一种超高强板带精整工艺参数多目标优化方法及系统

本发明属于带钢精整，尤其涉及一种超高强板带精整工艺参数多目标优化方法及系统。

背景技术：

1、带钢具有形状简单、可加工性强、使用灵活方便等特点，是对国民经济具有特别重要意义的产品，广泛用于汽车、家电、轻工业及建筑等领域。近几年来,中国带材产量占世界比重显著增长，市场竞争激烈，尤其是随着“制造强国”的推进，中国的制造工业正在向着高标准、高技术方向快速发展，而如今带材生产将面临高质量和高需求的挑战，希望能在生产过程中能考虑工作辊载荷和节约生产能耗，同时也能提高带钢质量。

2、在多数工业国家中，制造业能耗约占全国的30％-50％，由于能源消耗强度不断增加，能源消耗对环境的影响日益突出，合理设置精整工艺参数对降低能耗、降低弯曲辊组工作辊的载荷以及确保带钢产品的质量至关重要。所以，解决这些问题的核心在于建立一个以精整过程能耗和弯曲辊工作辊载荷为目标优化精整工艺参数优化方法，不仅能促进矫直机的节能减排，而且对于推进制造业的绿色发展具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超高强板带精整工艺参数多目标优化方法及系统，以平衡工艺能耗和弯曲辊载荷为目标，开展了精整工艺参数的多目标优化。

2、本发明是这样实现的，一种超高强板带精整工艺参数多目标优化方法，包括以下步骤：

3、s1，通过精整工艺实验建立响应面模型，建立工艺参数与带钢延伸率之间的关系，在多目标优化模型中将延伸率作为约束条件；

4、s2，建立包括带钢变形功率、摩擦功率和空转功率的能耗模型；

5、s3，对弯曲辊载荷进行仿真模拟，根据虚拟实验结果建立弯曲辊载荷与工艺参数的关系；

6、s4，建立考虑能耗和载荷均衡的多目标优化模型，并采用nsga-ⅱ算法对上述建立的工艺参数多目标优化模型进行求解，获得两组pareto解集，两组解集分别为考虑载荷均衡和不考虑载荷均衡的条件下，能耗与载荷均衡优化路径。

7、进一步，所述s1中建立响应面模型包括：

8、s11，选取对精整过程能耗和弯曲辊载荷影响较大的工艺参数作为设计变量：弯曲辊插入量ⅰ、弯曲辊插入量ⅱ、张力，设计变量个数3-4个为宜；

9、s12，确定因素水平，采用ccc(中心外切复合)方法确定实验矩阵并建立多项式模型；

10、s13，对拟合模型进行方差分析并效验。

11、进一步，对拟合模型进行方差分析并效验的方法包括以下具体步骤：

12、(1)根据“p-value”和“f-value”，剔除不显著的项之后，重新拟合延伸率模型，所述“p-value”＜0.05表示因子的显著影响，“f-value”反映影响程度；

13、(2)“lack offit”表示所拟合模型是否准确描述了实验数据，“p-value”大于0.05则认为实验结果得到了很好的描述；

14、(3)效验，计算用于衡量回归模型拟合程度和预测性能的统计指标的r2及其衍生的r2(adj)和r2(pred)；

15、

16、

17、其中：n是样本大小，k是模型中自变量的数量；

18、(4)根据计算所得进行判断，r2的取值范围在0到1之间，越接近1表示模型越能够解释因变量的变异，而越接近0表示模型的解释能力较弱。

19、进一步，所述s2中精整过程中的工艺能耗模型如下式(3)：

20、p＝2pf-out+pf-roll+pl+pd    (3)

21、

22、

23、

24、pl＝(1-η1η2···ηj)tv    (7)

25、其中，pf-out为出口的张力辊组摩擦功率，pf-in为入口张力辊组摩擦功率，pl为由进出口的张力辊组引起的传动系统中的空转功率，pf-roll为支撑辊摩擦功率，pf-out为弯曲辊过程中的变形功率，其中pf-out和pf-in相等；to为张力辊组处所受张力(kn),μ1为张力辊轴颈与轴承之间的摩擦系数，d1为张力辊轴颈直径(mm)，n1为张力辊转速(r/min),t为工作段张力值(kn)，j为张力辊个数，θ为张力辊包角(°)，μ2为支撑辊轴颈与轴承之间的摩擦系数，d2为支撑辊轴颈(mm)，n2为支撑辊转速(r/min)，f为支撑辊辊面摩擦系数，m为支撑辊个数，为支撑辊与工作辊之间的度数(°)，f为带钢对工作辊的力(kn)，ηj为第j个张力辊的传动效率，v为工作段带钢运行速度(m/s)。

