林利紅,李雨龍,李聰波,張 友
(重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,重慶 400044)
電阻爐是利用電流使電熱元件升溫,通過(guò)熱傳遞加熱爐內(nèi)物體的裝置。在制造業(yè)中,電加熱裝置是耗能大戶,其耗電占據(jù)企業(yè)總耗電的25%~60%,全國(guó)熱處理電熱裝置總裝機(jī)量約15萬(wàn)臺(tái),年總耗能電量約100億度[1]。對(duì)工業(yè)電阻爐制定科學(xué)合理的能耗分析方法與生產(chǎn)計(jì)劃能提高能源效率,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的清潔生產(chǎn)和節(jié)能降耗[2]。因此,工業(yè)電阻爐的能耗預(yù)測(cè)研究具有深遠(yuǎn)的意義。
傳統(tǒng)的工業(yè)電阻爐能耗預(yù)測(cè)研究主要是通過(guò)數(shù)值分析法來(lái)建立的理論數(shù)學(xué)模型,模擬加熱時(shí)爐內(nèi)的熱傳遞輻射。Fu等[3]基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)軟件FLUENT數(shù)值模擬了高溫合金坯在電阻爐內(nèi)的加熱過(guò)程,對(duì)爐膛內(nèi)自然對(duì)流和表面熱輻射進(jìn)行了數(shù)值分析,預(yù)測(cè)了高溫合金的溫度分布和平衡時(shí)間。Jang等[4]采用共軛梯度法和打靶法相結(jié)合的優(yōu)化方法,研究表明隨著預(yù)熱區(qū)溫度降低,能耗也顯著降低。以上傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法需要提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息,模型建立困難,預(yù)測(cè)誤差大,不夠精確。
綜上所述,雖然能耗預(yù)測(cè)在各方面研究早已開(kāi)展,但具有非線性、大慣性、時(shí)變性特點(diǎn)[13]的大功耗的工業(yè)電阻爐,目前還沒(méi)有給出泛化性高的多參數(shù)預(yù)測(cè)方法。因此筆者對(duì)電阻爐工作狀態(tài)下的多個(gè)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行研究,分析各個(gè)加熱階段的能耗特性,基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下建立小樣本、非線性的多參數(shù)能耗預(yù)測(cè)模型,并以粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization,PSO)對(duì)支持向量回歸的超參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),提高模型精度。
工業(yè)電阻爐工作階段按不同工藝可分為預(yù)熱階段、加熱階段、保溫階段和冷卻階段。預(yù)熱階段是將電阻爐升溫到預(yù)熱溫度后放入工件為止;加熱階段是在工件放入后加熱達(dá)到電阻爐的工作溫度為止;保溫階段是電阻爐持續(xù)保持工作溫度到設(shè)定時(shí)長(zhǎng)為止;冷卻階段是保溫結(jié)束后關(guān)閉溫度控制系統(tǒng),使工件隨爐冷卻到一定溫度,直到將其從電阻爐中取出為止。
經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采集三相電輸出數(shù)據(jù),繪制電阻爐能耗趨勢(shì)圖,如圖1所示。
圖1 電阻爐溫度、功率、耗電趨勢(shì)圖Fig.1 Trend of temperature, power and power consumption of resistance furnace
1.1.1 工業(yè)電阻爐加熱階段能耗分析
由圖1可知,工件放入,打開(kāi)電阻爐開(kāi)關(guān)后開(kāi)始記錄能耗數(shù)據(jù),可以看到加熱階段持續(xù)到爐內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值。此階段的功率為電阻爐額定輸出功率Pheat,即加熱電阻導(dǎo)電后的發(fā)熱功率。該爐電阻絲為星形接法,根據(jù)三相電路功率公式,總功率等于各相功率之和:
Pheat=PA+PB+PC,
(1)
(2)
式中:UA為A相電壓;cosφ為功率因數(shù);RA為A相負(fù)載電阻的阻值;PA為三相電路A相有功功率,三相電阻爐因?yàn)槭羌冏栊载?fù)載,電流與電壓沒(méi)有相位差,所以功率因數(shù)取1,PB,PC以此類推。因此電阻爐的加熱階段能耗可表示為
(3)
式中ti是加熱階段的采樣時(shí)間。
1.1.2 工業(yè)電阻爐保溫階段能耗分析
當(dāng)爐溫達(dá)到設(shè)定溫度后,此時(shí)PID溫度控制系統(tǒng)開(kāi)始工作,控制繼電器通斷電路改變電阻爐有功功率,如圖2所示。
圖2 加熱與保溫階段溫度、功率對(duì)照?qǐng)DFig.2 Comparison of temperature and power in heating and holding stage
