關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 模式識(shí)別 軋鋼加熱爐 智能控制
一、前 言
近年來(lái)，模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由于具有學(xué)習(xí)、自組織等新的信息處理能力，對(duì)于模式識(shí)別問題有很大的優(yōu)越性，得到了迅速的發(fā)展。在冶金行業(yè)中,軋鋼加熱爐是軋鋼生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備之一,在實(shí)際操作過(guò)程中，操作人員依靠傳感器的信息，判斷爐況，進(jìn)行操作。有些判斷難以用簡(jiǎn)單的“IF A THEN B”這樣的規(guī)則表達(dá)，而是根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，將爐況分成幾種模式，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別目前爐況屬于那種模式，對(duì)其進(jìn)行操作進(jìn)行指導(dǎo)，或作為專家系統(tǒng)的補(bǔ)充，有較大的作用。
二、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬生物的神經(jīng)系統(tǒng)（特別是腦）功能的網(wǎng)絡(luò)。人腦約由150億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞組成，每個(gè)細(xì)胞同數(shù)千、數(shù)萬(wàn)個(gè)神經(jīng)細(xì)胞相聯(lián)系，形成網(wǎng)絡(luò)。這樣，神經(jīng)細(xì)胞模型可以看作是n輸入單輸出的信息處理單元。某個(gè)輸入Xi對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的影響以影響度表示，稱為細(xì)胞的結(jié)合權(quán)重或效率Wi，這個(gè)細(xì)包模型如圖1所示。
圖1 細(xì)胞模型
細(xì)胞的輸入有強(qiáng)有弱，當(dāng)其總合超過(guò)某一閥值，則細(xì)胞進(jìn)入興奮狀態(tài)，產(chǎn)生輸出;當(dāng)其總合低于閾值時(shí)，細(xì)胞進(jìn)入抑制狀態(tài)，沒有輸出。
神經(jīng)細(xì)胞之間可以有不同的連接方式，目前已經(jīng)提出了許多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，由于神經(jīng)細(xì)胞的計(jì)算的并行性，其總體計(jì)算效率很高。生物的一個(gè)重要特征是有自學(xué)習(xí)功能，改變神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中細(xì)胞（或節(jié)點(diǎn)）輸入端的權(quán)重或者細(xì)胞興奮的閥值，控制細(xì)胞的興奮狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)生物系統(tǒng)所具有的靈活的判斷和自學(xué)習(xí)功能。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的兩種常用的模型。
2.1 多層感知器模型
圖2 層次感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
圖2是一個(gè)三層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有N個(gè)輸人，M個(gè)輸出，一個(gè)中間層。從輸入信
號(hào)x，由內(nèi)部單元經(jīng)非線性變換，最終得到輸出y。
對(duì)于輸入x，期望的輸出設(shè)為yd=yd（x），而實(shí)際輸出為y=y（x），一般二者不一致;
輸入—輸出的函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部細(xì)胞的結(jié)合權(quán)重有關(guān)。由期望輸出與實(shí)際輸出的誤差信號(hào)
e = yd（x）-y（x）
調(diào)整網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的結(jié)合權(quán)，使誤差減小，以改善神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作，這稱為學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
在這種場(chǎng)合，因?yàn)榻o定期望的輸出，故稱為有教導(dǎo)的學(xué)習(xí)。
目前逆向誤差傳播學(xué)習(xí)法得到廣泛應(yīng)用，這一學(xué)習(xí)法以輸出的二乘誤差為評(píng)價(jià)函數(shù)，以最速下降法反向修正各層結(jié)合權(quán)和閥值。
這樣，開始時(shí)在網(wǎng)絡(luò)上隨機(jī)設(shè)置小的權(quán)重和內(nèi)部閥值，重復(fù)輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，每一試驗(yàn)，根據(jù)指標(biāo)的誤差信息對(duì)權(quán)值和閥值進(jìn)行調(diào)整，直到指標(biāo)達(dá)到可以接受的值。這一迭代算法步驟如下：
?。?） 權(quán)值和閥值的初始值設(shè)定。
?。?） 給連續(xù)輸入向量x=｛x1，x2，…，xn｝和期望輸出 yd=｛yd1，yd2， …，ydM｝
（3） 計(jì)算實(shí)際輸出。
?。?） 調(diào)整權(quán)重。
?。?） 返回（2），重復(fù)進(jìn)行。