26、进一步，根据应力-应变关系分析，分别计算出单边塑性变形的功率pda和双边塑性变形的功率pdb，其中设定两个变量为：∈＝e/h,ζ＝d/h,e为中性层偏移量，d为弹性区域高度，h为带材厚度；根据∈和1-ζ的大小判断变形方式，当∈＜1-ζ时为双边塑性变形，反之当∈＞1-ζ时为单边塑性变形；

27、

28、

29、进一步，所述s3中建立弯曲辊载荷与工艺参数的关系包括：

30、s31，使用对拉弯矫直过程进行模拟；

31、s32，根据ccc(中心外切复合)设计的实验组进行仿真虚拟实验；

32、s33，使用响应面分析法建立多项式模型并效验。

33、进一步，使用响应面分析法建立多项式模型并效验的方法包括以下具体步骤：

34、1)根据“p-value”和“f-value”，剔除不显著的项之后，重新拟合延伸率模型，所述“p-value”＜0.05表示因子的显著影响，“f-value”反映影响程度。

35、2)“lack offit”表示所拟合模型是否准确描述了实验数据，“p-value”大于0.05则认为实验结果得到了很好的描述。

36、3)效验，计算用于衡量回归模型拟合程度和预测性能的统计指标的r2及其衍生的r2(adj)和r2(pred)。

37、进一步，所述s4中建立两个双目标优化模型并求解的包括：

38、s41，建立考虑载荷均衡的多目标优化模型，约束延伸率值为a1；约束两个弯曲辊组工作辊单元之间的约束载荷为a2；该模型具体如下式所示：

39、

40、s42，建立不考虑载荷均衡的普通多目标优化模型，目标函数同样为求解能耗和两组弯曲辊载荷最小值，约束带钢延伸率为a1，同时约束两组插入量相等；该模型具体如下式所示：

41、

42、其中：p(xi)为能耗模型表达式，l1(xi),l2(xi)分别表示两组弯曲辊载荷计算的表达式，y(xi)表示延伸率计算的表达式，x1,2为弯曲辊插入量(mm)，x3为张力(kn)；

43、s43，应用nsga-ⅱ算法求解两个双目标优化问题，得到两组pareto解集。

44、本发明的另一目的在于提供一种超高强板带精整工艺参数多目标优化方法的超高强板带精整工艺参数多目标优化系统，该系统包括：

45、响应面模型建立模块，用于通过精整工艺实验建立响应面模型，建立工艺参数与带钢延伸率之间的关系，在多目标优化模型中将延伸率作为约束条件；

46、能耗模型建立模块，用于建立包括带钢变形功率、摩擦功率和空转功率的能耗模型；

47、仿真模拟模块，用于对弯曲辊载荷进行仿真模拟，根据虚拟实验结果建立弯曲辊载荷与工艺参数的关系；

48、多目标优化模型建立模块，用于建立考虑能耗和载荷均衡的多目标优化模型，并采用nsga-ⅱ算法对上述建立的工艺参数多目标优化模型进行求解，获得两组pareto解集。

49、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

50、第一，本发明能够得到考虑能耗和载荷均衡的精整工艺的最佳参数配置方案。本发明能够在确保带钢质量的同时降低能耗提高设备的使用寿命。

51、本发明提供的超高强板带精整工艺参数多目标优化系统通过结合响应面模型、能耗模型、仿真模拟模块和多目标优化模型，实现了对超高强板带精整工艺参数的全面优化。这种优化不仅考虑了带钢的延伸率，还兼顾了能耗和载荷均衡等多个目标，从而显著提高了工艺效率和产品质量，降低了生产成本。

