基于神经网络预测的扒谷集尘联动启停方法与流程

本发明涉及仓储除尘控制，具体为基于神经网络预测的扒谷集尘联动启停方法。

背景技术：

1、在散粒物料的仓储作业中，扒谷机常用于物料的出库与翻倒，其切削作业会产生粉尘，因此需要配备集尘系统。现有技术中，扒谷机与集尘风机通常采用基础的联动启停控制，即在接收到作业指令时，通过预设的固定时间间隔依次启动集尘风机和扒谷切削部件，并在作业结束时按照设定的时间差依次停止两者，以控制作业环境的粉尘浓度。

2、该控制逻辑的集尘运行参数多基于设计值进行静态运行，缺少结合物料静态物理属性与实时切削状态的前馈调节机制。在处理粉尘发生量较小的物料时，系统维持额定参数运行会产生多余的能耗；在处理高含水率物料时，固定的抽吸参数难以适应物料特性的变化，粉尘容易在管网内部发生粘附和积聚，影响集尘通道的畅通性。

3、集尘管网的气动阻抗会随作业过程发生动态变化，但在常规工业环境中直接布置流体传感器测量管网阻力的维护成本较高，导致控制系统无法获取实时的阻抗数据来修正联动延迟时间。系统采用的恒定启停延迟时间无法适配变频设备在不同运行频率下的动态电气响应，导致在启动阶段风压流场尚未完全建立时即开始切削物料，造成初始粉尘外溢；在停止阶段，风场抽吸动作与切削动作停止的时序衔接不够准确，容易导致管道内遗留残余粉尘。

4、因此，本发明提供了一种基于神经网络预测的扒谷集尘联动启停方法，以解决现有技术中存在的不足之处。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了基于神经网络预测的扒谷集尘联动启停方法，解决了现有扒谷集尘系统的启停控制采用固定时间约束的开环逻辑，未结合物料状态与管网阻力进行前馈调节，导致作业起步阶段产生初始粉尘外溢、高湿物料引发粉尘管壁粘附积聚，以及因管网阻力难以直接测量导致系统缺乏联动延时修正依据的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明第一方面提供一种基于神经网络预测的扒谷集尘联动启停方法，应用于包括扒谷切削单元、集尘风机单元和集尘管网的扒谷集尘系统，包括如下步骤：

4、控制扒谷切削单元执行预探测动作，提取交轴电流高频谐波分量作为动态机械特征参数，将动态机械特征参数与获取的静态物性特征参数组合生成系统状态特征向量；

5、将系统状态特征向量输入预测神经网络模型输出预期粉尘发生量指数和粉尘管壁粘附倾向指数，将预期粉尘发生量指数转换为初始运行频率，在粉尘管壁粘附倾向指数达到预设风险阈值时将初始运行频率修正为目标运行频率，在目标运行频率小于最低临界频率阈值时将最低临界频率阈值作为目标运行频率，在粉尘管壁粘附倾向指数未达到预设风险阈值时将初始运行频率作为目标运行频率；

6、根据目标运行频率和集尘管网的当前动态气动阻抗系数计算总体气动延迟时间，按目标运行频率控制集尘风机单元启动，经过总体气动延迟时间后控制扒谷切削单元启动，将集尘风机单元启动至扒谷切削单元启动的时序阶段作为时序窗口；

7、获取时序窗口内集尘风机单元的电磁转矩序列和实际转子角速度序列进行动力学解耦，提取非线性附加分量更新当前动态气动阻抗系数；

8、接收停机指令，控制扒谷切削单元停止，在扒谷切削单元停止经过预设停机延时时间后，控制集尘风机单元停止。

9、进一步的，预测神经网络模型的运行过程包括：通过动态特征处理流接收包含交轴电流高频谐波分量的动态机械特征参数，利用双向长短期记忆网络处理动态机械特征参数输出动态特征序列，由动态特征序列生成键向量和值向量；通过静态特征处理流接收静态物性特征参数，利用多层感知机处理静态物性特征参数输出静态特征向量，由静态特征向量生成查询向量；计算查询向量与键向量的点积，利用归一化指数函数生成注意力权重矩阵，将注意力权重矩阵与值向量进行加权求和生成高阶交叉特征张量；将高阶交叉特征张量输入输出层，映射输出预期粉尘发生量指数和粉尘管壁粘附倾向指数。

