BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于三相電弧爐弧流控制

1、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于三相電弧爐弧流控制        摘要：針對電極升降式控制的三相電弧爐弧流之間具有強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，在電流超過允許偏差時(shí)并行計(jì)算出三相電極的調(diào)節(jié)量，達(dá)到減少調(diào)節(jié)過程和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作次數(shù)的目的。并提出了離線訓(xùn)練方法和仿真模型。     關(guān)鍵詞：三相電弧爐  弧流  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)    電弧爐是利用電弧的能量來熔煉金屬。目前普遍采用電極升降方法對熔煉過程進(jìn)行恒流控制。電爐在工作過程中，特別是在爐料熔化期，當(dāng)電

2、弧強(qiáng)度的隨機(jī)變化引起三相電流失去平衡時(shí)，由人工或自動調(diào)節(jié)三相電流，使其在給定的允許偏差范圍內(nèi)。但由于負(fù)載端相當(dāng)于三角形連接，則外部檢測的即被控制的三相線電流相互耦合，若不采用解耦措施，一次擾動要經(jīng)過若干次調(diào)節(jié)才能使三相電流恢復(fù)到平衡點(diǎn)。結(jié)果是：其一，使超調(diào)增大、調(diào)節(jié)過程加長，影響產(chǎn)成品質(zhì)量控制和加大能耗；其二，使電極升降傳動機(jī)構(gòu)頻繁動作，縮短了傳動機(jī)構(gòu)的維修周期和使用壽命，并且使調(diào)節(jié)回路能耗比例增大。而最理想的調(diào)節(jié)效果是：在只檢測三相線電流而不增加任何其它檢測量的前提下，當(dāng)三相電流超過允許偏差時(shí)，控制器一次并行地給出三相電極的調(diào)節(jié)量，使其一次調(diào)節(jié)到位。    考慮

3、系統(tǒng)本身具有非線性、大滯后、多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)合特點(diǎn)，為避開繁瑣的系統(tǒng)建模過程且力求系統(tǒng)簡單可靠，又不增加觀測數(shù)據(jù)，我們采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近任意非線性和并行處理數(shù)據(jù)的能力，使訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器可以根據(jù)三相異常電流值計(jì)算出三相電極的調(diào)節(jié)量，從而使三相電極只調(diào)節(jié)一次便可將三相電流恢復(fù)正常。本文將在給出三相電弧爐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)和算法的基礎(chǔ)上，著重分析三相電弧爐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的離線訓(xùn)練方法，最后給出仿真實(shí)例和結(jié)論。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)    三相電弧爐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)如圖所示。    圖中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為三層網(wǎng)絡(luò)

4、，輸入層有三個(gè)神經(jīng)元（,），分別輸入、和相線電流的偏差值，節(jié)點(diǎn)函數(shù)是斜率為的線性函數(shù)，因此該層三個(gè)輸出為：    ；。    其中，為設(shè)定的三相電流平衡值，、分別為三相當(dāng)前實(shí)際電流值。    隱含層有九個(gè)神經(jīng)元（），隱含層各神經(jīng)元的輸入函數(shù)為：    隱含層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)函數(shù)為雙曲對數(shù)函數(shù)：    f(·)=1 / 1+expnetj+bj    (2)    輸出層有三個(gè)神經(jīng)元（

5、），網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元輸入函數(shù)為：    輸出層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)函數(shù)采取雙曲正切函數(shù)：    f(·)=1-exp-2(neti+bi / 1+exp-2neti+bi)    (4)    網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)輸出、經(jīng)過增益即為被控對象的控制輸入，記為、。被控對象的輸出為實(shí)際電流值、。 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方法和步驟    網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練條件是除需提供足夠的輸入訓(xùn)練樣本外，還要有合理的與輸入樣本對應(yīng)的輸出目標(biāo)值，即輸入與輸出之間客觀地存在著用解析方法難以描述的映射關(guān)系，

6、而網(wǎng)絡(luò)離線訓(xùn)練的目的就是要找到合適的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和以滿足這種映射關(guān)系。對于本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練來說，首先就要找到輸入樣本、與輸出的調(diào)節(jié)量（網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)值）、的映射域。這可以在現(xiàn)場實(shí)測取得數(shù)據(jù)。但我們采用了與實(shí)際相符的模擬方法，利用網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練本身的功能找到輸出輸入的映射關(guān)系，這也就是網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的第一步。在第一步的訓(xùn)練中要包括被控對象，被控對象的模型處理如下：    考慮到電弧爐在平衡點(diǎn)附近工作時(shí)，認(rèn)為進(jìn)線電壓基本不變，這樣爐內(nèi)各種因素引起弧流的變化最終歸結(jié)為阻抗的變化，在這種條件下，用電路理論可以建立電弧爐三相阻抗與三相不平衡電流之間的一組非線性方程：  &#

7、160; 式（）中：、分別為、相線電流值；、為三相形連接的阻抗值；三相線電壓。若已知三相電流值可通過解此非線性方程組求得三相阻抗值。有了式（）被控對象的仿真模型，就可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的第一步。. 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的第一步求取網(wǎng)絡(luò)輸出輸入樣本的映射集    在第一步的訓(xùn)練中，包括被控對象在內(nèi)，進(jìn)行單點(diǎn)樣本訓(xùn)練。網(wǎng)絡(luò)輸入一點(diǎn)的三相電流偏差樣本、，通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練使三相輸出電流消除偏差，這時(shí)記錄下網(wǎng)絡(luò)的輸出控制量、。這便找到了網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)樣本的輸出輸入映射，對整個(gè)樣本空間均如此映射便得到映射集。    控制器輸出的控制量在實(shí)際當(dāng)中是電極升降的調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)電極

8、的最終結(jié)果是使三相阻抗恢復(fù)平衡以達(dá)到電流平衡的目的，在模擬系統(tǒng)中無法處理和表達(dá)電極位置和弧流之間的關(guān)系。模擬過程采用了這樣的處理方法：已知三相不平衡線電流可由式解出三相不平衡阻抗，通過改變進(jìn)線電壓值也可使電流恢復(fù)平衡，其效果與調(diào)節(jié)電極是一樣的。在單點(diǎn)訓(xùn)練中網(wǎng)絡(luò)就是在不斷地修改權(quán)值以尋求使三相線電流恢復(fù)平衡狀態(tài)所需的三相線電壓、。而網(wǎng)絡(luò)的輸出的調(diào)節(jié)量、（相對值）就表示了電極的位移量和升降方向，所有的輸入樣本訓(xùn)練完之后也就得到了網(wǎng)絡(luò)成批訓(xùn)練的目標(biāo)集。. 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的第二步得到控制器模型    在第二步訓(xùn)練中去掉被控對象，利用第一步已取得的輸出輸入樣本映射數(shù)據(jù)作為輸入輸出矢量對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行成批訓(xùn)練，便得到了兩層網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)矩陣即控制器模型。    輸入樣本按目標(biāo)值±范圍選取，三相電流偏差組合共用了組樣本值。在訓(xùn)練誤差小于且對學(xué)習(xí)速率、動量因子進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整之后，網(wǎng)絡(luò)的收斂性令人滿意。 系統(tǒng)仿真    為了檢驗(yàn)三相電弧爐神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的性能，作者進(jìn)行了大量的仿真研究。圖是利用的（ ）工具進(jìn)行圖形仿真的結(jié)果。仿真輸入數(shù)據(jù)為樣本域內(nèi)的任意隨機(jī)量，三相電流目標(biāo)值設(shè)定為，設(shè)采樣周期為秒，即每隔秒用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生一組異常三相電流值，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)