本發(fā)明涉及鍍鋅工藝技術(shù)領(lǐng)域及工業(yè)過程實(shí)時(shí)優(yōu)化控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種鍍鋅過程氣刀壓力實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

進(jìn)入二十一世紀(jì)，我國正在由鋼鐵大國邁向鋼鐵強(qiáng)國。調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展深加工和高附加值產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的競爭力是我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展方向。

然而，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年因腐蝕報(bào)廢的金屬制品占世界總金屬年產(chǎn)量的三分之一，說明解決鋼材的腐蝕問題對我國具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義。鍍鋅工藝能夠有效的防止鋼材腐蝕，延長使用壽命，其鋅層厚度控制精度是熱鍍鋅產(chǎn)品質(zhì)量控制精度的主要內(nèi)容之一，不管是汽車板用戶還是家電板使用廠家，包括鋼鐵制造商，為了控制生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，都對熱鍍鋅產(chǎn)品的鋅層厚度控制水平提出了嚴(yán)格的要求。

鍍鋅：這里指熱鍍鋅，也叫熱浸鋅和熱浸鍍鋅，是一種有效的金屬防腐方式，主要用于各行業(yè)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)施上。熱鍍鋅是將除銹并經(jīng)退火工藝后的鋼件浸入融化的鋅液中，使鋼構(gòu)件表面附著鋅層，從而起到防腐蝕的目的。

連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)鍍層厚度值的在線測量需要采用測厚儀，而由于測量工藝原理的限制，需要在鍍層鋅液冷卻后才能獲得精確的鍍層厚度測量值，為了等待鍍層鋅液冷卻，測厚儀的安裝位置常常距離氣刀較遠(yuǎn)，導(dǎo)致氣刀處控制作用對鍍層厚度的影響需要較長的時(shí)間后才能檢測到，即系統(tǒng)具有較大的測量滯后。

(2)鍍鋅過程受到空氣動(dòng)力、邊界流層、傳熱等多個(gè)復(fù)雜的物理因素作用，最終的鋅層厚度和鍍層前后均勻性主要受氣刀距離、氣刀氣壓、帶鋼速度等三個(gè)變量共同作用的影響，而這些變量對鍍層厚度和鍍層橫向均勻性的影響原理較為復(fù)雜，具有較強(qiáng)的非線性，使用傳統(tǒng)的機(jī)理建模方法很難建立精確的系統(tǒng)模型；

(3)鍍鋅的生產(chǎn)過程干擾因素眾多，比如鍍層厚度切換、帶鋼速度升降、氣刀高度，噴嘴縫隙，帶鋼的溫度、板厚、板寬、表面粗糙度，生產(chǎn)線張力，鋅鍋的溫度以及化學(xué)成分、帶鋼板形和帶鋼抖動(dòng)等因素的變化都將對鍍層厚度和縱向均勻性產(chǎn)生影響，其中鍍層厚度切換和帶鋼速度升降對鍍層厚度和縱向均勻性的影響最大。

綜上所述，鍍鋅是一個(gè)典型的時(shí)變大滯后、非線性、強(qiáng)擾動(dòng)的生產(chǎn)過程，控制難度大。目前國內(nèi)大部分鋼廠企業(yè)主要依賴于操作工的經(jīng)驗(yàn)采用人工設(shè)定刀距與氣刀壓力設(shè)定值并結(jié)合底層回路PID的方式進(jìn)行控制，其操作滯后、控制精度低、鋅耗量大、質(zhì)量波動(dòng)大，甚至不能保證鍍層厚度和鍍層均勻度的質(zhì)量要求。因此，鍍層厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)也逐漸在一些企業(yè)中得到了運(yùn)用，其對于提高鍍鋅厚度控制精度和自動(dòng)化水平具有一定的作用。從原理上分析，目前鍍鋅厚度系統(tǒng)普遍采用以氣刀壓力為主，氣刀距離為輔的控制方法，其中氣刀距離指的是前后兩側(cè)氣刀之間的距離。然而，由于鍍鋅生產(chǎn)過程存在的控制難點(diǎn)，目前的反饋控制方法普遍面臨以下兩個(gè)問題：

1)抗干擾問題

影響鍍層厚度的因素眾多，如：氣刀距離、氣刀高度、氣刀壓力、生產(chǎn)線速度、鋅鍋液位、鋅鍋溫度、鋼種、生產(chǎn)線張力等。其中，氣刀距離、氣刀壓力和生產(chǎn)線速度是影響鍍層厚度的主要變量，除了生產(chǎn)線速度由退火爐生產(chǎn)能力限制外，氣刀距離和氣刀壓力都可作為鍍層厚度控制系統(tǒng)的決策變量，生產(chǎn)企業(yè)一般通過調(diào)節(jié)氣刀距離或者壓力對鍍層厚度進(jìn)行控制，采用氣刀距離對鍍層厚度進(jìn)行控制時(shí)，由于氣刀距離改變的最小步長為一個(gè)氣刀距離單位(0.1mm)，在某些增益較大的敏感工作點(diǎn)附近，這種不連續(xù)的調(diào)整方式會(huì)帶來鍍層厚度的反復(fù)波動(dòng)，因此目前多數(shù)企業(yè)采用氣刀壓力進(jìn)行鍍層厚度的控制，即由操作人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)對設(shè)定值進(jìn)行手工調(diào)整，這種人工控制方式依賴于操作工的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，不可避免地會(huì)引起鍍層的過薄或過厚，最終導(dǎo)致鍍鋅產(chǎn)品質(zhì)量下降和鋅原料的浪費(fèi)。因此開發(fā)高性能的鋅層厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)約原料具有重要意義。

