

CHEN Mei1, SUN Xiao2, ZHANG Long2, HUANG Zhao-hua3

擠塑成型生產(chǎn)過程中因溫度控制不理想而產(chǎn)生次品較多,針對這一現(xiàn)象提出利用LabVIEW實(shí)時(shí)采集大量擠塑成型機(jī)筒壓縮段出口處、均化段出口處的塑料熔融溫度，借助數(shù)據(jù)挖掘中的多元線性回歸預(yù)測方法，挖掘出熔體在壓縮段和均化段溫度變化的函數(shù)關(guān)系，通過采集壓縮段溫度，預(yù)測均化段出口處熔體溫度,為擠塑成型溫度預(yù)控提供數(shù)據(jù)支持。該方案通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了基于數(shù)據(jù)挖掘的擠塑成型機(jī)筒溫度預(yù)測方案的可行性。

多元線性回歸；labVIEW；數(shù)據(jù)挖掘；溫度預(yù)測

陳梅（1979 -），女，重慶人，講師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

TP29

A

1009-0134(2014)05(下)-0083-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).23

2014-02-19

新疆維吾爾自治區(qū)教育廳重點(diǎn)科研項(xiàng)目（2011JYT011412）；新疆維吾爾自治區(qū)科技援疆項(xiàng)目（2013911035）