一种基于智能检测的离心加速度场下定向组织生长系统的制作方法

本发明涉及离心加速度场下定向组织生长系统控制，具体涉及一种基于智能检测的离心加速度场下定向组织生长系统。

背景技术：

1、离心加速度场下定向组织生长系统工艺利用离心机高速旋转产生的超重力场，促进凝固过程中固液界面推进、溶质偏析、气泡排出及熔体对流等物理过程按预期方向进行。现有方案采用多频涡流检测线圈阵列对凝固区域进行非接触在线监测，将全频段涡流阻抗信号经主成分分析降维后送入异常检测模型，输出统一异常度评分。

2、然而，上述方案存在以下问题。第一，主成分分析将不同物理过程贡献的阻抗变化混合至同一组主成分中，检测结果无法区分异常来源于哪种物理过程，而不同类型异常所需的干预策略存在差异甚至相互矛盾，导致多种异常并发时无法给出正确的复合干预方案。第二，离心机转速瞬态波动引起的重力加速度动态变化会造成涡流阻抗谱各频率通道基线的系统性偏移，使基于稳态标定的异常检测在所有物理过程上同时产生虚假报警。第三，重力瞬变对不同物理过程的影响存在显著的响应时间常数差异，纯反馈控制架构因热惯性延迟无法针对各物理过程进行差异化的精细调控。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于智能检测的离心加速度场下定向组织生长方法，解决相关技术中离心加速度场下定向组织生长系统过程中重力变化引起的涡流检测基线漂移、多物理过程通道异常难以分离识别以及控制干预时序与扰动传播不匹配的技术问题。

2、本发明公开了一种基于智能检测的离心加速度场下定向组织生长系统，包括：同步采集多频涡流检测线圈阵列的全频段涡流阻抗谱数据和离心机角速度数据，根据角速度数据计算重力加速度状态参数；

3、对各轴向位置的阻抗频率响应曲线执行多洛伦兹型分量参数化分解，确定各分量的中心频率、峰值幅度和半峰宽参数，基于各分量中心频率对应的趋肤深度将各分量归属至物理过程通道，获取多通道分量参数时间序列；

4、基于重力加速度状态参数和各通道重力敏感度系数矩阵，逐通道扣除重力变化引起的基线漂移量；

5、将校正后的各通道分量参数分别输入对应的异常检测子模型，生成多通道异常诊断向量；

6、基于重力加速度状态参数和各通道对流响应传递函数计算分通道前馈补偿需求向量，与多通道异常诊断向量动态融合后求解时序对齐的分通道最优干预参数并执行调整。

7、进一步地，多洛伦兹型分量参数化分解中，整条阻抗频率响应曲线表示为多个洛伦兹型分量之和：

8、

9、其中，为激励频率，为洛伦兹分量总数，为第个分量的峰值幅度，为第个分量的中心频率，为第个分量的半峰宽；通过非线性最小二乘拟合以实测阻抗频率响应曲线与叠加模型之间的残差平方和为目标函数，求解各分量的、和。

10、进一步地，所述物理过程通道包括界面推进通道、溶质偏析通道、气泡扰动通道和对流紊乱通道；

11、趋肤深度大的低频分量归属至界面推进通道，趋肤深度居中的中频分量归属至溶质偏析通道，趋肤深度小的高频分量中，半峰宽小于预设宽度阈值的分量归属至气泡扰动通道，半峰宽不小于预设宽度阈值的分量归属至对流紊乱通道。

12、进一步地，所述逐通道扣除重力变化引起的基线漂移量包括：

13、获取当前等效重力加速度值与标定基准重力加速度值之间的差值作为重力偏差量；

14、将重力偏差量与第个物理过程通道的重力敏感度系数行向量相乘，获取该通道的基线漂移向量：

15、

16、其中，为物理过程通道序号，为中心频率对重力加速度变化量的线性敏感度系数，为峰值幅度对重力加速度变化量的线性敏感度系数，为半峰宽对重力加速度变化量的线性敏感度系数；

17、从各通道的原始分量参数中逐项减去对应的基线漂移向量分量，获取经重力基线校正的各通道分量参数序列。

18、进一步地，重力敏感度系数行向量中各敏感度系数通过离线标定获得；标定过程在无凝固操作的条件下，以不同的稳态离心机转速使坩埚内熔体处于不同重力水平，记录各重力水平下全频段涡流阻抗谱的洛伦兹分解结果，以各通道分量参数相对于重力加速度变化量的线性回归斜率作为敏感度系数。