2)跟隨性問題

當(dāng)鍍層厚度設(shè)定值切換時(shí)，為了確保產(chǎn)品質(zhì)量合格，目前國內(nèi)鋼廠多采用人工手動(dòng)操作結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制。在熱鍍鋅生產(chǎn)線上，鍍層厚度都是以測厚儀測出的實(shí)際數(shù)據(jù)為依據(jù)，為了避免溫度的影響和提高檢測精度，測厚儀采用冷態(tài)測量原理，往往安裝在鋅鍋之后100多米的位置，由于無自動(dòng)控制系統(tǒng)，完全依靠人工調(diào)整，工藝參數(shù)波動(dòng)較大，調(diào)整的時(shí)間長、過渡時(shí)有大量等外品產(chǎn)生、過量鋅液消耗過大等問題。因而當(dāng)操作人員從鍍層厚度顯示界面發(fā)現(xiàn)實(shí)際厚度與目標(biāo)值有誤差而進(jìn)行重新修正時(shí)，已經(jīng)產(chǎn)生100多米的鍍層厚度不合格產(chǎn)品。即使在穩(wěn)定狀態(tài)，為了滿足連續(xù)生產(chǎn)的需要，有時(shí)也需要人為地改變當(dāng)前的穩(wěn)定狀態(tài)，向下一個(gè)控制目標(biāo)條件下的穩(wěn)定狀態(tài)過渡。由于氣刀控制參數(shù)的過度變化會(huì)嚴(yán)重影響到鍍層控制精度，甚至?xí)痄\液飛濺的后果，所以迫切需要實(shí)現(xiàn)鍍層厚度變規(guī)格的自動(dòng)過渡控制。

針對鍍層厚度控制的抗干擾性和跟隨性問題，國內(nèi)也有相關(guān)專利和文獻(xiàn)提出了基于模型的控制方法，如公開號為CN102912275.A的專利《一種熱鍍鋅線鍍層厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)》，當(dāng)鍍層厚度設(shè)定值或速度變化時(shí)，采用最小二乘法描述鍍層厚度w與帶鋼速度s、氣刀壓力p、氣刀距離d之間的映射關(guān)系，采用前饋控制計(jì)算氣刀壓力設(shè)定值；當(dāng)系統(tǒng)處于相對平穩(wěn)(小干擾)時(shí)，針對過程的大滯后、非線性、時(shí)變特性選用通用型無模型自適應(yīng)控制器，通過前N個(gè)采樣值來分析偏差的整個(gè)趨勢，觀察過程的動(dòng)態(tài)特性，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，計(jì)算出下一步控制作用。然而，上述方法在外界干擾時(shí)，側(cè)重于實(shí)現(xiàn)快速切換，而無法對氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，尤其是升降速時(shí)，沒有利用偏差矯正機(jī)制，從而降低了控制精度；平穩(wěn)控制時(shí)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)實(shí)現(xiàn)反饋控制，控制作用緩慢，不能夠快速動(dòng)作以克服擾動(dòng)影響。該專利沒有涉及氣刀壓力實(shí)時(shí)優(yōu)化方法。

為了解決抗干擾性和跟隨性問題，公開號為CN103695830.A的專利《一種熱鍍鋅生產(chǎn)過程中鍍層厚度控制方法》，采用氣刀壓力的自適應(yīng)調(diào)整計(jì)算，抑制了生產(chǎn)線升降速對鍍層厚度的擾動(dòng)，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度；采用氣刀壓力反饋控制方法，通過對氣刀壓力反饋修正計(jì)算對鍍層厚度偏差進(jìn)行修正，解決了操作工手動(dòng)控制所引起的鍍層厚度偏差過大問題，提高了鍍鋅鋼板產(chǎn)品表面質(zhì)量，減少鋅原料消耗，降低生產(chǎn)成本。然而，上述方法在升降速時(shí)，通過前饋控制模型計(jì)算氣刀壓力的設(shè)定值，從而保證鍍層厚度，但是該方法的控制精度完全取決于該模型的精度；相對平穩(wěn)(小干擾)時(shí)，氣壓壓力采用氣刀壓力修正計(jì)算模型，鍍層厚度偏差修正緩慢。該專利亦沒有涉及氣刀壓力實(shí)時(shí)優(yōu)化方法，也沒有涉及鍍層厚度切換的跟隨性問題。

