基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙層輝光離子滲金屬工藝預(yù)測模型的研究 摘 要：將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論和算法應(yīng)用于雙層輝光離子滲金屬工藝的研究，在對網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，建立了雙層輝光離子滲金屬工藝與滲層表面成分和元素總質(zhì)量分數(shù)、滲層厚度和吸收率之間的數(shù)學(xué)模型，試驗結(jié)果與計算結(jié)果十分吻合.（摘要包括：研究目的、方法、結(jié)果）關(guān)鍵詞：雙層輝光；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；預(yù)測模型雙層輝光離子滲金屬技術(shù)是我國在國內(nèi)外都獲得專利的一項等離子表面冶金新技術(shù),它可以在普通材料表面形成具有特殊物理、化學(xué)性質(zhì)的表面合金層1-4.雙層輝光離子多元共滲是一個非常復(fù)雜的問題，各種合金元素在源極表面濺射的特性、工件表面的沉積擴散，等離子體空間傳輸存在較大的差異.而且宏觀工藝參數(shù)較多，它們之間相互作用關(guān)系復(fù)雜，以往人們都是借助于經(jīng)驗，很難找到反映其內(nèi)在規(guī)律的數(shù)學(xué)模型.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論的提出與發(fā)展為研究非線性系統(tǒng)提供了一種強有力的工具，它已成功的應(yīng)用于許多研究領(lǐng)域，在材料熱處理學(xué)科的應(yīng)用越來越受到重視5-6.首次以美國HAYEN公司生產(chǎn)的 Hastelloy C2000鎳基耐蝕合金為源極，進行Ni-Cr-Mo-Cu多元共滲工藝研究.利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立了雙層輝光離子滲金屬工藝與滲層合金成分及合金元素總質(zhì)量分數(shù)、滲層厚度和吸收率之間的預(yù)測模型.1 試驗方法和試驗方案1.1 試驗方法滲金屬試驗在自制雙層輝光離子滲金屬爐中進行，源極材料為Hastelloy C2000合金，尺寸為130 mm50 mm4 mm，工件材料為20鋼，尺寸為80 mm25 mm3 mm.采用脈沖放電模式：源極采用直流電源，工件采用脈沖電源。源極材料Hastelloy C2000的質(zhì)量分數(shù)：wNi=59%，wMo=16%，wCr=23%，wCu=1.6%，wC0.01%.1.2 試驗方案為了選定正交試驗各個工藝參數(shù)的取值范圍，先結(jié)合以往試驗研究的經(jīng)驗，然后又進行了20余爐的摸索性試驗，確定了正交工藝參數(shù)。正交試驗按照L16(45)正交表進行試驗.指標項目為滲層表面合金元素成分及總質(zhì)量分數(shù)、滲層厚度和吸收率.因素水平表如表1所示.2數(shù)學(xué)模型 表1 因素水平表 因素 水平1234源極電壓UV1 0501 000950900工件電壓UV275250350300 氣壓pPa35304540極間距dmm15202522.5在網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)部分，采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來完成函數(shù)的映射. 誤差逆?zhèn)鞑ド窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種具有三層或三層以上的階層型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖所示為一個三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：它包括輸入層、隱含層(中間層)、輸出層；輸入層有i個節(jié)點，隱含層有j 個節(jié)點，輸出層有t個節(jié)點. 上、下層之間各神經(jīng)元實現(xiàn)全連接，即下層的每一單元與上層的每一單元都實現(xiàn)權(quán)連接，而每層各神經(jīng)元之間無連接. 網(wǎng)絡(luò)按有教師示教的方式進行學(xué)習(xí)，當(dāng)一對學(xué)習(xí)模式提供給網(wǎng)絡(luò)后，神經(jīng)元激活值從輸入層經(jīng)各中間層向輸出層傳播，在輸出層的各神經(jīng)元獲得網(wǎng)絡(luò)的輸入響應(yīng). 這以后，按減小希望輸出與實際輸出之間誤差的方向，從輸出層經(jīng)各中間層逐層修正各連接權(quán)值，最后回到輸入層. 算法步驟：(1) 設(shè)置初始權(quán)系w(0)為較小的隨機非零值.