圖2中t1,t2,…,tj表示加熱電阻保溫階段的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng),此時(shí)電阻爐的保溫階段能耗可表示為
(4)
(5)
1.1.3 工業(yè)電阻爐輔助系統(tǒng)能耗分析
電阻爐的精確穩(wěn)定運(yùn)行受溫控系統(tǒng)的控制,控制系統(tǒng)包括上位機(jī)監(jiān)控終端和PID溫控儀,其功率消耗相對(duì)穩(wěn)定,受負(fù)載影響較小,因此實(shí)際輸入功率可用額定功率Pe代替。在放入和取出工件的過(guò)程中,電阻爐機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)也會(huì)消耗一定電量,動(dòng)力系統(tǒng)的額定功率為Pm。加熱與保溫階段需開(kāi)啟安裝在爐頂?shù)难h(huán)風(fēng)扇,保證爐內(nèi)熱流循環(huán)以及各爐區(qū)溫度均勻,風(fēng)扇額定功率為Pf。工業(yè)電阻爐輔助系統(tǒng)的能耗Eaux為
Eaux=Pe(theat+tkeep+tcool)+4Pmtm+Pf(theat+tkeep),
(6)
式中:theat,tkeep,tcool分別為加熱、保溫、冷卻的時(shí)長(zhǎng);tm為爐門打開(kāi)或關(guān)閉過(guò)程電機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。
由式(3)(4)及(6),電阻爐工作能耗可近似為
Ework=Eheat+Ekeep+Ecool+Eaux。
(7)
Fu等[14]指出電阻爐在加熱階段,加熱元件的熱量通過(guò)輻射到電阻爐內(nèi)壁表面,內(nèi)壁表面吸收輻射后轉(zhuǎn)化為熱流遍布整個(gè)區(qū)域,此時(shí)爐內(nèi)空氣介質(zhì)、內(nèi)壁、耐火爐襯、隔熱層以及外殼等吸收加熱電阻散發(fā)的熱量,通過(guò)對(duì)流傳熱和輻射傳導(dǎo)至周圍環(huán)境中;Cheng等[15]提出此過(guò)程會(huì)產(chǎn)生加熱能耗損失Ehl和保溫能耗損失Ekl。
(8)
(9)
(10)
式中:S為爐壁厚度;th,tk為加熱階段、保溫階段持續(xù)時(shí)間;Ts為爐外表面溫度;Te為環(huán)境溫度;Tinner為爐內(nèi)溫度;Kout為外壁傳熱系數(shù);q為熱通量;λ為導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)以上公式,電阻爐理論能耗模型為
Ereal=Eheat+Ekeep+Ecool+Eaux+Ehl+Ekl。
(11)
在工程實(shí)際中,電阻爐的實(shí)際損失能耗與多種因素有關(guān),如爐的內(nèi)外壁的傳熱系數(shù)隨著溫度提高不斷改變;爐內(nèi)各個(gè)加熱區(qū)由于輻射換熱、對(duì)流換熱,溫度場(chǎng)分布有一定差異;爐內(nèi)氣體并不是理想氣體等,從而難以進(jìn)行精確計(jì)算。為簡(jiǎn)化模型,假設(shè)電阻爐的電源輸入能耗等于發(fā)熱電阻的能耗與損失能耗之和,則理論模型如式(12)。
Etotal=EA+EB+EC+Eaux。
(12)
(13)
式中:UA,IA、是三相電A相的相電壓、電流;EA是A相有功功率與采樣時(shí)間之積的累加;EB,EC同理可得。
利用數(shù)據(jù)采集平臺(tái)動(dòng)態(tài)獲取電阻爐工作參數(shù),通過(guò)功率特征判斷電阻爐的運(yùn)行狀態(tài),將該狀態(tài)下的電流、爐內(nèi)外溫度、功率、能耗等各個(gè)特征信息輸入模型訓(xùn)練,運(yùn)用多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型,獲得最佳預(yù)測(cè)方法。
采集系統(tǒng)中的功率傳感器、溫度傳感器與主機(jī)通訊,實(shí)時(shí)獲取電阻爐3個(gè)加熱區(qū)(1區(qū)、2區(qū)及3區(qū))的功率、電流以及爐內(nèi)、外殼溫度信息。采集信息流程如圖3所示,圖(a)(b)中3條曲線分別代表1區(qū)、2區(qū)及3區(qū)的電流、功率,圖(c)中采集3個(gè)區(qū)的溫度以及電阻爐外殼溫度。
圖3 采集信息流程圖Fig.3 Information collection process
為了實(shí)時(shí)反映爐內(nèi)外溫度、電流及功率的變化,剔除波動(dòng)較大或明顯異常的采樣點(diǎn)。圖3中的溫度曲線在加熱階段具有明顯的非平穩(wěn)性,而保溫階段序列是平穩(wěn)的,電流與功率在加熱階段也是平穩(wěn)的。如果對(duì)以上電流、功率以及溫度3組采集數(shù)據(jù)均提取時(shí)域特征,導(dǎo)致數(shù)據(jù)維度過(guò)大,直接使用機(jī)器學(xué)習(xí)建模將增大模型的復(fù)雜度。由于電阻爐的功率、發(fā)熱與三相電流的大小息息相關(guān),因此只提取電流信號(hào)的時(shí)域特征參數(shù),包括3個(gè)加熱區(qū)的測(cè)量電流I,3個(gè)區(qū)的電流方差I(lǐng)var、均方根Irms、峰峰值Iptp與偏度Iske共12個(gè)時(shí)域特征參數(shù)作為電流信號(hào)的特征量,以及3個(gè)加熱區(qū)的爐內(nèi)溫度、爐殼溫度、室溫及電阻爐總功率共21個(gè)參數(shù)作為模型的輸入向量。