綜上所述，現(xiàn)有鍍層厚度控制系統(tǒng)中在處理外界強(qiáng)干擾(升降速)或鍍層厚度切換時(shí)，采用氣刀壓力自適應(yīng)調(diào)整計(jì)算或前饋控制克服外界擾動(dòng)帶來的鋅層厚度波動(dòng)，該類方法的控制品質(zhì)受制于模型精度，無法保證在整個(gè)操作工況范圍內(nèi)的控制效果達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求；同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，則采用傳統(tǒng)的反饋閉環(huán)控制或通用無模型自適應(yīng)控制器，鍍層厚度偏差的修正速度較慢，容易造成控制量的超調(diào)，引起鍍層厚度在控制目標(biāo)值附近波動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種鍍鋅過程氣刀壓力實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方法及系統(tǒng)，當(dāng)鍍層厚度因外界干擾偏離設(shè)定值時(shí)，基于偏差校正后的鍍層厚度預(yù)測值與設(shè)定值之間的差異，對氣刀壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，克服外界擾動(dòng)的不良影響，使鍍層厚度保持在設(shè)定值附近；當(dāng)產(chǎn)品鍍層厚度切換時(shí)，基于未經(jīng)偏差校正的鍍層厚度預(yù)測值不斷對氣刀壓力進(jìn)行迭代優(yōu)化，使得鍍層厚度緊密跟隨設(shè)定值的變化曲線快速完成切換過程。本發(fā)明通過上述技術(shù)有效克服外界干擾給鍍層厚度帶來的不良影響，并實(shí)現(xiàn)不同產(chǎn)品之間的快速切換，可明顯減小鍍層質(zhì)量波動(dòng)，降低過量鋅耗，提高鍍鋅產(chǎn)品的合格率。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種鍍鋅過程氣刀壓力實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方法，該方法包括以下步驟：

S1、獲取當(dāng)前時(shí)刻的工況信息，包括氣刀距離D(t)，氣刀壓力P(t)，生產(chǎn)線速度S(t)、鍍層厚度測量值CW_act(t)和鍍層厚度設(shè)定值CW_set(t)；

S2、判斷式(1)是否成立，如果是，執(zhí)行S3，否則，執(zhí)行S4，

CW_set(t)＝CW_set(t-1) (1)

其中，t表示當(dāng)前時(shí)刻，t-1表示上一采樣時(shí)刻，CW_set(t-1)表示上一采樣時(shí)刻的鍍層厚度設(shè)定值，S(t-1)表示上一采樣時(shí)刻的生產(chǎn)線速度；

S3、將S1中的當(dāng)前工況信息輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型后得到的輸出作為鍍層厚度預(yù)測值CW_pred(t)，將鍍層厚度設(shè)定值CW_set(t)與鍍層厚度預(yù)測值CW_pred(t)的差值作為鍍層厚度控制偏差，執(zhí)行S7；

S4、通過機(jī)理法計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻測厚儀的測量滯后時(shí)間τ(t)，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的鍍層厚度測量值CW_act(t)，通過過程量時(shí)域匹配，得到氣刀距離D(t-τ(t))、氣刀壓力P(t-τ(t))和生產(chǎn)線速度S(t-τ(t))；

S5、將氣刀距離D(t-τ(t))、氣刀壓力P(t-τ(t))和生產(chǎn)線速度S(t-τ(t))輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型后得到的輸出作為當(dāng)前時(shí)刻的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值，并與當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)比較得到當(dāng)前時(shí)刻的模型偏差bias(t)，并通過滑動(dòng)窗口法對當(dāng)前時(shí)刻的模型偏差及之前各時(shí)刻的模型偏差進(jìn)行加權(quán)平滑，得到最終模型偏差；

S6、將S1中的當(dāng)前工況信息輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型后得到的輸出加上最終模型偏差作為鍍層厚度預(yù)測值CW_pred(t)，將鍍層厚度設(shè)定值CW_set(t)與鍍層厚度預(yù)測值CW_pred(t)的差值作為鍍層厚度控制偏差；

S7、如果鍍層厚度控制偏差大于閾值，則執(zhí)行S8，否則，保持氣刀壓力設(shè)定值不變，并在一個(gè)采樣周期后返回S1；

S8、根據(jù)當(dāng)前工況信息及鍍層厚度控制偏差，采用增量式PID算法求解氣刀壓力設(shè)定值P_set，并在一個(gè)采樣周期后返回S1。

所述步驟S3包括：

S301、將氣刀距離D(t)，氣刀壓力P(t)，生產(chǎn)線速度S(t)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，得到鍍層厚度預(yù)測值CW_pred(t)，如式(2)所示：

CW_pred(t)＝NNp{D(t),P(t),S(t)} (2)

其中，NNp{*}表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的非線性映射關(guān)系；

S302、計(jì)算鍍層厚度控制偏差CWm，如式(3)所示：

CWm＝CW_set(t)-CW_pred(t) (3)。

所述步驟S4包括：

S401、采用機(jī)理法根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算當(dāng)前測厚儀的測量滯后時(shí)間τ(t)，

τ(t)＝λ(t)+T_m (4)

