基于數(shù)據(jù)挖掘的擠塑成型溫度預測驗證

陳 梅，孫 筱，張 隆，黃朝華

（1. 烏魯木齊職業(yè)大學 信息工程學院，烏魯木齊 830002；2. 新疆工程學院 機械系，烏魯木齊 830091；3. 新疆應用職業(yè)技術(shù)學院，奎屯 833200）

基于數(shù)據(jù)挖掘的擠塑成型溫度預測驗證

陳 梅1，孫 筱2，張 隆2，黃朝華3

（1. 烏魯木齊職業(yè)大學 信息工程學院，烏魯木齊 830002；2. 新疆工程學院 機械系，烏魯木齊 830091；3. 新疆應用職業(yè)技術(shù)學院，奎屯 833200）

0 引言

擠塑成型是借助螺桿的擠壓作用，將塑料加熱成熔融粘流態(tài)并推動其通過模具而成為截面與模具形狀相同的連續(xù)體的一種成型方法[2]。影響擠塑成型產(chǎn)品斷面尺寸的主要因素是融熔塑料溫度、壓力及擠出速度。擠塑成型機筒的加熱過程如圖1所示，顆粒狀塑料從加料筒進入機筒，在擠出機螺桿的作用下，螺桿的螺旋槽將塑料向前輸送，塑料逐漸熔融。在機筒內(nèi)從進料口到出料口擠塑成型熔體溫度是成增量分布的，通常將機筒分為三段，即加料段、壓縮段和均化段，其中均化段的溫度直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量[5]。現(xiàn)有的擠塑成型加熱設備中,采用的溫度控制方法以反饋控制為主，仍存在有溫度控制慣性滯后現(xiàn)象，因而擠塑成型生產(chǎn)過程中仍然存在因溫度控制不理想而出現(xiàn)次品的現(xiàn)象。根據(jù)擠塑成型過程中溫度變化特點，通過采集壓縮段溫度，利用數(shù)據(jù)挖掘中的多元線性回歸預測方法，實現(xiàn)對均化段溫度的預測。

圖1 擠塑成型加熱過程

1 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是從大量的數(shù)據(jù)中挖掘知識，其過程是一個從已知數(shù)據(jù)集合中發(fā)現(xiàn)各種模型、規(guī)則、關(guān)聯(lián)的過程[1,7]。根據(jù)挖掘的任務不同，數(shù)據(jù)挖掘可以分為分類或預測模型發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)聚類、關(guān)聯(lián)規(guī)則發(fā)現(xiàn)、異常和趨勢發(fā)現(xiàn)等，預測模型發(fā)現(xiàn)中又分線性回歸預測和非線性回歸預測[3]。

1.2 多元線性回歸預測

一般地，如果因變量y與k個自變量x1,x2,… ,xk之間存在線性關(guān)系，則：

n個觀測值 (xi1,xi2,…xik,yi),i= 1 ,2,…n滿足（1）式，即：

系數(shù)向量β的最小二乘估計為：

2 擠塑成型溫度預測的試驗方案

實際擠塑成型機筒是鋼管，其內(nèi)表面采用了滲氮處理，致使機筒內(nèi)壁非常的堅硬耐磨，如果在其中段處用接觸式傳感器采集溫度，則必然使機筒遭破壞[6]。為了驗證本預測方案，我們按照擠塑成型溫度的實際變化情況及被加熱介質(zhì)的流動情況建立了試驗驗正方案。

2.1 試驗設計

在實際試驗過程中，為了便于反復測試與檢驗，主要使用與圖1的結(jié)構(gòu)相似的設備，加熱介質(zhì)為水，進行試驗數(shù)據(jù)的收集、分析和驗證。使用的硬件設備為：直徑10cm長度為150cm的模擬機筒、2個18b20防水型溫度傳感器、3組功率均為900w的加熱圈、渦輪流量計（用于采集水流速度）、固態(tài)繼電器、AT89S52單片機及PC機。試驗方案如圖2所示。

圖2 試驗方案分布

2.2 試驗數(shù)據(jù)的采集

模型中以PC機上的labview數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)為核心，借助AT89S52單片機將采集轉(zhuǎn)換后的溫度、速度和功率數(shù)據(jù)通過串口傳輸給PC機。模型中采用Access建立數(shù)據(jù)庫，在LabVIEW中通過LabSQL工具包實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作，采用改變功率參數(shù)和速度參數(shù)對加熱圈3和電磁閥實施控制，實現(xiàn)積累大量需要挖掘的數(shù)據(jù)樣本。采集到的原始樣本數(shù)據(jù)如表1所示。

采集到的樣本數(shù)據(jù)是以時間為序列進行采集，為了更好挖掘出同一熔體在采集點1和采集點2的對應溫度關(guān)系，以及找出功率、速度對溫度的影響力度，需要將數(shù)據(jù)進行預處理。數(shù)據(jù)預處理的工作分為兩部分，預處理后數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 原始樣本數(shù)據(jù)

表2 預處理后數(shù)據(jù)表

從原始數(shù)據(jù)表1中在T1時刻的溫度值1對應的熔體經(jīng)過一定時間后，在T（1+K）時刻該熔體的溫度值2形成對應關(guān)系，推算公式如下：