(2) 給定輸入/輸出樣本對，計算網(wǎng)絡(luò)的輸出： 設(shè)第p組樣本輸入、輸出分別為up=(u1p,u2p,unp)dp=(d1p,d2p,dnp)p=1,2,L (1) 節(jié)點i在第p組樣本輸入時，輸出為 (2)式中：IjP:：在第p組樣本輸入時，節(jié)點i的第j個輸入；f：激勵函數(shù)，采用Sigmoid型，即 (3) 可由輸入層經(jīng)隱層至輸出層，求得網(wǎng)絡(luò)輸出層節(jié)點的輸入. (4) 作為對網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)狀況的評價.判別： 若 J e 式中： e：預(yù)先確定的，e0，則算法結(jié)束，否則，至步驟(4). (3) 反向傳播計算由輸出層，依據(jù)J按“梯度下降法”反向計 算，逐層調(diào)整權(quán)值. (5)式中： 步長或稱為學(xué)習(xí)率，其中n取 1 000 000，取0.9.2.1 滑水現(xiàn)象的產(chǎn)生因素出現(xiàn)滑水現(xiàn)象的起始車速與路面結(jié)構(gòu)、積水深度、輪胎氣壓、載荷、溝槽花紋形式和磨損程度等因素有關(guān)。（1）由式（1）可知，速度越高其產(chǎn)生水的動壓力將呈平方倍的增長，所以發(fā)生滑水的可能也就越高。即使有高級的主動安全設(shè)備的車輛，沖過積水層時也未必能化險為夷。因為滑水時輪胎幾乎完全浮在水面上，任何ESP、TCS、ABS、EBD裝備基本上極難發(fā)揮作用。當(dāng)車速在110 km/h時，對干燥路面來說正常，但行駛在積水路面上時，卻是足以致命的。（2）積水越深，越容易產(chǎn)生滑水現(xiàn)象。試驗表明，在混凝土路面上，水層為5 mm 深時，斜交輪胎在車速80km/h時，附著系數(shù)已降為干混凝土路面的1/4以下（這時的附著系數(shù)僅相當(dāng)于冰雪路面），100 km/h時附著系數(shù)幾乎降為零，這時汽車已完全飄在水面上了。對同樣的輪胎，水層為1mm深時，情況只是略好一點：車速80 km/h 時，附著系數(shù)降為干混凝土路面的1/2以下，100 km/h 時附著系數(shù)僅為干混凝土路面的1/8。這說明，即使是薄如1mm的積水層，在車速較高時也會造成慘重的車禍。（3）輪胎載荷及結(jié)構(gòu)將直接影響著汽車對地面的附著能力。輪胎垂直載荷增大后，側(cè)偏剛度隨垂直載荷的增加而加大；輪胎充氣壓力對側(cè)偏剛度也有顯著影響，氣壓增加，側(cè)偏剛度增大；同時輪胎花紋的排水能力也非常重要，磨損后的輪胎更加危險。（4）部分滑水雖然不會使輪胎完全失去轉(zhuǎn)向控制，但是由于輪胎與路面的接觸面積減少，附著力下降較多，很容易發(fā)生側(cè)滑，引起交通事故。2.2 基于MODBUS 協(xié)議串口通信模塊的軟件實現(xiàn)在主控制系統(tǒng)中，工控機需要和功率變送器進行通信，用于傳輸定子電網(wǎng)信號等，功率變送器提供遵從MODBUS 串口通信協(xié)議的RS485 串口，在通過一個RS485轉(zhuǎn)換成RS232串口的硬件轉(zhuǎn)接口，實現(xiàn)工控機和功率變送器的通信。圖1 串口發(fā)送和接收報文的程序流程圖2.3 評估因素的模糊評估模型對城市電網(wǎng)供電能力評估，首先對各個元素進行模糊評估，關(guān)鍵是確定每個模糊事件的隸屬函數(shù)?；静襟E如下：（1）確定模糊事件因素W水平“良好”和因素W水平“不好”的隸屬度函數(shù)，本文統(tǒng)一選取梯形或者半梯形曲線。（2）把因素W 分成一系列的小區(qū)間，根據(jù)該因素的實際計算或統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算出該因素位于各個電壓合格率是實際運行電壓在允許電壓偏差范圍內(nèi)累計運行時間與對應(yīng)的總運行時間的百分比，表征城市電網(wǎng)供電質(zhì)量的高低。最后可以根據(jù)模糊語言變量“良好”、“一般”和“不好”的隸屬度值大小確定該因素對供電能力的影響程度。本文中電壓合格率以電壓在正常范圍內(nèi)的監(jiān)測點占總監(jiān)測點的百分比見圖2.隸屬度0.960.970.980.991.01.50.951.011.021.031.041.051.00.50電壓合格率圖2 電壓合格率水平“良好”隸屬度函數(shù)曲線（b）（a） b）（c）（d）（a）變形前；（ b） =0.87 ；（c) =1.62； （d)=2.89。圖3 變形前以及不同應(yīng)變量后微觀組織定時器振蕩器反混疊濾波器模擬轉(zhuǎn)發(fā)器直接模擬量存儲128K E2PROM平滑濾波器放大器功放前置放大器自動增益控制器電 源地址緩沖器數(shù)字邏輯控制XCLKANA INMICAGCVccaVssaVccdVssdA1A2A3A4A5A6A7RECPALYEPALYLREC LED圖4 ISD1420器件結(jié)構(gòu)框圖采樣時鐘MIC REFANA OUT3結(jié)果與比較 為檢驗程序的可靠性與實用性，對雙層輝光離子多元共滲工藝參數(shù)：源極電壓、工件電壓、極間距、氣壓對滲層表面的合金元素總質(zhì)量分數(shù)、滲層厚度、各合金元素質(zhì)量分數(shù)、吸收率(工件增重/源極增重)的影響進行了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，并與試驗結(jié)果進行了比較。模型的輸入節(jié)點數(shù)為4個工藝參數(shù)，隱含層節(jié)點數(shù)為5，輸出分別為上敘各指標項。