其中，T_m為測厚儀的測量時(shí)間，L為氣刀裝置到測厚儀的距離，ΔT為系統(tǒng)采樣周期，k＝0,1,2,3…；

S402、根據(jù)當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)，通過滯后時(shí)間τ(t)進(jìn)行過程量匹配，獲取與當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)匹配的氣刀距離D(t-τ(t))、氣刀壓力P(t-τ(t))和生產(chǎn)線速度S(t-τ(t))。

所述步驟S5包括：

S501、將氣刀距離D(t-τ(t))、氣刀壓力P(t-τ(t))和生產(chǎn)線速度S(t-τ(t))輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，得到模型輸出值并與當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)比較，得到當(dāng)前時(shí)刻的模型偏差bias(t)，如式(6)所示，

bias(t)＝CW_act(t)-NNp{D(t-τ(t)),P(t-τ(t)),S(t-τ(t))} (6)

其中，NNp{*}表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射關(guān)系；

S502、采用滑動(dòng)窗口法對時(shí)間窗口N內(nèi)的各時(shí)刻的模型偏差進(jìn)行加權(quán)平滑，得到最終的模型偏差Bias，如式(7)所示，

其中，β_k,k＝0,1,...,N-1是一組預(yù)先設(shè)定的加權(quán)系數(shù)，且滿足bias(t-k)是時(shí)間窗口N內(nèi)已知的各時(shí)刻的模型偏差。

所述步驟S6包括：

S601、將氣刀距離D(t)、氣刀壓力P(t)、生產(chǎn)線速度S(t)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，得到模型輸出值并加上步驟S502所得的最終的模型偏差Bias得到當(dāng)前的鍍層厚度預(yù)測值，如式(8)所示，

CW_pred(t)＝NNp{D(t),P(t),S(t)}+Bias (8)

S602、計(jì)算鍍層厚度控制偏差CWm，如式(9)所示，

CWm＝CW_set(t)-CW_pred(t) (9)

其中，CW_set(t)表示鍍層厚度設(shè)定值。

所述步驟S8具體為：

目標(biāo)函數(shù)：min|CWt-CWp|

決策變量：P

約束條件：

CWp＝NN(D_ini,P,S_ini)

CWt＝NN(D_ini,P_ini,S_ini)+CWm

P∈[Pmin,Pmax]

根據(jù)增量式PID算法對P進(jìn)行迭代尋優(yōu)，其中增量式PID算法為：

error＝CWt-CWp (10)

P_error＝error-error_1 (11)

I_error＝error (12)

D_error＝error-2*error_1+error_2 (13)

Δu＝Kp*P_error+Ki*I_error+Kd*D_error (14)

P＝P-Δu (15)

其中，P的初始值為P_ini，error_1是error迭代計(jì)算中的上一迭代值，error_2是error_1迭代計(jì)算中的上一迭代值，通過式(10)～式(15)的迭代計(jì)算，所得的使CWp逼近CWt的P的值即為氣刀壓力設(shè)定值P_set。

本發(fā)明還提供一種鍍鋅過程中氣刀壓力實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)上述的方法，該系統(tǒng)包括：

輸入采樣模塊，用于獲取當(dāng)前時(shí)刻的工況信息，包括氣刀距離D(t)，氣刀壓力P(t)，生產(chǎn)線速度S(t)、鍍層厚度測量值CW_act(t)和鍍層厚度設(shè)定值CW_set(t)；

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊，與所述輸入采樣模塊連接，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊的輸入為生產(chǎn)線速度、氣刀距離、氣刀壓力，輸出為鍍層厚度值，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊的映射關(guān)系為：NNp(D(t),S(t),P(t))＝CWp(t)；

隨動(dòng)控制模塊，與所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊連接，用于鍍層厚度設(shè)定值切換時(shí)，將當(dāng)前時(shí)刻的工況信息輸入至所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊得到當(dāng)前時(shí)刻的鍍層厚度預(yù)測值并與當(dāng)前時(shí)刻的鍍層厚度設(shè)定值相減得到鍍層厚度控制偏差；

抗干擾控制模塊，與所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊連接，用于在生產(chǎn)線速度、鋅鍋液位、鋅鍋溫度、生產(chǎn)線張力、鋼種等工況發(fā)生變化時(shí)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和模型偏差矯正機(jī)制，矯正鍍層厚度控制偏差；

實(shí)時(shí)優(yōu)化模塊，與所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊、隨動(dòng)控制模塊及抗干擾控制模塊連接，其目標(biāo)函數(shù)為鍍層厚度預(yù)測值與鍍層厚度設(shè)定值之間的偏差，而決策變量為氣刀壓力，約束條件為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊的生產(chǎn)線速度、氣刀距離、氣刀壓力與鍍層厚度之間的映射關(guān)系，以及氣刀壓力的工藝規(guī)程約束，采用增量式PID算法對氣刀壓力尋優(yōu)，消除鍍層厚度控制偏差。

