应用神经网络技术实现阀门设计中的数据处理.pdf

文章编号 100225855 2007 0420031203 作者简介王素芬1963 - ,女,天津市人,讲师,从事计算机软件开发及应用/计算机教学工作。 应用神经网络技术实现阀门设计中的数据处理 王素芬 沈阳工程学院,辽宁 沈阳110136 摘要 提出了应用神经网络技术处理阀门设计中非线性数据的方法,设计了相应的BP神经 网络模型和算法,提高了产品设计计算的效率和精度。 关键词 神经网络;阀门;设计;数据处理 中图分类号 TP18 文献标识码 A Completing data processing in valve design by means of NN technology WANG Su2fen Shenyang Institute of Engineering , Shenyang 110136 , China Abstract In this paper , the author suggested an approach to process non2linear data in valve design by using NN technology , and designed corresponding BP2NN model and algorithm , and improved the calculating precision and efficiency in manufacture design. Key words NN ; valve ; design ; data processing 1 引言 随着计算机技术的发展,神经网络技术的研究 取得了巨大的成果,并得到了广泛的应用。神经网 络是模仿和延伸人脑智能、思维和意识等功能的非 线性自适应动力学系统,它所具有的学习算法能使 其对事物和环境具有很强的自学习、自适应和自组 织能力,它可以模仿人脑处理不完整的、不准确 的、甚至处理非常模糊的信息,并能联想记忆,从 部分信息中获得全部信息。本文应用神经网络技术 快速而准确地解决了阀门设计过程中大量的非线性 数据处理问题。 2 分析 阀门设计过程中要用到大量非线性设计参数, 例如在进行楔形弹性闸板厚度计算时,需要用到系 数K1、K2、K3和K4等,它们需要从4个图、 36条曲线中查取8个点,通过插值法确定4个值。 图1为K1的曲线图。设计时需通过计算D/2h值 和D/ d值查取K1值,由于K1值曲线的数量是有 限的,如果计算出的D/2h和D/ d的值不在这几 条曲线中,则需通过插值法求得,这样做效率和精 度都相对较低。 图1 K1曲线 3 处理阀门设计参数的神经网络模型 神经网络的推理过程是一种典型的并行推理, 速度很快,它只与网络自身的参数有关,其参数又 可通过学习算法进行自适应训练。在工程设计中只 132007年第4期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 要向它提供足够多的设计样本,经过训练后,设计 知识就存在网络的互连结构中,大大减轻了知识收 集和知识库建立的负担。根据实际需要,神经网络 模型可以构建成任意层,它们均可划分为输入层、 隐含层和输出层。输入层为输入参数的个数,输出 层为所要得到的计算结果的参数个数,中间层可根 据实际需要和经验值共同获取。本文以楔形弹性闸 板为例加以说明。 1输入输出层设计 在弹性闸板设计中,涉 及到K1、K2、K3和K4等4个计算系数,这4 个系数是由阀门公称直径D、闸板轴直径d及闸 板厚度h三个参数转换成D/ d、D/2h后由图中的 曲线查找。据此,可以确定神经网络模型的输入结 点数为2,输出层节点个数为1。 2隐含层节点数及选取 隐含层节点数可根 据经验和具体的试验获得比较理想的结点个数,本 模型中确定为9。 3阀门弹性闸板设计参数计算的工作流程 神经网络用于阀门弹性闸板设计参数计算的工作流 程如图2所示。图中,将试验获得的输入计算参数 D、d和h值输入至样本库中表1 , 形成训练用 样本集,由神经网络进行学习。通过学习,得到权 值调整好的收敛的神经网络,这时可将新输入的 D、d和h等参数送给网络进行识别,将识别出的 结果由解释系统进行解释,最后得到K的值。 表1 用于神经网络学习的部分样本及训练后的数据比较 D/2h D/ d 114 原数 据 训练 后 210 原数 据 训练 后 215 原数 据 训练 后 310 原数 据 训练 后 315 原数 据 训练 后 410 原数 据 训练 后 415 原数 据 训练 后 510 原数 据 训练 后 710 原数 据 训练 后 1180114011570145 01441016301610171017160179 017970183018450185 018750189018981100 11025 11901160 011710142 01416015901604 0169016960177 017750184018400186 018740190019011101 11016 21001175 011730139 01382015701557 0168016810176 017660183018350187 018730193019231101 11012 21501190 011810131 01322014301448 0157015960170 017080181017970188 018720199019861103 11032 31001185 011720128 01281014101422 0152015240163 016260175017410185 018420193019271104 11041 31501185 011720130 01310014101410 0149014910159 015810169016860179 017840188019081103 11028 41001175 011780131 01302014001415 0148014870155 015520165016470172 017260181018221101 11012 51001155 011530131 01303014001401 0145014400150 015100156015710163 016430171017070195 01952 61001145 011470131 01303013901394 0144014610150 015020153015330158 015710165016380186 01857 71001141 011470145 01441013801390 0144014360150 015970153015450157 015750161016270171 01725 图2 神经网络用于阀门设计参数计算的工作流程 4 用MATLAB实现阀门设计参数计算 1问题描述 从建立的样本库中,取180组 样本,将这些数据分成几个部分,分别用于训练、 确正和测试。