應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制鋅層厚度

康建華

（河鋼邯鋼冷軋廠，河北 邯鄲 056000）

熱鍍鋅產(chǎn)品具有較強的抗腐蝕性和良好的外觀，可用于家電、建筑、汽車、鐵路客車、高速公路護欄等制造行業(yè)。在熱鍍鋅線控制系統(tǒng)中，鋅層厚度控制系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的部分，其控制精度的高低將直接影響到熱鍍鋅產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，多數(shù)生產(chǎn)線的鋅層厚度控制仍然采用傳統(tǒng)的控制方法，即由操作人員依據(jù)經(jīng)驗對設(shè)定值進行手工調(diào)整。由于采用手工干預(yù)的調(diào)節(jié)方式，因而不可避免地引起了鋅層厚度控制上的偏差，導(dǎo)致鍍鋅產(chǎn)品質(zhì)量下降。邯鋼熱鍍鋅機組采用西門子公司開發(fā)的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型鋅層厚度控制模型，有效地提高了鋅層厚度控制精度，改善了產(chǎn)品的表面質(zhì)量。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡介

1.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network, ANN）是模仿人類腦神經(jīng)活動的一種人工智能技術(shù)。作為一種新型的信息獲取、描述和處理方式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)越來越多地應(yīng)用于控制領(lǐng)域的各個方面。典型的ANN的結(jié)構(gòu)見圖1。

在圖1所示網(wǎng)絡(luò)中，學(xué)習(xí)過程由正向傳播和反向傳播組成。在正向傳播過程中，輸入信號從輸入層經(jīng)單元逐層處理，并傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)。如果在輸出層不能得到期望的輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，將輸入信號的誤差沿原來的通路返回，通過修改各層神經(jīng)元的權(quán)值，使得誤差信號最小。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)點

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之所以引起人們的巨大興趣，并越來越多地應(yīng)用于控制領(lǐng)域，主要是因為其與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比，具有以下重要的特征和性質(zhì)。

（1）非線性。從理論上講，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用于解決任何非線性控制問題，與其它方法相比，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模更加經(jīng)濟。

（2）平行分布處理。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有高度平行的結(jié)構(gòu)，因而比常規(guī)方法具有更大程度的容錯能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元結(jié)構(gòu)簡單，并行連接會有很快的處理速度。

（3）學(xué)習(xí)和自適應(yīng)性。利用系統(tǒng)過去的數(shù)據(jù)記錄，可對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練。經(jīng)過適當(dāng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有泛化能力，即當(dāng)輸入出現(xiàn)訓(xùn)練中未提供的數(shù)據(jù)時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也有能力進行辨識。

（4）數(shù)據(jù)融合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以同時對定性和定量數(shù)據(jù)進行操作。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)傳統(tǒng)工程系統(tǒng)（定量數(shù)據(jù)）與人工智能領(lǐng)域（符號數(shù)據(jù)）信息處理技術(shù)之間融合。

（5）多變量系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能同時處理多個輸入信號和同時輸出多個輸出信號，非常適用于多變量系統(tǒng)。

2 鍍鋅生產(chǎn)線鋅層厚度控制

2.1 鋅層厚度控制系統(tǒng)

西門子公司提供的鍍層厚度控制系統(tǒng)采用的是控制器加冷態(tài)測厚儀的方法。

2.1.1 氣刀

鍍層厚度控制的執(zhí)行單元為氣刀。氣刀是兩個沿帶鋼寬度方向布置在帶鋼兩面的噴嘴，由頂部刀和底部刀組成。底部刀裝有邊部擋板運動機構(gòu)，氣刀刀唇采用固定式刀唇，在氣刀的頂部安裝有手輪，每旋轉(zhuǎn)20圈氣刀調(diào)整1度。兩個風(fēng)機分別與兩把氣刀相連并提供必要的氣壓。影響鍍層厚度的因素主要有：噴嘴吹掃氣體的壓力和噴嘴與帶鋼的距離。

2.1.2 控制器

控制器可以根據(jù)有關(guān)工藝參數(shù)，如機組速度、帶鋼尺寸、鍍層厚度等目標值，計算出壓力P及間距a的預(yù)設(shè)定值，從而為氣刀控制提供一個參考值。當(dāng)機組速度、帶鋼尺寸、鍍層厚度等設(shè)定值突然發(fā)生變化時，這種前饋控制是非常必要的。另外，通過冷態(tài)鍍層測厚儀的測量值，給控制器提供了反饋信號，并可對控制模型中的有關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化。

2.1.3 冷態(tài)測厚儀

冷態(tài)測厚儀可以對帶鋼沿寬度方向上鍍層厚度的分布進行測量，且此處工作環(huán)境好，檢修方便、測量精度也高，但由于冷態(tài)測厚儀安裝的位置與氣刀距離太遠，反饋信號滯后時間較長，從而對提高控制精度有一定影響。