所述抗干擾控制模塊包括：

變時(shí)滯計(jì)算單元，采用機(jī)理法計(jì)算當(dāng)前測厚儀的測量滯后時(shí)間τ(t)；

過程量時(shí)域匹配單元，與所述變時(shí)滯計(jì)算單元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊連接，根據(jù)當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)，通過滯后時(shí)間τ(t)進(jìn)行過程量匹配，獲取與當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)匹配的氣刀距離D(t-τ(t))、氣刀壓力P(t-τ(t))和生產(chǎn)線速度S(t-τ(t))并輸出至所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊；

模型偏差計(jì)算單元，與所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊連接，將所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊的輸出值與當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)比較，得到當(dāng)前時(shí)刻的模型偏差bias(t)，然后采用滑動(dòng)窗口法對時(shí)間窗口N內(nèi)的各時(shí)刻的模型偏差進(jìn)行加權(quán)平滑，得到最終的模型偏差Bias；

預(yù)測模型矯正單元，與所述模型偏差計(jì)算單元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊和實(shí)時(shí)優(yōu)化模塊連接，用于將所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的工況信息輸出的鍍層厚度值加上最終的模型偏差Bias得到當(dāng)前時(shí)刻的鍍層厚度預(yù)測值，并將該預(yù)測值與所述鍍層厚度設(shè)定值CW_set(t)比較得到鍍層厚度控制偏差。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，與傳統(tǒng)的回歸模型相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性擬合能力，能更加準(zhǔn)確地反映鍍鋅生產(chǎn)過程的非線性特性，與現(xiàn)有采用線性回歸模型對鍍鋅生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的方法相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型可以對鍍鋅生產(chǎn)的全工況進(jìn)行高精度的預(yù)測，確保本發(fā)明的在鍍鋅生產(chǎn)的各種操作條件下都具有良好的控制精度與品質(zhì)。

(2)傳統(tǒng)反饋PID需要多次根據(jù)反饋量與設(shè)定值偏差進(jìn)行控制，由于鍍鋅生產(chǎn)系統(tǒng)的測量大滯后性，使得鍍層厚度逼近控制目標(biāo)的過程非常緩慢，甚至出現(xiàn)鍍層厚度在鍍層厚度控制目標(biāo)附近振蕩的情況，控制效果差。本發(fā)明以鍍層厚度與鍍層厚度設(shè)定值之間的偏差為目標(biāo)，以氣刀壓力的工藝規(guī)程為約束，采用增量式PID算法對氣刀壓力進(jìn)行迭代尋優(yōu)，一次性消除鍍層厚度與控制目標(biāo)之間的偏差，不僅保證鍍層厚度滿足控制目標(biāo)，保證了鍍層厚度的表面質(zhì)量，同時(shí)優(yōu)化了操作參數(shù)，以克服強(qiáng)干擾帶來的影響，并保證平穩(wěn)控制時(shí)鍍層厚度的精準(zhǔn)控制。

(3)本發(fā)明在系統(tǒng)受到干擾時(shí)，通過機(jī)理法、過程時(shí)域匹配法等計(jì)算當(dāng)前鍍層厚度測量值與模型輸出之間的偏差，進(jìn)行模型偏差矯正，從而精確預(yù)測出當(dāng)前工況下鍍層厚度預(yù)測值，有效地克服了因?yàn)樯a(chǎn)線干擾對系統(tǒng)所帶來的影響，使得系統(tǒng)在受到外界干擾的情況下快速跟蹤鍍層厚度設(shè)定值，補(bǔ)償外界干擾所帶來的影響，保證了鍍鋅產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。

(4)采用本發(fā)明的控制方法，可以在鍍層厚度切換時(shí)，準(zhǔn)確快速地優(yōu)化氣刀壓力，以實(shí)現(xiàn)快速消除鍍層厚度偏差，從而保證鍍層厚度的快速切換，同時(shí)可以在系統(tǒng)處于相對平穩(wěn)控制時(shí)，準(zhǔn)確地優(yōu)化氣刀壓力，以精確地消除鍍層厚度偏差，實(shí)現(xiàn)鍍層厚度的精準(zhǔn)控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖；

圖2為系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，本發(fā)明方法的控制效果圖。

圖3為一種系統(tǒng)不穩(wěn)定狀況時(shí)，本發(fā)明方法的控制效果圖。

圖4為另一種系統(tǒng)不穩(wěn)定的狀況時(shí)，本發(fā)明方法的控制效果圖。

具體實(shí)施方式

下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。本發(fā)明中各符號的意義參見下表：

本申請實(shí)施例提供的一種鍍鋅過程氣刀壓力實(shí)時(shí)優(yōu)化控制方法，如圖1所示，包括以下步驟：

S1、獲取當(dāng)前時(shí)刻的工況信息，包括氣刀距離D(t)，氣刀壓力P(t)，生產(chǎn)線速度S(t)、鍍層厚度測量值CW_act(t)和鍍層厚度設(shè)定值CW_set(t)；

S2、判斷式(1)是否成立，如果是，執(zhí)行S3，否則，執(zhí)行S4，

CW_set(t)＝CW_set(t-1) (1)

