專利名稱：控制工業(yè)過程的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制用于生產(chǎn)或加工產(chǎn)品的工業(yè)過程的方法，特別是用于控制熱軋機(jī)的方法。
背景技術(shù)：
按照常規(guī)的方法，對工業(yè)過程的控制和調(diào)節(jié)基于描述實際工業(yè)過程的物理模型。在對熱軋機(jī)的冷卻段的控制中該物理模型應(yīng)盡可能精確地模擬整個冷卻過程的實際情形。但是，存在不可能精確建立模型的因素，因為這要么強(qiáng)烈地針對設(shè)備要么不能以可接受的費用進(jìn)行描述。作為例子可以在此舉出鋼的表面特性對熱傳遞的影響。
因此，為了實現(xiàn)盡可能真實控制的模型建立，對物理模型擴(kuò)展一個統(tǒng)計模型，該統(tǒng)計模型將具有模型誤差的最不同的影響量的相關(guān)性用于模型的校正。例如，如果確定，物理模型對具有一定寬度、厚度和速度的某種材料造成一個10℃的典型誤差和一個+/-20℃的雜散(Streuung)，則可以將該系統(tǒng)的部分利用在后的統(tǒng)計模型進(jìn)行校正。這種所謂的統(tǒng)計模型可以不同的方式實現(xiàn)。一種方法是，在所謂的繼承表中將校正系數(shù)存放在材料類、寬度類、溫度類、厚度類等的項(Schublade)中。但是，如果要覆蓋較大數(shù)目的輸入?yún)?shù)，則該方法有局限性。例如，有十個輸入量并希望為每個輸入量建立十個分間隔，則產(chǎn)生十億個項，在設(shè)備的生命周期中僅僅填入這些項中極小的部分。生產(chǎn)越少則空項的部分越大，這意味著，在生產(chǎn)具有新參數(shù)值的產(chǎn)品時這種可能性很大，即，還沒有填入的項(即，還沒有校正系數(shù))為此存在，因此統(tǒng)計模型空運行。
另一種建立統(tǒng)計模型的方法是神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。該方法利用影響量作為輸入而所尋找的校正系數(shù)作為輸出進(jìn)行訓(xùn)練。因為神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)將校正系數(shù)表示為影響量的連續(xù)函數(shù)，因此不能排除在計入神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)時對一定的材料還保留了系統(tǒng)誤差。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的另一個缺點是，必須首先對其進(jìn)行廣泛的訓(xùn)練直到可以有效地使用，即，在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)可以使用之前必須首先冷卻許多鋼帶。直到訓(xùn)練結(jié)束沒有校正系數(shù)可供使用。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于為工業(yè)過程確定校正系數(shù)的簡單的統(tǒng)計模型。
上述技術(shù)問題是通過一種控制和調(diào)節(jié)用于生產(chǎn)或加工產(chǎn)品的工業(yè)過程的方法來解決的，其中，控制優(yōu)選基于工業(yè)過程的物理模型進(jìn)行，并且其中，為了優(yōu)化控制按照下列方法步驟統(tǒng)計地確定至少一個校正系數(shù)1.對于每個產(chǎn)品將包括至少一個校正系數(shù)的物理模型的參數(shù)作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)組存儲，2.在每個新產(chǎn)品的生產(chǎn)或加工中將所存儲的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組與該新產(chǎn)品的參數(shù)進(jìn)行比較，并確定與該新產(chǎn)品數(shù)據(jù)組類似的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組，3.從類似的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組的校正系數(shù)中為該新的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組確定至少一個校正系數(shù)。