2.2.1 回歸型支持向量機(jī)預(yù)測(cè)模型
支持向量機(jī)(SVM)是Corinna Cortes和Vapnik[16]在1995年提出的機(jī)器學(xué)習(xí)方法,在分類和回歸任務(wù)中已得到許多運(yùn)用。支持向量回歸(support vector regression,SVR)是SVM中的一項(xiàng)重要應(yīng)用分支[17],近年來(lái)在回歸估計(jì)和非線性問(wèn)題的解決中受到越來(lái)越多的重視。SVR是將原始數(shù)據(jù)向高維特征空間的非線性映射,將其轉(zhuǎn)化為線性回歸關(guān)系。假設(shè)一個(gè)回歸函數(shù)F,訓(xùn)練樣本為{(xi,yi)},其中xi是輸入,yi是輸出。SVR使用線性方程預(yù)測(cè)目標(biāo)值,即
F(x)=wTφ(x)+b,
(14)
式中:F(x)為輸出;w為權(quán)向量;b為偏差;φ(x)為高維的實(shí)際輸入向量;權(quán)向量w和偏差b是通過(guò)最小化風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)計(jì)算所得。最小化風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)的推理過(guò)程如式(15)~(21)。
(15)
(16)
(17)
(18)
式(14)可考慮非線性回歸的情況、特征空間的映射以及添加拉格朗日乘子轉(zhuǎn)換為以下形式:
(19)
(20)
最常用的核函數(shù)是RBF函數(shù),其定義如下:
(21)
其中γ表示RBF函數(shù)的寬度,γ值越大映射的維度越高,訓(xùn)練的結(jié)果越好,但是容易引起過(guò)擬合,即泛化能力低。
2.2.2 模型參數(shù)尋優(yōu)方法
1)粒子群優(yōu)化算法。
粒子群優(yōu)化算法(PSO)由Kennedy和Eberhart[18]在1995年受到鳥(niǎo)類捕食的啟發(fā)而設(shè)計(jì)一種無(wú)質(zhì)量的粒子來(lái)模擬鳥(niǎo)群的群聚行為。粒子群優(yōu)化算法是一種基于總體的并行全局搜索策略,它具有更快的收斂速度,在解決大量維數(shù)問(wèn)題的方面具有優(yōu)勢(shì)。在優(yōu)化過(guò)程中,每個(gè)粒子都有自己的速度、位置和適應(yīng)度。每次迭代,粒子會(huì)根據(jù)經(jīng)過(guò)的單個(gè)最佳位置Pbest和全局最佳位置gbest來(lái)更新其速度和位置。對(duì)于維度為D的第i個(gè)粒子其更新速度和位置的公式如下:
(22)
(23)
其中t是迭代數(shù);c1,c2是學(xué)習(xí)因子;r1,r2是0到1之間的隨機(jī)數(shù),ω是用于平衡全局和局部搜索的權(quán)重系數(shù)。
2)基于PSO優(yōu)化SVR。
SVR的泛化能力在很大程度上取決于超參數(shù),即懲罰因子C和核函數(shù)γ,但是通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)很難確定這些參數(shù)的適當(dāng)值,且手動(dòng)調(diào)整參數(shù)的過(guò)程非常耗時(shí)。為使模型評(píng)估更加準(zhǔn)確可信,采用粒子群優(yōu)化算法(PSO)對(duì)式(15)與式(21)中的C和γ參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。
PSO-SVR參數(shù)優(yōu)化算法流程圖如圖4所示。
圖4 PSO-SVR參數(shù)優(yōu)化算法流程圖Fig.4 Process of PSO-SVR parameter optimization algorithm
為了評(píng)估文中模型性能,需應(yīng)用不同評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)準(zhǔn)包括平均絕對(duì)誤差Wmae、均方差Wmse、平均絕對(duì)百分比誤差Wmape以及決定系數(shù)R2。
(24)
(25)
(26)
(27)
本案例以重慶某公司退火爐車間為平臺(tái),以重慶大學(xué)自主研發(fā)的退火爐實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)獲取加工任務(wù)和加工狀態(tài)信息。功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)通過(guò)HC-33D6L功率傳感器實(shí)現(xiàn),溫度監(jiān)測(cè)通過(guò)HC-208溫度采集模塊與K型熱電偶實(shí)現(xiàn),分別采集退火爐的輸入功率、電流、爐內(nèi)外溫度等信息,通過(guò)Modbus-RTU通信協(xié)議傳輸至智能終端。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)如圖5所示。
圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)Fig.5 Software and hardware platform of the data acquisition system