其中，t表示當(dāng)前時(shí)刻，t-1表示上一采樣時(shí)刻，CW_set(t-1)表示上一采樣時(shí)刻的鍍層厚度設(shè)定值，S(t-1)表示上一采樣時(shí)刻的生產(chǎn)線速度；

S3、將S1中的當(dāng)前工況信息輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型后得到的輸出作為鍍層厚度預(yù)測值CW_pred(t)，將鍍層厚度設(shè)定值CW_set(t)與鍍層厚度預(yù)測值CW_pred(t)的差值作為鍍層厚度控制偏差，執(zhí)行S7；

S4、通過機(jī)理法計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻測厚儀的測量滯后時(shí)間τ(t)，并根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的鍍層厚度測量值CW_act(t)，通過過程量時(shí)域匹配，得到氣刀距離D(t-τ(t))、氣刀壓力P(t-τ(t))和生產(chǎn)線速度S(t-τ(t))；

S5、將氣刀距離D(t-τ(t))、氣刀壓力P(t-τ(t))和生產(chǎn)線速度S(t-τ(t))輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型后得到的輸出作為當(dāng)前時(shí)刻的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值，并與當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)比較得到當(dāng)前時(shí)刻的模型偏差bias(t)，并通過滑動(dòng)窗口法對當(dāng)前時(shí)刻的模型偏差及之前各時(shí)刻的模型偏差進(jìn)行加權(quán)平滑，得到最終模型偏差；

S6、將S1中的當(dāng)前工況信息輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型后得到的輸出加上最終模型偏差作為鍍層厚度預(yù)測值CW_pred(t)，將鍍層厚度設(shè)定值CW_set(t)與鍍層厚度預(yù)測值CW_pred(t)的差值作為鍍層厚度控制偏差；

S7、如果鍍層厚度控制偏差大于閾值，則執(zhí)行S8，否則，保持氣刀壓力設(shè)定值不變，并在一個(gè)采樣周期后返回S1；

S8、根據(jù)當(dāng)前工況信息及鍍層厚度控制偏差，采用增量式PID算法求解氣刀壓力設(shè)定值P_set，并在一個(gè)采樣周期后返回S1。

此外，每隔一定的時(shí)間，系統(tǒng)在線采集這段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行所產(chǎn)生的新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，篩選出樣本，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重進(jìn)行繼續(xù)訓(xùn)練，更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。具體而言，采用反向傳播方法更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)到新的工況信息，可以自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)特征的變化。通過在線學(xué)習(xí)，提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測精度，從而實(shí)時(shí)優(yōu)化氣刀壓力，使得鍍層厚度精準(zhǔn)跟隨鍍層厚度設(shè)定值，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

采用本發(fā)明的控制方法，可以在系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾時(shí)，準(zhǔn)確地優(yōu)化氣刀壓力，以快速消除鍍層厚度偏差，從而保證鍍層厚度的均勻性，同時(shí)可以在系統(tǒng)平穩(wěn)控制時(shí)，準(zhǔn)確地優(yōu)化氣刀壓力，以精確地消除鍍層厚度偏差，實(shí)現(xiàn)鍍層厚度的精準(zhǔn)控制。

具體來說，1、本發(fā)明的方法在系統(tǒng)受到干擾時(shí)，采用抗干擾控制算法(步驟S4、S5、S6)，有效地克服了因?yàn)樯a(chǎn)線升降速、鋅液變化、鋼種變化等干擾對系統(tǒng)所帶來的影響，使得系統(tǒng)在受到干擾的情況下快速精準(zhǔn)地跟蹤鍍層厚度設(shè)定值，保證了鍍鋅產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定。

2、本發(fā)明在系統(tǒng)平穩(wěn)時(shí)采用隨動(dòng)控制算法(步驟S3)，有效地克服了鍍層厚度設(shè)定值切換給系統(tǒng)帶來的影響，系統(tǒng)不斷優(yōu)化氣刀壓力，使得鍍層厚度快速跟隨鍍層厚度設(shè)定值，保證了鍍鋅產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

3、本發(fā)明采用氣刀壓力實(shí)時(shí)優(yōu)化方法(步驟S8)，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的工況信息及鍍層厚度控制偏差，通過增量式PID算法實(shí)時(shí)計(jì)算出氣刀壓力改變量，保證鍍層厚度滿足控制目標(biāo)，不僅保證了鍍層厚度的表面質(zhì)量，同時(shí)優(yōu)化了操作參數(shù)，以克服強(qiáng)干擾帶來的影響，并保證平穩(wěn)控制時(shí)鍍層厚度的精準(zhǔn)控制。

下面對本發(fā)明的方法進(jìn)行具體描述，但不作為限制。

步驟S3進(jìn)一步包括：

S301、將氣刀距離D(t)，氣刀壓力P(t)，生產(chǎn)線速度S(t)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，得到鍍層厚度預(yù)測值CW_pred(t)，如式(2)所示：

CW_pred(t)＝NNp{D(t),P(t),S(t)} (2)

其中，NNp{*}表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的非線性映射關(guān)系；

S302、計(jì)算鍍層厚度控制偏差CWm，如式(3)所示：

CWm＝CW_set(t)-CW_pred(t) (3)