該方法也可以用于采用多個校正系數(shù)的情況。此時產(chǎn)生一個校正系數(shù)矩陣，其中，該矩陣的每個元素都例如適用于冷卻段的一個分段。
優(yōu)選地，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)組簡單地按時間順序存儲。在此，作為存儲器可以采用所謂的環(huán)形緩沖器。該存儲方法的優(yōu)點尤其在于不繼續(xù)存儲舊的數(shù)據(jù)組。例如，如果存儲空間大到可以存儲一臺熱軋機(jī)的帶鋼軋機(jī)機(jī)列整個的年產(chǎn)量，則可以認(rèn)為該工業(yè)過程的生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)由于老化、改建等等已經(jīng)這樣多的改變，使得舊的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組不再包含可靠的校正系數(shù)，因此不考慮這樣舊的數(shù)據(jù)組至少不會導(dǎo)致更差的結(jié)果。
本發(fā)明一個優(yōu)選的結(jié)構(gòu)是由這樣一種方法給出的，其中新的校正系數(shù)通過從類似的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組的校正系數(shù)的線性回歸來確定。新的校正系數(shù)可以利用這種簡單的統(tǒng)計方法在非常短的計算時間內(nèi)確定。
如果為了確定新的校正系數(shù)將迄今為止的校正系數(shù)進(jìn)行加權(quán)，則是特別優(yōu)選的。在此，該加權(quán)可以按照記錄的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組的時間順序利用它們各自所屬的校正系數(shù)進(jìn)行。也就是說，對較新校正系數(shù)的加權(quán)比對時間上較舊的校正系數(shù)的加權(quán)更強(qiáng)。由此使例如上述由于生產(chǎn)或加工段老化的負(fù)面影響大大減弱。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進(jìn)一步說明，圖中，圖1示出一臺熱軋機(jī)的冷卻段示意圖，包括所屬物理模型的簡化框圖，圖2示出金屬帶化學(xué)成分的示意圖，圖3示出金屬帶的速度(v[m/s])和厚度(D[mm])的示意圖，圖4示出金屬帶的寬度(B[mm])的示意圖，圖5示出金屬帶在生產(chǎn)線測量位置上的溫度(TFM[℃])的示意圖，圖6示出卷軸額定溫度(THS[℃])的示意圖，圖7示出用于確定校正系數(shù)(K)的框圖，圖8為表示用于對校正系數(shù)(K)加權(quán)(G)的圖，圖9示出用于確定新校正系數(shù)(K0)的示意圖。
具體實施例方式
按照圖1的示意圖示出了一臺熱軋機(jī)的冷卻段，包括所屬物理模型的簡化框圖。金屬帶按箭頭方向從左邊進(jìn)入經(jīng)過最后的軋制機(jī)架WG并在那里被軋制到其最后的厚度。然后，金屬帶經(jīng)過生產(chǎn)線測量位置FMP，在該位置上對例如金屬帶的厚度D、在生產(chǎn)線測量位置上的溫度TF、寬度B等參數(shù)進(jìn)行測量。然后，金屬帶在輥軸R的驅(qū)動下經(jīng)過冷卻段KS。在冷卻段中金屬帶的上部和下部設(shè)置了閥門單元V，通過這些閥門將水噴射到金屬帶上。金屬帶在經(jīng)過冷卻段KS的冷卻之后通過卷軸測量位置HMP并隨后被卷繞在卷軸H上。在冷卻段KS中一般不能測量溫度。
在調(diào)節(jié)段RA的框圖中通過冷卻段的一個物理模型MK模擬了該冷卻段。該冷卻段的物理模型MK產(chǎn)生用于冷卻段的調(diào)節(jié)器RK的調(diào)節(jié)參數(shù)并對帶段的任何位置計算金屬帶的溫度。這通過位于冷卻段模型MK和冷卻段調(diào)節(jié)器RK之間的箭頭示意地示出。冷卻段調(diào)節(jié)器RK被分成一個用于主冷卻區(qū)的調(diào)節(jié)器RH以及一個用于細(xì)冷卻區(qū)的調(diào)節(jié)器RF。
冷卻段物理模型通過輸入E1得到帶數(shù)據(jù)BD以及帶參數(shù)；通過輸入E2得到至少在生產(chǎn)線測量位置FMP上所測量的溫度TF。通過輸入E3向冷卻段模型MK傳送卷軸溫度TH。其它測量值，例如帶速度和接通的水量則通過輸入E5輸入該模型。