10、在本发明的一个优选实施例中，预测神经网络模型的训练步骤包括：获取无标签空载运行数据，基于无标签空载运行数据对多模态特征融合与预测神经网络模型内的降维编码网络进行无监督预训练；利用合成少数类过采样技术在特征空间内插值生成虚拟工况样本；构建加权平滑平均绝对误差损失函数，在计算粉尘管壁粘附倾向指数的梯度反向传播时，对预测值低于真实标签值的误差乘以预设惩罚放大系数；采用带有动量衰减的自适应矩估计优化算法进行有监督微调训练，在训练收敛后对网络权重矩阵执行整型量化操作。

11、进一步的，提取交轴电流高频谐波分量作为动态机械特征参数，将动态机械特征参数与获取的静态物性特征参数组合生成系统状态特征向量，包括：获取包含交轴电流高频谐波分量的离散时域序列与瞬态电磁转矩序列，将离散时域序列与瞬态电磁转矩序列组合为二维特征矩阵；将二维特征矩阵输入一维卷积自编码器进行特征降维，提取得到动态隐空间向量，将动态隐空间向量作为动态机械特征参数；将动态机械特征参数与包含入库存储周期数据及抽样含水率数据的静态物性特征参数按照预设维度顺序进行拼接，执行线性归一化处理生成系统状态特征向量。

12、在本发明的一个优选实施例中，在粉尘管壁粘附倾向指数达到预设风险阈值时将初始运行频率修正为目标运行频率，在目标运行频率小于最低临界频率阈值时将最低临界频率阈值作为目标运行频率，包括：基于粉尘管壁粘附倾向指数查找预设映射表确定预设下降惩罚系数；将初始目标运行频率乘以预设下降惩罚系数生成候选目标运行频率；比较候选目标运行频率与最低临界频率阈值，在候选目标运行频率大于最低临界频率阈值时，将候选目标运行频率作为目标运行频率；在候选目标运行频率不大于最低临界频率阈值时，将最低临界频率阈值作为目标运行频率。

13、进一步的，根据目标运行频率和集尘管网的当前动态气动阻抗系数计算总体气动延迟时间，通过如下公式计算：

14、；

15、式中，为总体气动延迟时间，为目标运行频率，为加速斜率设定值，为当前动态气动阻抗系数，为基础流体时间常数。

16、在本发明的一个优选实施例中，获取时序窗口内集尘风机单元的电磁转矩序列和实际转子角速度序列进行动力学解耦，通过如下公式构建累计净气动做功函数：

17、；

18、式中，为时刻的累计净气动做功函数，为时序窗口起始时刻，为时序窗口内的当前采样时刻，为风机电机瞬态电磁转矩，为实际转子角速度序列变量，为集尘风机单元的系统转动惯量，为时刻的实际转子角速度为起始时刻的实际转子角速度。

19、进一步的，提取非线性附加分量更新当前动态气动阻抗系数，包括：对累计净气动做功函数进行差分计算得到瞬态净气动功率，将瞬态净气动功率除以对应时刻的实际转子角速度生成气动阻力转矩序列；将气动阻力转矩序列相对于实际转子角速度序列进行二次多项式拟合，提取拟合结果中的二次项系数作为当前阻力系数；计算当前阻力系数相对于洁净管网基准阻力系数的差分归一化比值，将差分归一化比值作为非线性附加分量。