為保證網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練準確可靠，在正交試驗16組數(shù)據(jù)中選擇13組作為訓(xùn)練樣本，余下的3組以及正交優(yōu)化工藝作為檢測樣本。經(jīng)過1 000 000次訓(xùn)練的試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的比較見表2、表3. 表2 預(yù)測滲層表面的成分 / %編號質(zhì)量分數(shù)wNi Cr Mo Cu549.88114.69511.365 1.605 (小數(shù)點 對齊)預(yù)測值51.73416.96211.2111.6611250.51416.69114.0710.912預(yù)測值51.17117.50913.0480.4151650.29019.1646.4801.308預(yù)測值50.82618.1047.81301.3331757.16819.65514.7321.353預(yù)測值59.89120.10712.1631.403從表2、表3可以看出訓(xùn)練樣本和檢測樣本的網(wǎng)絡(luò)實際輸出值與期望值都很接近表3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與預(yù)測值 試驗編號源極電壓UV工件電壓UV極間距dmm氣壓pPa吸收率s%滲層厚度m元素總質(zhì)量分數(shù)w% 試驗值 預(yù)測值 試驗值 預(yù)測值 試驗值 預(yù)測值1111170.90070.58734.534.57987.49687.4372122261.20060.87136.536.38089.79689.2373133333.33032.84719.019.24584.89584.5084144444.65044.40121.020.87177.57977.321 5*212348.10047.75325.524.95077.54676.796 17*121179.34080.92038.038.45992.90892.210 注：*為檢測樣本值，試驗編號17為正交優(yōu)化工藝 4 結(jié)論 通過對基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的雙層輝光離子多元共滲的工藝研究，建立起工藝參數(shù)與滲層的表面合金成分和合金總質(zhì)量分數(shù)、滲層厚度和吸收率之間的映射模型。該模型的建立為多元共滲這種多變量、非線性系統(tǒng)的問題的解決提供了一個有效的工具.參考文獻:（作者文后參考文獻按此格式規(guī)范）l 作者一，作者二，作者三, 等.文章題目J.期刊名稱:自然科學(xué)版，出版年，卷號（期）：起止頁碼. 1 BEELEY P R. Cast steels for tools and dies: A ReviewJ.The Brithish Foundryman，1986, 24(11):441-445.2WANG Fu-chun, LIU Ke-ru. Synopsis of application of cast diesJ. Special Cast & Nonferrous Alloys,1996，20（3）:24-26.3 羅堯,王琳,凌珺.基于LDPC編碼的交織多址接入(IDMA)系統(tǒng)J.重慶郵電大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,18(5):581-583.4 柳綱,郭基偉,唐國慶，等. 基于灰色位勢理論的變壓器故障診斷算法J. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報 , 2004,3(2): 57-60.l 作者一，作者二，作者三, 等.書名 M.出版地（城市名）：出版社，出版年.5 Vapnik V N .The nature of statistical learning theory M. New York: Springer-Verlag,1999:234-238.l 作者.題目D.學(xué)位.授予地：學(xué)位授予單位，出版年.6 劉玉國絡(luò)合物光譜探針法定量測定蛋白質(zhì)的研究D天津：南開大學(xué)化學(xué)系，1995 l 作者.論文集/會議名稱，舉辦地，舉辦時間C.出版地：出版社，年份7 ROSENTHALL E M. Proceedings of the Fifth Canadian Mathematical Congress, University of Montreal,1961C.Toronto:University of Toronto Press,1963. 8 鐘文發(fā).非線性規(guī)劃在可燃毒物配置中的應(yīng)用C/ 趙瑋.運籌學(xué)的理論與應(yīng)用:中國運籌學(xué)會第五屆大會論文集.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1996:468-471.l 析出文獻主要作者.題目文獻類型/OL.析出文獻(或出處),公開日期年-月-日引用日期.獲取和訪問的詳細路徑.9 李佳,趙際.大風(fēng)沙