如上所述，冷卻段模型MK針對金屬帶的長度計算在金屬帶任何位置上的溫度，從而冷卻區(qū)調(diào)節(jié)器RK將這些溫度作為其調(diào)節(jié)的實測值。調(diào)節(jié)器計算用于閥門V的調(diào)節(jié)值并通過其輸出A1將該值傳送到閥門V。閥門狀態(tài)同時通過輸入E5傳送給冷卻段模型MK。
在理想的條件下和熱軋的并待冷卻的金屬帶的成分總是相同時，利用該調(diào)節(jié)裝置RA可以實現(xiàn)理性的冷卻過程，使得該金屬帶在卷繞在卷軸H上之前具有所希望的溫度。但是，這種理想的特性在實際運行中不能得到。這導(dǎo)致卷軸溫度TH偏離所希望的和通過調(diào)節(jié)段作為額定值預(yù)先給定的溫度。為此，冷卻段模型還計算一個校正系數(shù)K，通過該校正系數(shù)K減小理想溫度特性和實際測量的溫度特性之間的偏差。該校正系數(shù)K在金屬帶通過冷卻段的整個時間內(nèi)被連續(xù)地計算和匹配。如果金屬帶完全通過并卷繞在卷軸H上，則對該金屬帶的最佳校正系數(shù)K固定。
因此，該校正系數(shù)與帶的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PDk是完全單獨對應(yīng)的。已經(jīng)生產(chǎn)的金屬帶的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD1至PDn以表格的形式存放在一個環(huán)形緩沖器中。下列的表格示例性地示出了表格形式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD1至PDn。
表1

例如，作為參數(shù)在產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD1中存放了厚度D1、寬度B1、速度V1、卷軸溫度TH1、生產(chǎn)線測量位置的溫度TF1以及化學(xué)組成成分?；瘜W(xué)組成成分例如有碳含量C1、銅含量Cu1、硅含量Si1等(在該表中沒有羅列所有的組成成分)。
圖2中示出的圖的方格示出了一種新的待軋制的金屬帶的化學(xué)成分?；瘜W(xué)元素的合金成分具體是碳C＝0.02、硅Si＝0.01、錳Mn＝0.22、鉻Cr＝0.01、鈮Nb＝0、鎳Ni＝0.02、鈦Ti＝0、釩V＝0、硼B(yǎng)＝0以及其它合金成分的和Misc＝0.11。
在按照圖3的方格圖中按毫米示出了希望的厚度D以及按米/秒示出了軋制過程的速度V；圖4中的方格圖示出了按毫米的寬度B，而在圖5和6中的圖中最后示出了在生產(chǎn)線測量位置上的所希望的溫度TFM和卷軸額定溫度THs和卷軸實測溫度TH。
新的帶應(yīng)該按照在圖2至6的方格圖中示出的參數(shù)生產(chǎn)。對于圖2至6的方格圖中的幾何形狀(圓、點、正方形和三角形)在后面還有介紹。
現(xiàn)在，必須為新的待軋制的金屬帶確定校正系數(shù)K。這將參照圖7在下面詳細(xì)解釋。
圖7示出一個用于為新帶確定校正系數(shù)K的裝置的框圖。該裝置包括一個觀察器BO，其輸出與帶存儲器M和安全存儲器SD連接。安全存儲器SD用于在帶存儲器M中的數(shù)據(jù)例如由于計算機(jī)故障而丟失的情況下的安全。通過安全存儲器SD的輸出可以在程序開始時加載帶存儲器M。
帶存儲器M中存有所有已經(jīng)生產(chǎn)的帶或者至少是所有已經(jīng)生產(chǎn)的帶中的多數(shù)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD1至PDn。帶存儲器M例如可以是一個包含100000個帶的數(shù)據(jù)的環(huán)形緩沖器。這些帶按軋制的順序存儲，即它們是按時間前后存放的。為此所需的存儲器容量在大約20兆字節(jié)。
對于新的待生產(chǎn)的帶的原始數(shù)據(jù)存在按照下列表2的一個數(shù)據(jù)組PD0表2

(其中，K0的值是未知的，因為該帶還沒有被冷卻)，現(xiàn)在根據(jù)該原始數(shù)據(jù)從帶存儲器M中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組(見表1)PD1至PDn中例如按照下列規(guī)則確定類似的數(shù)據(jù)組a2:＝c1(D-D0)2+c2(B-B0)2+c3(TH-TH0)2+...