20、在本发明的一个优选实施例中，提取非线性附加分量更新当前动态气动阻抗系数，还包括：采用指数加权移动平均算法计算上一动态气动阻抗系数与非线性附加分量的融合值；在融合值不超过预设最大阻抗系数时，将融合值作为当前动态气动阻抗系数；在融合值超过预设最大阻抗系数时，将预设最大阻抗系数作为当前动态气动阻抗系数。

21、进一步的，在预探测动作未提取到交轴电流高频谐波分量时，调用本地非易失性存储器中记录的上一作业批次同类物料的动态机械特征历史均值作为动态机械特征参数，将总体气动延迟时间加上预设安全延迟裕量作为更新后的总体气动延迟时间。

22、本发明第二方面提供一种基于神经网络预测的扒谷集尘联动启停系统，包括物理执行模块、变频驱动模块、逻辑控制模块和边缘计算模块；

23、物理执行模块包括扒谷切削单元、集尘风机单元以及集尘管网；集尘管网连接于集尘风机单元与作业点吸尘罩口之间，并包括水平主干管、扩径沉降段和末端集尘斗；扩径沉降段和末端集尘斗用于接收在气流动能降低后沉降的高湿高粘性粉尘，水平主干管用于形成连续的粉尘输送通道；

24、变频驱动模块与物理执行模块电连接，包括用于驱动扒谷切削单元的主传动变频器，以及用于驱动集尘风机单元的风机变频器；主传动变频器和风机变频器均配置有磁场定向控制回路，磁场定向控制回路用于在电机运行过程中解析电磁转矩、定子电流和转子角速度运行参数；

25、逻辑控制模块与变频驱动模块通信连接，用于向主传动变频器和风机变频器下发运行控制指令，并对扒谷切削单元的启动指令执行时序锁存和延时释放；

26、边缘计算模块通过数据通信总线与逻辑控制模块连接；数据通信总线还分别连接主传动变频器和风机变频器，使边缘计算模块能够读取主传动变频器和风机变频器的运行参数，并使逻辑控制模块能够向主传动变频器和风机变频器发送控制指令；边缘计算模块内存储有多模态特征融合与预测神经网络模型，并设有网络通信接口，网络通信接口用于获取外部仓储管理系统中的物料静态属性参数；边缘计算模块用于根据获取的运行参数和物料静态属性参数执行工况预测、频率计算以及气动阻抗解耦运算，以实现上述第一方面任一项的基于神经网络预测的扒谷集尘联动启停方法。

27、本发明提供了基于神经网络预测的扒谷集尘联动启停方法。具备以下有益效果：

28、1.本发明通过控制扒谷切削单元执行预探测动作，提取交轴电流高频谐波分量并结合静态物性参数，输入预测神经网络模型输出预期粉尘发生量指数和管壁粘附倾向指数，进而转换为目标运行频率。该设计在连续扒谷作业前预先计算了设备所需的运行参数，避免了系统采用固定运行参数时出现的低负荷工况能耗浪费问题，同时也防止了高含水率物料引发的管网堵塞。

29、2.本发明利用集尘风机优先启动与扒谷切削单元延后启动形成的时序窗口，获取该时序窗口内风机的电磁转矩序列和实际转子角速度序列进行动力学解耦运算。该过程剥离了机械转动惯量影响并提取出纯气动做功分量，在不增设外部流体传感器的硬件条件下计算出管网的实时阻抗状态，为下一次联动启停总体气动延迟时间的计算提供了动态更新依据。

30、3.本发明根据目标运行频率和集尘管网的当前动态气动阻抗系数计算总体气动延迟时间，并以此作为联动启停时序的控制基准。该方式将风机的电气响应时间与管网的气动传导时间相结合，保证了启动阶段风压流场先于粉尘切削动作建立，停止阶段物料切削动作先于风场抽吸停止，克服了常规恒定延时设置无法适配变频设备动态响应速率的缺陷。