将数据的1/ 4用于确证, 1/ 4用于测 试,剩下的1/ 2用于训练网络,等间隔地在原始数 据中抽取出这些数据。 其程序代码如下 iitst 4∶4∶Q ; iival 2∶4∶Q ; iitr [1∶4∶Q ; 3∶4∶Q] val1P p ∶, iival ; val1T t ∶, iival ; test1P p ∶, iitst ; test1T t ∶, iitst ; ptr p ∶, iitr ; ttr t ∶, iitr ; 2建立网络 在本问题中,使用一个两层的 网络。在隐含层中使用传递函数tan - sigmoid ,在 输出层中使用一个线性传递函数。由前面的计算得 隐含层中神经元单元为9个,输出层的神经元个数 为1个。 net newff minmax ptr , [9 , 1] , {1tansig1 1purelin1} , 1trainlm1 ; 3网络训练 使用Levenberg - Marquardt算 法训练网络。 [net , tr] train net , ptr , ttr ,[ ] ,[ ] , val , test ; 23 阀 门 2007年第4期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 在利用tran函数对网络进行训练执行以上代 码后,在MATLAB命令行中将实时地显示出网络 的训练状态。 4网络输出 输出的目标值为to。 to sim net ,p 训练结果满意后,将网络函数net保存到 K1net1mat文件中。应用时,调入K1net1mat文 件,输入D、d和h,程序自动计算D/ d和D/ 2h。 K1 sim net , [D/ d; D/ 2/ h] 5 数据处理结果与分析 用于神经网络学习的部分样本计算系数K1 的曲线数据与训练后的数据比较结果如表1所 示。 通过对原有数据和训练后的数据比较结果可以 看出,将神经网络用于解决阀门设计中非线性数据 处理是有效的。训练结果与原始数据的误差可以通 过改变隐层结点的数目或通过增加训练样本集的数 据等方法来减小。 6 结语 通过实际计算结果表明,该基于BP神经网络 的阀门楔式弹性闸板设计参数计算方法具有较强的 学习能力和适应能力,提供的训练样本越多,则计 算的准确性越高,相对于原有的查表法,该系统具 有精度高,运算速度快等优点。这种模型和算法也 适用于其他多参数非线性数据处理的工程设计中, 因而具有一定的实用价值和推广价值。 参考文献 〔1〕 美 Martin T1Hangan , Howard Bdemuth , MarKH1Beale著 1 戴葵等译 1Neural Networ KDesign〔M〕1 北京机械工业 出版社, 20021 〔2〕 飞思科技产品研发中心编著 1MATLAB615辅助神经网络分 析与设计 〔M〕1 北京电子工业出版社, 20031 〔3〕 王素芬,杨广明,陈健,等 1 模糊BP神经网络用于目标台 测向定位的设计与实现 〔J〕1 小型微型计算机系统, 2004 23 , 81 〔4〕 王孝天,杨源泉,贺友宗 1 不锈钢阀门的设计与制造 〔M〕 1 北京原子能出版社, 19871 收稿日期 20071041 25 上接第23页 5 结语 1适当调节弹簧的预紧力,可使该阀具 有在中低压范围内实现输出出口压力随输入压 力的增加而降低的反比例控制功能。 2该阀构思新颖,结构独特,控制精 确,工作可靠,且体积小,质量轻,具有良好 的市场前景。 3该阀可应用于反比例和失效保险功能 的气动控制场合。如应用到空气压缩机系统中 可用于控制压缩机机组的负荷与外部消耗的一 致。当外界用气量增大使压缩机储气罐压力下 降时,反比例气压阀的进气口压力也同时减 小,而出气口压力反而增大,从而控制压缩机 的进气阀门开度加大,进气量增多,最终达到 压缩机储气罐压力的稳定。 参考文献 〔1〕 郁凯元1具有反比例控制功能的新型比例压力阀 〔J〕1 液压与气动, 2001 , 61 〔2〕 路甬祥 1 液压气动技术手册 〔M〕1 北京机械工业 出版社, 2003 , 61 〔3〕 阮健 1 电液气直接数字控制技术 〔M〕1 杭州 浙江大学出版社, 2000 , 11 〔4〕 徐秀芬1PWM控制的气液联控伺服系统的实现与试验 研究 〔J〕1 液压与气动, 2004 , 11 收稿日期 20071031 02 书讯 112005年机电产品报价手册阀门分 册 本书由机械工业出版社于2005年出版 发行。该报价手册是中国机电产品价格信息数 据库2005年版的书本式出版物,是了解阀门产 品价格信息的参考工具书,其内容包括产品 名称、型号规格、主要技术参数、参考价格、 生产厂家、备注、邮政编码、电话和地址等。 书号ISBN711113399 - 4 ,定价136元/册。 21阀门选用手册 本书由机械工业 出版社2002年出版发行,由陆培文、孙晓霞、 杨炯良编著。书中介绍了选用阀门所需的基础 知识,选用阀门基本原则,以及各类阀门的具 体选择方法和有关数据资料,力求使用户通过 本书能够选到性能可靠,经济耐用的阀门产 品。全书1200余千字, 16开本,书号IS2 BN7111087429 ,定价76100元/册。 每册加收书价10 的邮寄包装费。需要 者,请与沈阳经济技术开发区开发大路15号 沈阳阀门研究所科技开发信息中心的尹玉杰联 系。 邮编 110142 电话 13840373900 E2mail web chinavalveinfo1net http / / www1chinavalveinfo1net 332007年第4期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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