實(shí)驗(yàn)對(duì)象為間歇式爐,加熱工件為鋁絞線(BLVV),截面積120 mm2,長(zhǎng)度9 000 m,工作時(shí)長(zhǎng)10 h,采樣時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為2 min,采集獲得外界溫度Te、爐殼溫度Ts、3個(gè)加熱區(qū)的爐內(nèi)溫度Tin、功率P、能耗E、3個(gè)加熱區(qū)的電流I,提取電流特征參數(shù):方差I(lǐng)var、均方根Irms、峰峰值Iptp及偏度Iske,獲得數(shù)據(jù)整理表1、表2所示。
表1 電阻爐溫度、電流、能耗參數(shù)(2 min采樣時(shí)長(zhǎng))Table 1 Temperature, current and energy consumption parameters of the resistance furnace (2 min sampling time)
表2 電流特征參數(shù)Table 2 Characteristic parameters of the current
本次案例中共收集326組數(shù)據(jù),使用交叉驗(yàn)證法對(duì)訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分,其中訓(xùn)練數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)的比例為3∶1。
1)多參數(shù)PSO-SVR、SVR、GPR、ANFIS模型對(duì)比。
高斯過(guò)程回歸(Gaussian process regression,GPR)和自適應(yīng)模糊神經(jīng)推理系統(tǒng)(adaptive network-based fuzzy inference system,ANFIS)是兩種常用的能耗預(yù)測(cè)算法。為驗(yàn)證SVR算法效果,使用以上兩種建模方法與SVR進(jìn)行對(duì)比分析。將表1中Te,Ts,3個(gè)加熱區(qū)的Tin、3個(gè)加熱區(qū)的電流I,P,E以及表2中電流特征參數(shù):Ivar,Irms,Iptp,Iske,帶入集合{(xi,yi)}中,E作為輸出y,其余作為輸入x,導(dǎo)入PSO-SVR、SVR、GPR、ANFIS模型中得到測(cè)試集圖像對(duì)比圖,如圖6所示。
圖6 PSO-SVR、SVR、GPR、ANFIS預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of prediction results of PSO-SVR, SVR, GPR and ANFIS
3種預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練集與測(cè)試集評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示。
表3 3種預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練集與測(cè)試集評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比Table 3 Comparison of evaluation indexes of three prediction models
由圖6、表3可知,PSO-SVR模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)均優(yōu)于SVR、GPR、ANFIS模型,在測(cè)試集中PSO-SVR與SVR相比Wmae減少了48.46%,Wmse減少了83.65%,Wmape減少了35.06%,R2提高了2.09%。PSO-SVR、SVR、GPR、ANFIS模型中,GPR采用高斯核函數(shù),模型對(duì)超參數(shù)的調(diào)優(yōu)有一定要求;ANFIS采用自學(xué)習(xí)生成模糊規(guī)則的特點(diǎn),難以準(zhǔn)確表達(dá)函數(shù)關(guān)系,需要憑借專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)手動(dòng)調(diào)整模糊規(guī)則。實(shí)驗(yàn)表明PSO-SVR模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)明顯優(yōu)于SVR、GPR和ANFIS模型,因此,PSO優(yōu)化下的SVR模型具有更高的精度、更好的泛化性和擬合能力。
2)單參數(shù)與多參數(shù)PSO-SVR模型對(duì)比。
將表1中的溫度、電流、功率分別帶入模型中得到預(yù)測(cè)結(jié)果與多參數(shù)模型對(duì)比,如圖7所示。
圖7 單參數(shù)與多參數(shù)模型預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of prediction results between single parameter model and multi-parameter model