對(duì)于閥值的調(diào)整也可以相似進(jìn)行。
2.2自組織模型
自組織模型與上述不同的是不規(guī)定期望的輸出，通過(guò)自學(xué)習(xí)抽取對(duì)象數(shù)據(jù)的特征，進(jìn)
行基本模式的分類，這稱為無(wú)教導(dǎo)的學(xué)習(xí)。
圖3所示M個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的陣列，用來(lái)抽取輸入特征，輸出節(jié)點(diǎn)用局部連接相連。每一輸入xi通過(guò)可變的權(quán)重wij與每一輸出節(jié)點(diǎn)yj相連。反復(fù)送入分類數(shù)據(jù)作為輸入向量x，權(quán)重將進(jìn)行組織，以輸出最大的節(jié)點(diǎn)為核心，使核的節(jié)點(diǎn)和其鄰近的節(jié)點(diǎn)響應(yīng)相同的輸入信號(hào)。通過(guò)這種學(xué)習(xí)，使各節(jié)點(diǎn)的權(quán)重代表相應(yīng)的輸入模式。與逆向誤差傳播多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同的是：這里是由學(xué)習(xí)自動(dòng)抽取數(shù)據(jù)的特征，分成典型的模式，而不用給定期望的模式：而分成的典型模式用權(quán)重記憶，找出權(quán)重就掌握了數(shù)據(jù)的特征。圖3為自組織網(wǎng)絡(luò)圖。
圖3 自組織網(wǎng)絡(luò)圖
三 、多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軋鋼加熱爐模式識(shí)別中的應(yīng)用
采用多層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為軋鋼加熱爐爐溫控制和熱風(fēng)量控制專家系統(tǒng)的一部分。 以軋鋼加熱爐爐溫預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，采用如圖4所示的三層網(wǎng)絡(luò)。以鋼坯加熱狀況，煤氣成分，爐中部熱平衡計(jì)算求得的計(jì)算值指數(shù)、 爐體熱損失量過(guò)程數(shù)據(jù)作為輸入層的輸入。
圖4 爐溫預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
中間層通過(guò)調(diào)整后選用幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出層有三個(gè)節(jié)點(diǎn)，即“爐溫變高”，“爐溫不變”和“爐溫變低”。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)歸一化后，為-1～+1之間的值，輸出為0～1范圍的預(yù)測(cè)值。學(xué)習(xí)采用逆向誤差傳播學(xué)習(xí)算法，進(jìn)行權(quán)重調(diào)整以加快收斂。
對(duì)于采用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)爐內(nèi)煤氣流分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，作為專家系統(tǒng)的一部分。模式識(shí)別的對(duì)象是爐膛上部檢測(cè)器、爐膛中部檢測(cè)器和爐壁（縱向）溫度計(jì)，檢測(cè)器是插入爐內(nèi)的煤氣溫度計(jì)或煤氣采樣管。對(duì)爐膛上部檢測(cè)、爐膛中部檢測(cè)、爐壁;（縱向）溫度的模式識(shí)別都采用三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。預(yù)先根據(jù)過(guò)去的操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)軋鋼加熱爐爐況進(jìn)行分類，直觀判斷所檢測(cè)的數(shù)據(jù)模式接近那一類，這樣，得到幾種模式作為教導(dǎo)數(shù)據(jù)，故神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層也采用幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出代表一種模式。
輸入層的節(jié)點(diǎn)數(shù)和中間層的節(jié)點(diǎn)數(shù)也都進(jìn)行歸類分析經(jīng)過(guò)歸一化進(jìn)行整理得出有效控制模式。
學(xué)習(xí)方法也采用逆向誤差傳播學(xué)習(xí)法進(jìn)行學(xué)習(xí)，并與專家系統(tǒng)結(jié)果進(jìn)行比較，得出最佳結(jié)果。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)的結(jié)合如圖5所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用C語(yǔ)言編寫程序，起動(dòng)后，讀入數(shù)據(jù)，在幾個(gè)煤氣流分布模式中，取最接近的作為判定結(jié)果，送入專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)根據(jù)模式識(shí)別的輸出和信息處理的輸出，使用預(yù)先裝入的規(guī)則，經(jīng)過(guò)推理機(jī)進(jìn)行推理，預(yù)測(cè)軋鋼加熱爐爐況，輸出操作指導(dǎo)。
圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)的結(jié)合
四. 自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軋鋼加熱爐模式識(shí)別中的應(yīng)用