其中，標(biāo)記c1，c2，c3，...，是正的實常數(shù)。
如果a2＜1，則涉及的是一個類似的數(shù)據(jù)組；只要a2不＜1則數(shù)據(jù)組不相似且不被引入到對校正系數(shù)的進(jìn)一步計算。
按照該計算規(guī)則例如在20個參數(shù)下給出40次乘法和20次加法，其中容易看出，如果乘積＞1，則與產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD1至PDn中的一個的比較就已經(jīng)可以中斷，從而可以極大地節(jié)省計算時間。常數(shù)c1，c2，c3，等用來對各個和進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
按照這種方式確定了所有與新的待生產(chǎn)的帶的原始數(shù)據(jù)PD0相似的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD1至PDn，并將它們存放在存儲器AEB(圖7)中。這些數(shù)據(jù)的值在圖2至6的方格圖中以圓、點、正方形和三角形的形式來模擬。其中，不同的幾何形狀描述了所確定的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組的不同新舊程度?？梢钥闯?，所確定的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組確實與新的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD0相似，因為它們處于圖中的方格高度上。
根據(jù)圖7，從相似帶的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD1至PDn中首先建立一個局部模型LM。這例如可以通過應(yīng)用線性回歸的公知技術(shù)實現(xiàn)。然后，通過將原始數(shù)據(jù)PD0應(yīng)用到該線性模型LM中為新的待冷卻的帶建立校正系數(shù)K0。這將結(jié)合圖9進(jìn)行介紹。不過，首先還要描述一個優(yōu)選的中間步驟。
在最后計算新的校正系數(shù)K0之前，對所找出的相似的帶、即所找出的相似的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD1至PDn進(jìn)行加權(quán)是有意義的。
在圖8中示出了這種加權(quán)。其中，在橫軸上給出了按照上述計算規(guī)則找出的帶的距離a2。這里，具有a2＝1的帶剛好不再被采集。對具有最大為約＝1的大距離的帶的加權(quán)極小。在這里示出的圖中這些帶的加權(quán)為0或者接近于0?？梢钥闯?，隨著距離a2的下降加權(quán)增加。
在按照圖8的圖中也通過不同的幾何符號標(biāo)記了帶的新舊(對應(yīng)于產(chǎn)品日期的新舊)，即按從新到舊的順序為△、□、圓、點。因此，唯一一個用三角形符號示出的帶是最新的帶，如可以看出的，對該帶的加權(quán)也是最高(0.75)的。
在按照圖9的圖中，在橫軸上示出了各復(fù)核出的校正系數(shù)K而在縱軸上示出了在局部模型中借助于線性回歸近似的校正系數(shù)KA。
如果線性模型LM能理想地模擬相似帶數(shù)據(jù)組中包含的復(fù)核的校正系數(shù)，則借助于線性模型計算出的校正系數(shù)KA等于復(fù)核的校正系數(shù)K，由此這些校正系數(shù)處于角等分線上。因為如果不是這種情況，校正系數(shù)的值分散，如圖9所示。在此可以看出線性模型LM描述相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD0至PDn的精確程度。在按照圖9的圖中還標(biāo)出了一條具有斜率2的直線G1。在該直線G1和水平線G2之間構(gòu)成了一個扇形S1。
對扇形S1內(nèi)的每個點通過線性模型LM都得到比直接放棄適配(即，利用校正系數(shù)K＝1進(jìn)行近似)更好的模擬。所有不在扇形S1中也不在相對的扇形S2(對于該扇形的意義于與對于扇形S1的一樣)中的點的特性則相反?？梢詫μ岬降娘@示進(jìn)行對于待冷卻帶該適配良好程度的估計。對于該帶還沒有復(fù)核的校正系數(shù)，因為其還沒有被冷卻。將所屬產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD0應(yīng)用到線性模型LM中則為校正系數(shù)K0產(chǎn)生一個估值K0，該估值被用到隨后的冷卻中。其結(jié)果作為水平線H1在圖9中用虛線示出。在帶冷卻之后，復(fù)核的校正系數(shù)K0已知。圖9中作為垂直線V1示出了對應(yīng)的結(jié)果。水平線H1和垂直線V1的交點P在事后示出了對冷卻的帶的適配的質(zhì)量。如果點P位于S1或S2內(nèi)則適配是成功的。如果位于其外，則不進(jìn)行適配而冷卻會更好。
在求出估值K0之后，將其連同另一產(chǎn)品數(shù)據(jù)組PD0輸入到預(yù)計算VR(圖7)，利用這些參數(shù)值和求出的估值K0來冷卻帶，這里，在冷卻過程期間也通過觀察器B對校正系數(shù)K0進(jìn)行細(xì)調(diào)節(jié)。由此最后建立所存儲的校正系數(shù)K0。