在系統(tǒng)鍍層厚度切換時(shí)，由于工況變化較大，當(dāng)前的模型偏差矯正已不適用，故神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型根據(jù)當(dāng)前工況信息的輸出即為鍍層厚度預(yù)測值，

步驟S4進(jìn)一步包括：

S401、采用機(jī)理法根據(jù)式(4)和式(5)計(jì)算當(dāng)前測厚儀的測量滯后時(shí)間τ(t)，

τ(t)＝λ(t)+T_m (4)

其中，T_m為測厚儀的測量時(shí)間，L為氣刀裝置到測厚儀的距離，ΔT為系統(tǒng)采樣周期，k＝0,1,2,3…；

S402、根據(jù)當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)，通過滯后時(shí)間τ(t)進(jìn)行過程量匹配，獲取與當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)匹配的氣刀距離D(t-τ(t))、氣刀壓力P(t-τ(t))和生產(chǎn)線速度S(t-τ(t))。

步驟S5進(jìn)一步包括：

S501、將氣刀距離D(t-τ(t))、氣刀壓力P(t-τ(t))和生產(chǎn)線速度S(t-τ(t))輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，得到一輸出值并與當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)比較，得到當(dāng)前時(shí)刻的模型偏差bias(t)，如式(6)所示，

bias(t)＝CW_act(t)-NNp{D(t-τ(t)),P(t-τ(t)),S(t-τ(t))} (6)

其中，NNp{*}表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射關(guān)系；

S502、采用滑動(dòng)窗口法對時(shí)間窗口N內(nèi)的各時(shí)刻的模型偏差進(jìn)行加權(quán)平滑，得到最終的模型偏差Bias，如式(7)所示，

其中，β_k,k＝0,1,...,N-1是一組預(yù)先設(shè)定的加權(quán)系數(shù)，且滿足bias(t-k)是時(shí)間窗口N內(nèi)已知的各時(shí)刻的模型偏差。

步驟S6進(jìn)一步包括：

S601、將氣刀距離D(t)、氣刀壓力P(t)、生產(chǎn)線速度S(t)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，得到模型輸出值并加上步驟S502所得的最終的模型偏差Bias得到當(dāng)前的鍍層厚度預(yù)測值，如式(8)所示，

CW_pred(t)＝NNp{D(t),P(t),S(t)}+Bias (8)

S602、計(jì)算鍍層厚度控制偏差CWm，如式(9)所示，

CWm＝CW_set(t)-CW_pred(t) (9)

其中，CW_set(t)表示鍍層厚度設(shè)定值；

步驟S4、S5、S6在系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)，通過變時(shí)滯計(jì)算、過程量時(shí)域匹配和滑動(dòng)窗口法得到模型偏差，以補(bǔ)償生產(chǎn)線速度升降、鋅鍋液位變化、鋅鍋溫度變化、鋼種變化等干擾所帶來的影響，使得鍍層厚度預(yù)測值更加精準(zhǔn)。

步驟S8的實(shí)時(shí)優(yōu)化過程具體為：

目標(biāo)函數(shù)：min|CWt-CWp|

決策變量：P

約束條件：

CWp＝NN(D_ini,P,S_ini)

CWt＝NN(D_ini,P_ini,S_ini)+CWm

P∈[Pmin,Pmax]

根據(jù)增量式PID算法對P進(jìn)行迭代尋優(yōu)，其中增量式PID算法為：

error＝CWt-CWp (10)

P_error＝error-error_1 (11)

I_error＝error (12)

D_error＝error-2*error_1+error_2 (13)

Δu＝Kp*P_error+Ki*I_error+Kd*D_error (14)

P＝P-Δu (15)

其中，P的初始值為P_ini，error_1是error迭代計(jì)算中的上一迭代值，error_2是error_1迭代計(jì)算中的上一迭代值，通過式(10)～式(15)的迭代計(jì)算，所得的使CWp逼近CWt的P的值即為氣刀壓力設(shè)定值P_set。

本發(fā)明還提供一種鍍鋅過程中氣刀壓力實(shí)時(shí)優(yōu)化控制系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)上述的方法，該系統(tǒng)包括：

輸入采樣模塊，用于獲取當(dāng)前時(shí)刻的工況信息，包括氣刀距離D(t)，氣刀壓力P(t)，生產(chǎn)線速度S(t)、鍍層厚度測量值CW_act(t)和鍍層厚度設(shè)定值CW_set(t)；

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊，與輸入采樣模塊連接，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊的輸入為生產(chǎn)線速度、氣刀距離、氣刀壓力，輸出為鍍層厚度值，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊的映射關(guān)系為：NNp(D(t),S(t),P(t))＝CWp(t)；

隨動(dòng)控制模塊，與所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊連接，用于鍍層厚度設(shè)定值切換時(shí)，將當(dāng)前時(shí)刻的工況信息輸入至所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊得到當(dāng)前時(shí)刻的鍍層厚度預(yù)測值并與當(dāng)前時(shí)刻的鍍層厚度設(shè)定值相減得到鍍層厚度控制偏差；