以爐膛溫度來(lái)說(shuō)，在爐膛沿上方向和左右方向共設(shè)置一些測(cè)溫點(diǎn)，溫度數(shù)據(jù)是二維的分布模式，依靠操作人員觀察對(duì)模式進(jìn)行分類是很困難的，因此不能預(yù)先給出教導(dǎo)模式，而是用自組織網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)抽取數(shù)據(jù)特征，進(jìn)行分類。
自組織網(wǎng)絡(luò)采用多個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，多個(gè)輸出陣列，用一段時(shí)間的日平均測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，用自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，得到軋鋼加熱爐高溫、稍高溫、低溫等幾種爐膛溫度模式，模式特征在鄰近節(jié)點(diǎn)間平滑變化。
使用自組織后的網(wǎng)絡(luò)，可以用來(lái)識(shí)別日平均爐膛溫度數(shù)據(jù)與哪一溫度分布模式最為接近，用這一識(shí)別可以定量分析與其它爐況數(shù)據(jù)的關(guān)系。
五.自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器在軋鋼加熱爐過(guò)程控制中的應(yīng)用
自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是根據(jù)對(duì)人腦的宏觀結(jié)構(gòu)功能模擬與人腦的控制、決策行為和各種邏輯推理機(jī)構(gòu)出發(fā)而設(shè)計(jì)的一種控制器，它通過(guò)在線、實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)，自動(dòng)獲取知識(shí)，并能不斷地提高和完善控制性能。
5.1自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式
5.1.1系統(tǒng)工作方式:
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)將根據(jù)加熱爐工藝條件的不同和各種檢測(cè)情況,在其投運(yùn)以后按下述方式工作.
加熱爐學(xué)習(xí)過(guò)程
加熱爐學(xué)習(xí)過(guò)程是系統(tǒng)觀察爐子的操作,記錄爐內(nèi)各參數(shù)的變化,在線收集各種數(shù)據(jù),建立各種工況模式,建立起各種自適應(yīng)加熱爐模式,在線觀察其工作性能,使其達(dá)到操作預(yù)報(bào)的功能。
基礎(chǔ)調(diào)節(jié)及性能監(jiān)視
通過(guò)各種常規(guī)PID調(diào)節(jié)算法進(jìn)行在線實(shí)驗(yàn)，確定其最佳參數(shù)，同時(shí)構(gòu)造調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，并由其記錄爐子的響應(yīng)，評(píng)價(jià)其控制性能，建立起工況條件與調(diào)節(jié)器工作參數(shù)模式的識(shí)別網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)過(guò)程形成的性能監(jiān)視器和運(yùn)行模式識(shí)別網(wǎng)絡(luò)具有在線運(yùn)行能力，即對(duì)于工況的變化具有識(shí)別和輸出適當(dāng)結(jié)果的功能。另外，調(diào)節(jié)器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)也在線運(yùn)行，以比較調(diào)節(jié)器在各種工況下的行為和性能，提供系統(tǒng)報(bào)警和修改參數(shù)的依據(jù)。
自適應(yīng)環(huán)境跟隨
由前兩階段形成的系統(tǒng)模式，經(jīng)過(guò)在線確認(rèn)后，就形成了自適應(yīng)加熱爐控制模式，其主要特征是：隨工況環(huán)境和檢測(cè)條件的變化，自動(dòng)完成這些狀態(tài)變化的識(shí)別，作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)策略，同時(shí)作出各種操作下的狀態(tài)預(yù)報(bào)，完成其控制目的。
5.1.2自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制
圖6是采用一個(gè)非線性神經(jīng)元作為控制對(duì)象的補(bǔ)償器，構(gòu)成自適應(yīng)控制系統(tǒng)。
圖6 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制系統(tǒng)
取期望輸出Yd與實(shí)際輸出之差e作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，采用Hebb學(xué)習(xí)規(guī)則調(diào)整神經(jīng)元的權(quán)值Wj，產(chǎn)生所要求的控制，使系統(tǒng)跟隨期望輸出。
這里取
x1 = yd — y = e（K），x2 = e（K） — e（K—1），x3 = e（K）— 2e（K—1）+ e（K—2）
W1 e（K）+W2[e（K）—e（K—1）]+W3[e（K）—2e（K—1）+ e（K—2）]
可以看出，控制量正好是PID調(diào)節(jié)器的比例、積分、微分作用?？梢酝ㄟ^(guò)有指導(dǎo)的學(xué)習(xí)，對(duì)權(quán)值進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練時(shí)，采用下式：