3種預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練集與測(cè)試集評(píng)價(jià)指標(biāo)如表4所示。
表4 單參數(shù)與多參數(shù)預(yù)測(cè)模型訓(xùn)練集與測(cè)試集評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比Table 4 Comparison of evaluation indexes of single parameter and multi-parameter model
由圖7、表4可知,電阻爐能耗受溫度、電流、功率等多種參數(shù)影響,模型精度與模型輸入數(shù)據(jù)維度成正相關(guān),Wmae、Wmse、Wmape的多參數(shù)模型指標(biāo)相比溫度、電流、功率建立的單參數(shù)模型指標(biāo)明顯減小,R2也顯著增大。這是因?yàn)槎鄥?shù)預(yù)測(cè)模型的輸入是基于理論模型中的參數(shù),再提取主要特征,能較好地表示輸入輸出向量的相關(guān)性,而單參數(shù)預(yù)測(cè)模型在非線性、大慣性的時(shí)變系統(tǒng)中擬合性能較差。因此,多參數(shù)模型各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均優(yōu)于單參數(shù)模型指標(biāo),基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電阻爐多參數(shù)能耗預(yù)測(cè)模型比單參數(shù)預(yù)測(cè)模型有更高的精度和更好的泛化性。
3)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型與理論模型對(duì)比。
根據(jù)公式(12)基于功率和時(shí)間信息建立退火爐工作的理論能耗模型,各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表5所示。
表5 PSO-SVR多參數(shù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型與理論模型評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)比Table 5 Comparison of evaluation indexes between PSO-SVR multi-parameters data driven model and theoretical model
從表5中可知,理論模型的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均低于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建立的PSO-SVR模型。理論模型是基于功率、時(shí)間建模,建模因素單一,并且理論模型中的功率為瞬時(shí)功率,其大小受到瞬時(shí)電流、加熱電阻阻值、對(duì)流換熱等多種因素影響,導(dǎo)致建立的模型精度較低,只能在一段時(shí)間內(nèi)粗略預(yù)估電阻爐的能耗,而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的多參數(shù)模型輸入根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析獲得,克服了理論建模精度不高的缺點(diǎn),能實(shí)時(shí)追蹤電阻爐工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)電阻爐能耗的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。
1) 分析了工業(yè)電阻爐各個(gè)加工階段的工作狀態(tài),結(jié)合電阻爐的特征,基于功率、時(shí)間建立了理論能耗模型。
2) 根據(jù)所測(cè)得環(huán)境溫度、爐外表溫度、爐內(nèi)溫度、功率、電流、以及提取的電流特征向量,建立了PSO-SVR、SVR、GPR及ANFIS能耗預(yù)測(cè)模型,通過(guò)Wmae、Wmse、Wmape以及R2指標(biāo)分析,證明基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的PSO-SVR多參數(shù)能耗預(yù)測(cè)模型具有更高的精度和更好的泛化性。
3) 對(duì)比理論能耗模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)多參數(shù)模型的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo),實(shí)驗(yàn)表明數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多參數(shù)模型具有實(shí)時(shí)系統(tǒng)的分析能力,能反映電阻爐的實(shí)時(shí)工作狀態(tài),提供可靠的動(dòng)態(tài)能耗預(yù)測(cè)數(shù)據(jù),為優(yōu)化退火工藝、電爐的檢修或更改生產(chǎn)計(jì)劃提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。