52、具体而言，该系统的主要技术进步包括：

53、1.响应面模型建立：通过精整工艺实验建立响应面模型，能够精确地描述工艺参数与带钢延伸率之间的关系。这种模型的建立使得在后续的优化过程中，可以更加准确地预测不同工艺参数下带钢的延伸率，为优化决策提供了有力支持。

54、2.能耗模型建立：系统建立了包括带钢变形功率、摩擦功率和空转功率的能耗模型，使得在优化过程中可以全面考虑能耗因素。这有助于降低生产过程中的能源消耗，提高能源利用效率，进而降低生产成本。

55、3.仿真模拟模块：通过对弯曲辊载荷进行仿真模拟，系统能够准确地预测不同工艺参数下弯曲辊的载荷情况。这种预测为优化工艺参数提供了重要依据，有助于避免实际生产中出现的载荷过大或过小的问题，保证生产的稳定性和安全性。

56、4.多目标优化模型建立：系统建立了考虑能耗和载荷均衡的多目标优化模型，并采用nsga-ⅱ算法进行求解。这种优化方法能够同时考虑多个目标，并求得一组pareto解集，为决策者提供了更多的选择空间。与传统的单目标优化方法相比，这种方法能够更全面地考虑问题，获得更加合理的优化结果。

57、该超高强板带精整工艺参数多目标优化系统通过综合运用响应面模型、能耗模型、仿真模拟模块和多目标优化模型等技术手段，实现了对工艺参数的全面优化。这不仅提高了生产效率和产品质量，还降低了生产成本和环境污染，具有显著的技术进步和实际应用价值。

58、第二，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：

59、这种超高强板带精整工艺参数多目标优化方法及系统填补了国内外业内关于超高强板带生产工艺方面的技术空白。在过去，针对超高强度板材的生产工艺优化往往局限于单一指标或单一参数的优化，缺乏多目标综合考虑的综合优化方法。通过本发明提出的多目标优化方法及系统，可以同时考虑多种工艺参数之间的综合影响，实现多个目标之间的平衡，从而提高超高强度板带的生产效率和质量。

60、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

61、在超高强板带生产领域，由于复杂的工艺参数之间相互影响，传统的优化方法往往无法很好地实现全面的效果。本发明的超高强板带精整工艺参数多目标优化方法及系统提出了一种全新的、综合考虑多个目标和参数之间关系的优化思路，填补了过去的技术空白，有望改变传统生产方式带来的困难和局限，从而取得了实质性突破。因此，本发明的出现对于解决长期存在的技术难题具有重要意义。

62、第三，本发明实施例提供的超高强板带精整工艺参数多目标优化方法展现了显著的技术进步，主要体现在以下几个方面：

63、1.综合性能与能耗优化：通过建立响应面模型，将带钢延伸率、能耗(包括带钢变形功率、摩擦功率和空转功率)以及弯曲辊载荷等关键性能指标纳入多目标优化模型，实现了综合性能与能耗的双重优化。这种方法有效平衡了产品性能与生产效率，对提高超高强板带精整工艺的整体优化水平具有重要意义。

64、2.仿真模拟与实验数据结合：通过对弯曲辊载荷进行仿真模拟并结合精整工艺实验数据，建立了更为准确的模型，这种仿真与实验数据的结合提高了模型的预测准确性和实用性。

65、3.多目标优化算法的应用：采用nsga-ⅱ算法对多目标优化模型进行求解，获得了考虑载荷均衡和不考虑载荷均衡条件下的优化路径。这种算法的应用使得在众多可能的解决方案中能够找到最佳的平衡点，为工艺参数的优化提供了高效的解决方案。

66、4.pareto解集的获取：通过多目标优化获得的两组pareto解集提供了在不同优化条件下的最优选择，为工艺设计人员提供了丰富的决策支持，使得在实际生产中能够根据具体条件灵活选择最合适的工艺参数配置。

67、5.提升生产效率和降低成本：通过优化工艺参数，减少能耗和确保载荷均衡，不仅可以提升生产效率，还有助于降低生产成本，对于提高企业的市场竞争力具有重要意义。

68、本发明实施例的超高强板带精整工艺参数多目标优化方法，通过精确的模型建立、高效的优化算法应用以及实用的优化结果输出，实现了超高强板带精整工艺的性能和效率的显著提升，对于相关领域的技术发展具有重要的推动作用。