Wj（t+1）= Wj（t）+り[Yd — Y] + a [Wj（t）— Wj（t—1）]
J = 1，2，3
不斷更新權(quán)值。
訓(xùn)練完成后，即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行PID控制，并可在線修正權(quán)值，進(jìn)行自適應(yīng)控制。
這樣將軋鋼加熱爐燃燒過(guò)程中的各種檢測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入信號(hào)，加熱爐的各種爐況視為輸出信號(hào)，通過(guò)學(xué)習(xí)，可將測(cè)量數(shù)據(jù)與爐況之間的各種復(fù)雜的非線性影射關(guān)系用自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)表示，在加熱爐實(shí)際操作時(shí)，根據(jù)加熱爐監(jiān)視系統(tǒng)所測(cè)到的各種數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)將自動(dòng)判別加熱爐目前的爐況。同樣，可將爐況和溫度、壓力、流量等各種測(cè)量值數(shù)據(jù)作為輸入信號(hào)，將各種控制參數(shù)作為輸出信號(hào)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)將根據(jù)目前的爐況和各種測(cè)量數(shù)據(jù)，自動(dòng)控制加熱爐的操作，由于自適應(yīng)控制具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力，將大大地改善加熱爐的判別和控制的可靠性，以及自動(dòng)化程度。
控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程是不斷變化的，為了獲得良好的控制性能，控制器必須根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，不斷地改善或調(diào)節(jié)控制決策，以便使控制器本身的控制規(guī)律適應(yīng)于控制系統(tǒng)的需要。
計(jì)算機(jī)就這樣從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取知識(shí)，借助于特征狀態(tài)捕捉動(dòng)態(tài)過(guò)程的特征信息，識(shí)別系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，作為控制決策的依據(jù)，在控制過(guò)程中，使用定性知識(shí)和推理機(jī)構(gòu)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行有效的控制。
5.2爐溫產(chǎn)量自協(xié)調(diào)控制
軋制節(jié)奏對(duì)爐溫設(shè)定值影響很大，為適應(yīng)不同的軋制節(jié)奏，爐溫的設(shè)定值就必須隨軋制速度進(jìn)行修正，通過(guò)對(duì)出爐鋼坯數(shù)的記錄，計(jì)算出軋機(jī)的 軋制速度，將 軋制速度分為5個(gè)檔次：高速軋制，稍高速軋制，中速軋制，低速軋制，停軋。在爐溫設(shè)定值的基礎(chǔ)上，根據(jù)軋機(jī)生產(chǎn)的節(jié)奏快慢，自動(dòng)上下浮動(dòng)一定的溫度值來(lái)控制，生產(chǎn)故障時(shí)，自動(dòng)調(diào)整溫度值來(lái)控制加熱爐的燃燒過(guò)程，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
六、結(jié) 語(yǔ)
實(shí)踐結(jié)果表明，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的軋鋼加熱爐的分布數(shù)據(jù)模式可以進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，用于支持軋鋼加熱爐操作的專家系統(tǒng)，以增強(qiáng)軋鋼加熱爐操作管理系統(tǒng)的功能。
操作人員可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)艹槿?shù)據(jù)特征，形成教導(dǎo)用模式分類，用層次神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用自學(xué)習(xí)算法識(shí)別輸入數(shù)據(jù)的模式，在操作人員難以根據(jù)直觀判斷抽取數(shù)據(jù)特征形成模式分類時(shí)，采用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)抽取數(shù)據(jù)特征，形成模式識(shí)別的分類。
根據(jù)前面模式識(shí)別所得出的軋鋼加熱爐各種特征數(shù)據(jù)，我們就可以對(duì)加熱爐進(jìn)行自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。
這里分析研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在軋鋼加熱爐模式識(shí)別和智能控制中的應(yīng)用情況，從這些應(yīng)用中可以看出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)異牲能，可以預(yù)見，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在冶金工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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（轉(zhuǎn)載）