利用目前的數(shù)據(jù)處理設(shè)備從100000個帶的數(shù)據(jù)組中搜索相似帶的計算時間大約為1/10tel秒，借助線性回歸從相似的帶中確定校正系數(shù)K0的計算時間大約為0.02秒，因此，當(dāng)該帶剛剛離開最后的軋制機(jī)架(圖1中的WG)時新的校正系數(shù)K0已被可靠地計算出。
權(quán)利要求
1.一種控制和調(diào)節(jié)用于生產(chǎn)或加工產(chǎn)品的工業(yè)過程的方法，其中，控制優(yōu)選基于工業(yè)過程的物理模型進(jìn)行，并且其中，為了優(yōu)化控制按照下列方法步驟確定至少一個校正系數(shù)(K)1.1對于每個產(chǎn)品存儲作為產(chǎn)品數(shù)據(jù)組(PD1-PDn)的包括至少一個校正系數(shù)(K1-Kn)的物理模型的參數(shù)(d，b，TH，TFM，C，Cu，Si，...)，1.2在對每個新產(chǎn)品的生產(chǎn)或加工中將所存儲的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組(PD1-PDn)與該新產(chǎn)品的參數(shù)(d0，b0，TH0，TFM0，C0，Cu0，Si0，...)進(jìn)行比較，并確定類似的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組，1.3從類似的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組(PD1-PDn)的校正系數(shù)(K1-Kn)中為該新的數(shù)據(jù)組(PD0)確定至少一個校正系數(shù)(K0)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，為了確定所述校正系數(shù)(K0)首先確定一個模型(LM)，在該模型中可以通過應(yīng)用PD0計算該校正系數(shù)(K0)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述模型(LM)是線性的，即線性回歸。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，將所述產(chǎn)品數(shù)據(jù)組按時間順序存儲，例如存儲在一個環(huán)形緩沖器中。
5.根據(jù)上述利要求中任一項所述的方法，其中，從類似的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組(PD1-PDn)的校正系數(shù)(K1-Kn)中確定所述新的校正系數(shù)(K0)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，為了確定所述新的校正系數(shù)(K0)對所述校正系數(shù)(K1-Kn)進(jìn)行加權(quán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，對時間上較新的校正系數(shù)(K1-Kn)的加權(quán)比對時間上較舊的校正系數(shù)(K1-Kn)的加權(quán)更強(qiáng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中，所述校正系數(shù)(K1-Kn)越類似，則對它們加權(quán)越強(qiáng)烈。
9.根據(jù)上述利要求中任一項所述的方法，其中，還對所述工業(yè)過程進(jìn)行附加的調(diào)節(jié)。
10.根據(jù)上述利要求中任一項所述的方法，其中，所述工業(yè)過程是一個熱軋機(jī)的冷卻段。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制用于生產(chǎn)或加工產(chǎn)品的工業(yè)過程的方法，其中，特別是控制熱軋機(jī)的冷卻段(KS)通過物理模型模擬該冷卻段(KS)。為了優(yōu)化冷卻過程按照這樣的簡單方式確定一個校正系數(shù)(K0)，即，存儲具有以前確定的校正系數(shù)(K1至Kn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組(PD1至PDn)。對于新的待冷卻的帶將所存儲的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組(PD1至PDn)與該新的帶的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組(PD0)進(jìn)行比較，并確定類似的數(shù)據(jù)組。從類似的產(chǎn)品數(shù)據(jù)組(PD1至PDn)的校正系數(shù)(K1至Kn)中例如借助于線性回歸確定一個新的校正系數(shù)(K0)。
文檔編號G05B13/04GK1625721SQ03802985
公開日2005年6月8日 申請日期2003年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月31日
發(fā)明者艾鈉爾·布羅斯, 克勞斯·溫齊爾 申請人:西門子公司