19、进一步地，所述将校正后的各通道分量参数分别输入对应的异常检测子模型之前，对各通道的中心频率、峰值幅度和半峰宽参数分别执行z-score标准化；

20、各通道的异常检测子模型为单类支持向量机，以正常凝固条件下对应通道的特征分布作为训练基准，分别输出对应通道的异常偏离度和偏离方向指示符；汇总各通道的输出，生成多通道异常诊断向量。

21、进一步地，所述各通道对流响应传递函数为一阶惯性环节，第个通道的对流响应传递函数在拉普拉斯域中表示为：

22、

23、其中，为第个通道的对流响应传递函数，为第个通道的传递函数增益，为第个通道的响应时间常数，为拉普拉斯算子，为物理过程通道序号；

24、将重力加速度状态参数中的等效重力加速度值和时间变化率分别送入各通道的对流响应传递函数，输出各通道的预期扰动量和扰动到达时间，汇总生成分通道前馈补偿需求向量。

25、进一步地，所述与多通道异常诊断向量动态融合包括：

26、计算重力加速度时间变化率的绝对值，与预设阈值比较，确定前馈权重系数和反馈权重系数，前馈权重系数与反馈权重系数之和为1；当重力加速度变化率的绝对值超过预设阈值时，增大前馈权重系数；当重力加速度变化率的绝对值不超过预设阈值时，增大反馈权重系数；

27、对分通道前馈补偿需求向量中各通道的预期扰动量与多通道异常诊断向量中各通道的异常偏离度分别执行基于极差的均值归一化后，将各通道归一化后的预期扰动量乘以前馈权重系数与归一化后的异常偏离度乘以反馈权重系数求和，生成多通道综合调控需求向量。

28、进一步地，所述求解时序对齐的分通道最优干预参数包括：

29、将多通道综合调控需求向量输入序列二次规划算法，以各物理过程通道的异常偏离度回归至正常范围为优化目标，以温度梯度调整量、抽拉速率调整量和离心机转速调整量为决策变量，以各通道响应时间常数为时序约束条件，使各决策变量的预定生效时间与对应通道的扰动到达时间对齐；

30、按照各决策变量的预定生效时间依次发送至温度控制模块、抽拉驱动模块和离心机转速控制模块执行时序递进式调整；在每个控制周期结束后，采用递推最小二乘法更新各通道对流响应传递函数的响应时间常数和增益参数。

31、本发明提供一种基于智能检测的离心加速度场下定向组织生长系统，包括：

32、数据采集模块，用于同步采集多频涡流检测线圈阵列的全频段涡流阻抗谱数据和离心机角速度数据，并根据角速度数据计算重力加速度状态参数；

33、参数化分解与通道归属模块，用于对各轴向位置的阻抗频率响应曲线执行多洛伦兹型分量参数化分解，确定各分量的中心频率、峰值幅度和半峰宽参数，基于各分量中心频率对应的趋肤深度将各分量归属至物理过程通道，获取多通道分量参数时间序列；

34、重力基线校正模块，用于基于重力加速度状态参数和各通道重力敏感度系数矩阵，逐通道扣除重力变化引起的基线漂移量；

35、异常检测模块，用于将校正后的各通道分量参数分别输入对应的异常检测子模型，生成多通道异常诊断向量；

36、前馈补偿与融合调控模块，用于基于重力加速度状态参数和各通道对流响应传递函数计算分通道前馈补偿需求向量，与多通道异常诊断向量动态融合后求解时序对齐的分通道最优干预参数并执行调整。

37、本发明具有以下有益效果。

38、通过对涡流阻抗频率响应曲线执行多洛伦兹分量参数化分解，并基于各分量中心频率对应的趋肤深度将各分量归属至四个独立物理过程通道，各通道的单类支持向量机异常检测子模型分别判定对应物理过程的异常状态，检测结果能够区分异常来源于哪种物理过程，在多种异常并发时能够分别查询对应通道的干预策略，避免了不同物理过程干预需求之间的相互矛盾。

39、通过利用离线标定获得的各物理过程通道重力敏感度系数矩阵，从各通道分量参数中逐通道扣除重力变化引起的基线漂移量，使单类支持向量机异常检测子模型的输入不包含重力瞬变造成的系统性偏移分量，在离心机转速瞬态波动期间避免了全通道虚假报警及由此触发的不必要的多参数调整。

40、通过为各物理过程通道配置独立的对流响应传递函数分别计算分通道前馈补偿需求向量，并根据重力加速度变化率的绝对值动态分配前馈与反馈权重，使控制策略在重力场剧烈变化时以前馈为主以抵消热惯性延迟，在重力场平稳时以反馈为主以修正累积偏差。通过时序约束优化使各决策变量的生效时间与对应通道的扰动到达时间对齐，使快响应通道与慢响应通道分别在各自的特征时间尺度上接受调控，避免了同步调整导致的过度补偿或补偿不足。