K為時間，單位為秒；

V12為采集點1與采集點2之間的容積，單位為立方厘米；

VS為熔體排出速度，單位為厘米每秒；

S為機筒截面積，單位為平方厘米。

將溫度值1和溫度值2對應后的表中將速度和功率數(shù)據(jù)進行無量綱化，這樣經(jīng)分析挖掘后得出的函數(shù)式才能反映出各參數(shù)的影響力度。

2.3 多元線性回歸分析

Labview中可以直接調(diào)用MATLAB文件進行高性能的數(shù)據(jù)分析和處理，本方案中將預處理后的樣本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為excel文件，導入到MATLAB回歸分析模塊進行分析,樣本數(shù)據(jù)3800個。

以均化段溫度y為因變量，壓縮段溫度x1、速度x2、加熱功率x3為自變量。套用式（3），展開式如下：

應用M a t l a b軟件作線性回歸，計算β?=(XTX)?1XTY。注意到數(shù)據(jù)樣本中速度的值在5到7之間，熔體在壓縮段測得溫度后經(jīng)過一定時間才到達均化段，所以均化段溫度變化應該與壓縮段溫度變化有一定延遲。通過比較壓縮段溫度與均化段溫度的變化情況可以估算出延遲時間τ。本方案采用向量范數(shù)衡量2個序列相似程度的方法驗證式（5）的合理性見圖3。

圖3 延遲時間

表3 時間與范數(shù)對應表

根據(jù)式（5）計算出的延遲時間均值K=60.762秒，而用向量范數(shù)的方法取τ=61秒，將壓縮段溫度與均化段溫度進行比較，發(fā)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集開始點到2000點的數(shù)據(jù)曲線差別較大，主要原因是這段時間機筒處于預熱和加料階段，機筒內(nèi)存在有部分空氣，故而溫度波動較大，但2000點以后數(shù)據(jù)吻合度很好（如圖4所示），說明K的值是有效的，驗證了式（5）。

圖4 壓縮段溫度與均化段溫度

調(diào)用函數(shù)regress(y,x)，可以得到系數(shù)β=[-7.9505 1.4782 -0.39464 0.00052034]，相關(guān)系數(shù)為R2= 0.8935， F統(tǒng)計量F=4036.7，p值p=0。

3 預測方程的確定與預測

3.1 溫度預測方程的R 和F檢驗

1）R檢驗

2）F檢驗

表4 溫度預測驗證表

表4(續(xù))

圖5 均化段實測溫度與計算溫度比較

3.2 溫度預測方程的驗證

在同一試驗條件下，再次采集2000組數(shù)據(jù)對溫度預測方程進行驗證，計算出均化段溫度，對照實際采集的均化段溫度進行誤差分析，得出以下數(shù)據(jù)，見表4和圖5。

4 結(jié)論

通過以上的試驗驗證可以得出以下結(jié)論:

1）采用預測模型發(fā)現(xiàn)中的多元線性回歸預測方法，針對采集到的壓縮段、均化段溫度數(shù)據(jù)，建立擠塑成型生產(chǎn)過程溫度預測方程是可行的。

2）從預測方程中可以看出x2的系數(shù)較大，即速度的變化對均化段的溫度影響幅度大， x3系數(shù)小，即加熱功率的變化對均化段的溫度影響幅度小，若在短時間內(nèi)較大幅度調(diào)整均化段溫度，優(yōu)先考慮調(diào)整速度，若在短時間內(nèi)較小幅度調(diào)整均化段溫度，則優(yōu)先考慮調(diào)整功率，為均化段的溫度控制提供了理論依據(jù)。

3）在實際中可以通過檢測的壓縮段熔體溫度、螺桿速度和均化段加熱器功率等參數(shù)，預測出均化段出口熔體溫度，為控制該處的溫度爭取到一定時間，為溫度控制提供了保證。

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Extrusion molding temperature forecasts based on verified data mining

CHEN Mei1, SUN Xiao2, ZHANG Long2, HUANG Zhao-hua3

擠塑成型生產(chǎn)過程中因溫度控制不理想而產(chǎn)生次品較多,針對這一現(xiàn)象提出利用LabVIEW實時采集大量擠塑成型機筒壓縮段出口處、均化段出口處的塑料熔融溫度，借助數(shù)據(jù)挖掘中的多元線性回歸預測方法，挖掘出熔體在壓縮段和均化段溫度變化的函數(shù)關(guān)系，通過采集壓縮段溫度，預測均化段出口處熔體溫度,為擠塑成型溫度預控提供數(shù)據(jù)支持。該方案通過大量的試驗數(shù)據(jù)，驗證了基于數(shù)據(jù)挖掘的擠塑成型機筒溫度預測方案的可行性。

多元線性回歸；labVIEW；數(shù)據(jù)挖掘；溫度預測

陳梅（1979 -），女，重慶人，講師，碩士，研究方向為計算機應用技術(shù)。

TP29

A

1009-0134(2014)05(下)-0083-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).23

2014-02-19

新疆維吾爾自治區(qū)教育廳重點科研項目（2011JYT011412）；新疆維吾爾自治區(qū)科技援疆項目（2013911035）