抗干擾控制模塊，與所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊連接，用于在生產(chǎn)線速度、鋅鍋液位、鋅鍋溫度、生產(chǎn)線張力、鋼種等工況發(fā)生變化時(shí)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和模型偏差矯正機(jī)制，矯正鍍層厚度控制偏差；

實(shí)時(shí)優(yōu)化模塊，與所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊、隨動(dòng)控制模塊及抗干擾控制模塊連接，其目標(biāo)函數(shù)為鍍層厚度預(yù)測值與鍍層厚度設(shè)定值之間的偏差，而決策變量為氣刀壓力，約束條件為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊的生產(chǎn)線速度、氣刀距離、氣刀壓力與鍍層厚度之間的映射關(guān)系，以及氣刀壓力的工藝規(guī)程約束，采用增量式PID算法對氣刀壓力尋優(yōu)，消除鍍層厚度控制偏差。

抗干擾控制模塊包括：

變時(shí)滯計(jì)算單元，采用機(jī)理法計(jì)算當(dāng)前測厚儀的測量滯后時(shí)間τ(t)；

過程量時(shí)域匹配單元，與變時(shí)滯計(jì)算單元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊連接，根據(jù)當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)，通過滯后時(shí)間τ(t)進(jìn)行過程量匹配，獲取與當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)匹配的氣刀距離D(t-τ(t))、氣刀壓力P(t-τ(t))和生產(chǎn)線速度S(t-τ(t))并輸出至神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊；

模型偏差計(jì)算單元，與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊連接，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊的輸出值與當(dāng)前鍍層厚度測量值CW_act(t)比較，得到當(dāng)前時(shí)刻的模型偏差bias(t)，然后采用滑動(dòng)窗口法對時(shí)間窗口N內(nèi)的各時(shí)刻的模型偏差進(jìn)行加權(quán)平滑，得到最終的模型偏差Bias；

預(yù)測模型矯正單元，與模型偏差計(jì)算單元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊和實(shí)時(shí)優(yōu)化模塊連接，用于將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模塊根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的工況信息輸出的鍍層厚度值加上最終的模型偏差Bias得到當(dāng)前時(shí)刻的鍍層厚度預(yù)測值，并將該預(yù)測值與鍍層厚度設(shè)定值CW_set(t)比較得到鍍層厚度控制偏差。

以下以鍍鋅實(shí)際生產(chǎn)過程為例，說明本發(fā)明所取得的有益效果：

圖2為系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，本發(fā)明方法的控制效果圖，從圖中可以看到，生產(chǎn)線工況處于相對平穩(wěn)工況時(shí)，抗干擾控制模塊啟動(dòng)，實(shí)時(shí)計(jì)算氣刀壓力設(shè)定值，使得鍍層厚度得到精準(zhǔn)控制。說明采用本發(fā)明所述的方法，可有效保證鍍層厚度得到精準(zhǔn)控制，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖3為一種系統(tǒng)強(qiáng)干擾狀況，本發(fā)明方法的控制效果圖，從圖中可以看到，當(dāng)時(shí)間在00:10分鐘左右時(shí)，1分鐘內(nèi)生產(chǎn)線速度從88m/min降至75m/min，抗干擾控制模塊啟動(dòng)，實(shí)時(shí)計(jì)算氣刀壓力設(shè)定值，當(dāng)時(shí)間在00:12后，氣刀壓力實(shí)際值達(dá)到氣刀壓力設(shè)定值附近時(shí)，鍍層厚度快速得到了控制。說明采用本發(fā)明所述的方法，可快速有效地解決由速度變化帶來的干擾，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖4為鍍層厚度設(shè)定值切換狀況，本發(fā)明方法的控制效果圖。由于鍍層厚度設(shè)定值的切換往往伴隨著速度的變化，從圖中可以看到，生產(chǎn)線速度從00:06分鐘左右的95m/min下降至00:12分鐘的75m/min，抗干擾控制模塊從00:06分鐘時(shí)啟動(dòng)，實(shí)時(shí)計(jì)算氣刀壓力設(shè)定值，使得鍍層厚度得到控制；在00:13分鐘左右，鍍層厚度設(shè)定值從85g/m²切換至125g/m²，隨動(dòng)控制算法啟動(dòng)，并快速計(jì)算實(shí)時(shí)氣刀壓力，實(shí)現(xiàn)鍍層厚度的快速精準(zhǔn)切換。說明采用本發(fā)明所述的方法，可有效快速有效地解決由速度和鍍層厚度變化帶來的干擾，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

本發(fā)明中各符號的意義參見下表：

本發(fā)明所采用的實(shí)時(shí)優(yōu)化算法可以有其它表現(xiàn)及實(shí)施方式，本發(fā)明不作詳細(xì)定義。對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，不在脫離發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，比如鍍層厚度均勻性與氣刀壓力之間的表現(xiàn)形式，以及實(shí)時(shí)優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)或采用其他類型的優(yōu)化算法，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。