[发明专利]挤压成形温度场时空分离建模与均匀性评估系统及方法

权利要求书

1.一种挤压成形温度场时空分离建模与均匀性评估系统，其特征在于，包括：

挤压机出口温度数据采集模块：通过若干个红外温度传感器来采集坯料在挤压机出口处产品不同位置的温度场数据，再通过I2C总线将电信号传输至单片机，STM32单片机能快速采集挤压机出口处产品某个位置的温度，再计算出挤压筒内变形区坯料端面温度并传输到时空分离建模模块；

挤压成形温度数据仿真模块：利用有限元仿真软件对挤压过程进行仿真，从而得到挤压成形过程中在挤压筒内部的温度场分布数据；

时空分离建模模块：使用局部线性嵌入算法和梯度下降中的Adam算法对挤压成形温度数据仿真模块传入的温度场数据进行时空分离建模与时空合成，使之能够通过采集到的挤压机出口处产品温度场数据，预测得到挤压成形过程中在挤压筒内部的温度场分布数据；

温度场均匀性评估模块：定义温度场均匀性系数，计算时空分离建模系统预测得到的温度场数据与理想的温度场数据的均方误差(MSE)，根据温度场均匀性系数值的大小评估温度场均匀性，温度场均匀性系数的值越小，说明理想值与时空分离建模系统的预测值数据间的误差越小，即产品的组织、性能、生产效率越符合生产要求；

所述挤压机出口温度数据采集模块使用STM32单片机和红外温度传感器实现对温度的测量，红外温度传感器将检测到的温度数据转换为电信号，并通过I2C总线技术将电信号传输至单片机，STM32单片机能快速采集挤压机出口处产品某个位置的温度，再根据公式(1)计算出挤压筒内变形区坯料端面温度并传输到时空分离建模模块；

T_b表示出挤压筒内变形区坯料端面温度，T表示采集到的挤压机出口处产品不同位置的温度，为挤压变形入口处的速度；

所述时空分离建模模块使用局部线性嵌入LLE算法对挤压成形温度数据仿真模块得到的数据进行降维实现空间基函数的时空分离，LLE算法假设在局部领域内数据点是线性的，所以邻域内任意一点可用局部近邻点来线性表示，LLE算法是由重构成本函数最小化求出最优权值，各点的局部邻域权值能够在多尺度变换下仍保持不变，因此使用LLE算法降维后得到的最优空间基函数依然保持了数据的局部特征；

然后再将时空分布数据通过LLE算法得到的最优空间基函数进行投影获得低阶时序模型，再使用梯度下降的优化算法Adam算法近似得到低阶动态时序模型；最后集成辨识出的神经网络模型与空间基函数重构出全局的时空模型；使用低阶模型来预测输出，集成低阶输出与空间基函数便可以获得全局的时空预测输出；

所述使用局部线性嵌入LLE算法对挤压成形温度数据仿真模块得到的数据进行降维实现空间基函数的时空分离，具体包括以下步骤：

首先，根据挤压机出口温度数据采集模块和挤压成形温度数据仿真模块得到的挤压成形过程中挤压机出口处产品不同位置的温度和挤压成形过程中在挤压筒内部的温度场分布数据，使用基于数据的LLE方法获得合适阶数的空间基函数；

假设通过仿真或者实时实验获得的时空分布数据为{T(S,t_k)|S∈Ω,S＝1,...,n_s,k＝1,...,n_t}，其中n_s和n_t分别表示时空数据在空间方向和时间方向的数据点个数，S表示空间坐标，t_k表示不同时间点，T(S,t_k)表示时空变量，k表示不同数据点，局部线性嵌入算法的目的就是寻找一系列的单位正交空间基函数用来时空分离；

根据傅里叶变换，时空变量T(S,t)可以写成时空分离的形式， 如下：

其中a_i(t)表示与空间基函数相对应的低阶时序系数，实际应用中，对于抛物型分布参数系统，可以分解为有限维慢动态和无限维快动态，其中有限维的慢动态代表着系统的主要动态，因此可以忽略无限维快动态的影响，因此公式(2)可以写成有限维形式：

根据快照法，假设空间基函数可以写成时空数据的线性组合形式：

其中γ_ik表示高维空间的低维嵌入，因此，可以通过LLE算法学习γ_ik，从而获得空间基函数；

当空间基函数得到以后，低阶时序模型便可以通过投影来获得，如下形式：

其中尖括号表示内积，当低阶时序数据获得以后，下一步则是低阶动态建模，使用神经网络中的Adam模型来近似低阶动态模型；

最后集成辨识出的神经网络模型与空间基函数重构出全局的时空模型，使用低阶模型来预测输出集成低阶输出与空间基函数便可以获得全局的时空预测输出：

模型训练完成之后，STM32单片机传入挤压筒内变形区坯料端面温度数据输入数据，便能获得时空预测输出得到挤压成形过程中在挤压筒内部的温度场分布数据。