2.2 影響鍍層厚度的主要因素

（1）帶鋼速度v。帶鋼速度與鍍層厚度成反比，速度越高則鋅層越薄。

（2）壓力p和距離a。噴嘴吹掃空氣壓力和噴嘴與帶鋼之間的距離為可調(diào)節(jié)的變量。壓力與鋅層厚度成反比，壓力越大則鋅層越薄。距離與鋅層厚度成正比，距離越大則鋅層越厚。通過改變此二變量可以實現(xiàn)對鍍層厚度的控制。

（3）噴嘴形式。由于不同形式的噴嘴采用不同的模型，因此必須考慮各種噴嘴的性能及控制模型的在線切換。

2.3 鍍層厚度控制的有關(guān)部件

（1）控制模型。利用反向過程模型，變量p、a的設(shè)定值可以根據(jù)函數(shù)c=f（v、p、a）及實際帶鋼速度予以確定。

（2）壓力設(shè)定值的預(yù)控。控制系統(tǒng)通過反向過程模型計算出設(shè)定值，再根據(jù)帶鋼上下表面的不同而加以調(diào)整。設(shè)定值將送往下級調(diào)節(jié)回路，并由焊縫跟蹤系統(tǒng)進行控制。

（3）監(jiān)視控制回路。由預(yù)設(shè)定值規(guī)定的鍍層參數(shù)中已含有一定的余量，極限值可以由操作人員確定。通過監(jiān)視控制回路，所設(shè)定的鍍層參數(shù)可以調(diào)節(jié)到該極限值。

（4）帶鋼上下表面的鍍層控制。在相同噴射壓力下，就會獲得不同的鍍層厚度。

（5）操作點的自動確定。根據(jù)不同操作點神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算出壓力和距離的修正值，并傳送到下級控制回路。當(dāng)新的壓力設(shè)定值超出操作范圍時，噴嘴距離會被自動調(diào)整。

（6）局部影像和焊縫跟蹤。該功能可記錄所有測量值和其局部基準值，并通過集成的焊縫跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)影像同步。

（7）壓力控制回路。壓力控制回路由上一級神經(jīng)模糊預(yù)控和下一級的壓力控制回路組成。

（8）鍍層厚度檢測設(shè)備。實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和預(yù)控系統(tǒng)功能的前提條件是配備橫向冷態(tài)檢測儀。在帶鋼檢測位置：“帶鋼右側(cè)”“帶鋼左側(cè)”“帶鋼中間”處，在給定的檢測周期內(nèi)所檢測到的鍍層厚度平均值被傳送到鍍層厚度控制系統(tǒng)。

3 控制結(jié)果

下面比較一下邯鋼熱鍍鋅機組采用手動和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種操作方式時鍍層厚度的變化情況：

采用傳統(tǒng)的手動操作方式通常會造成鍍層厚度因操作工的改變而發(fā)生偏差的情況，采用手動操作方式的結(jié)果是速度發(fā)生細微改變（如從50m/min～53m/min）時造成鍍層厚度超出設(shè)定極限值。

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操作，即使速度變化較大，鍍層的厚度也不會超出極限值。由于采用了過程模型，設(shè)定值可以根據(jù)速度的變化情況進行同步修正。該過程模型的鍍層厚度設(shè)定值如發(fā)生變化，則壓力p和距離a新設(shè)定值會由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)先確定。因設(shè)定值傳送到下一級控制回路的時間是最優(yōu)化的，鍍層的過渡厚度會變得盡可能的短。為了在最短時間內(nèi)使自動壓力控制趨于穩(wěn)定，壓力控制器執(zhí)行元件的輸出還會受到模糊功能的控制。

4 結(jié)語

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制鍍層厚度有以下優(yōu)點：

（1）當(dāng)鍍層厚度規(guī)格變化，或帶鋼速度發(fā)生改變時，或由于自學(xué)模型進行在線調(diào)整而改變設(shè)備參數(shù)時，都可以實現(xiàn)均勻的鍍層厚度控制，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量得到保證。

（2）不需要熱態(tài)檢測設(shè)備。

（3）具有很高的經(jīng)濟效益，具體表現(xiàn)在：①在滿足標準所規(guī)定的最小鍍層厚度的前提下實現(xiàn)了操作的最優(yōu)化。②更換鍍層厚度規(guī)格時，使過渡厚度最小化。③能始終保持允許的最小鍍層厚度，而不會因操作人員的改變而發(fā)生任何變化。④無需操作人員的干預(yù)即可自動適應(yīng)設(shè)備參數(shù)的改變。