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基于神经网络的双层辉光离子渗金属工艺预测模型的研究 摘 要：将人工神经网络理论和算法应用于双层辉光离子渗金属工艺的研究，在对网络进行训练的基础上，建立了双层辉光离子渗金属工艺与渗层表面成分和元素总质量分数、渗层厚度和吸收率之间的数学模型，试验结果与计算结果十分吻合.（摘要包括：研究目的、方法、结果）关键词：双层辉光；人工神经网络；预测模型双层辉光离子渗金属技术是我国在国内外都获得专利的一项等离子表面冶金新技术,它可以在普通材料表面形成具有特殊物理、化学性质的表面合金层1-4.双层辉光离子多元共渗是一个非常复杂的问题，各种合金元素在源极表面溅射的特性、工件表面的沉积扩散，等离子体空间传输存在较大的差异.而且宏观工艺参数较多，它们之间相互作用关系复杂，以往人们都是借助于经验，很难找到反映其内在规律的数学模型.人工神经网络理论的提出与发展为研究非线性系统提供了一种强有力的工具，它已成功的应用于许多研究领域，在材料热处理学科的应用越来越受到重视5-6.首次以美国HAYEN公司生产的 Hastelloy C2000镍基耐蚀合金为源极，进行Ni-Cr-Mo-Cu多元共渗工艺研究.利用人工神经网络技术，建立了双层辉光离子渗金属工艺与渗层合金成分及合金元素总质量分数、渗层厚度和吸收率之间的预测模型.1 试验方法和试验方案1.1 试验方法渗金属试验在自制双层辉光离子渗金属炉中进行，源极材料为Hastelloy C2000合金，尺寸为130 mm50 mm4 mm，工件材料为20钢，尺寸为80 mm25 mm3 mm.采用脉冲放电模式：源极采用直流电源，工件采用脉冲电源。源极材料Hastelloy C2000的质量分数：wNi=59%，wMo=16%，wCr=23%，wCu=1.6%，wC0.01%.1.2 试验方案为了选定正交试验各个工艺参数的取值范围，先结合以往试验研究的经验，然后又进行了20余炉的摸索性试验，确定了正交工艺参数。正交试验按照L16(45)正交表进行试验.指标项目为渗层表面合金元素成分及总质量分数、渗层厚度和吸收率.因素水平表如表1所示.2数学模型 表1 因素水平表 因素 水平1234源极电压UV1 0501 000950900工件电压UV275250350300 气压pPa35304540极间距dmm15202522.5在网络学习部分，采用三层BP神经网络来完成函数的映射. 误差逆传播神经网络是一种具有三层或三层以上的阶层型神经网络，如图所示为一个三层前馈神经网络：它包括输入层、隐含层(中间层)、输出层；输入层有i个节点，隐含层有j 个节点，输出层有t个节点. 上、下层之间各神经元实现全连接，即下层的每一单元与上层的每一单元都实现权连接，而每层各神经元之间无连接. 网络按有教师示教的方式进行学习，当一对学习模式提供给网络后，神经元激活值从输入层经各中间层向输出层传播，在输出层的各神经元获得网络的输入响应. 这以后，按减小希望输出与实际输出之间误差的方向，从输出层经各中间层逐层修正各连接权值，最后回到输入层. 算法步骤：(1) 设置初始权系w(0)为较小的随机非零值.(2) 给定输入/输出样本对，计算网络的输出： 设第p组样本输入、输出分别为up=(u1p,u2p,unp)dp=(d1p,d2p,dnp)p=1,2,L (1) 节点i在第p组样本输入时，输出为 (2)式中：IjP:：在第p组样本输入时，节点i的第j个输入；f：激励函数，采用Sigmoid型，即 (3) 可由输入层经隐层至输出层，求得网络输出层节点的输入. (4) 作为对网络学习状况的评价.判别： 若 J e 式中： e：预先确定的，e0，则算法结束，否则，至步骤(4). (3) 反向传播计算由输出层，依据J按“梯度下降法”反向计 算，逐层调整权值. (5)式中： 步长或称为学习率，其中n取 1 000 000，取0.9.2.1 滑水现象的产生因素出现滑水现象的起始车速与路面结构、积水深度、轮胎气压、载荷、沟槽花纹形式和磨损程度等因素有关。（1）由式（1）可知，速度越高其产生水的动压力将呈平方倍的增长，所以发生滑水的可能也就越高。即使有高级的主动安全设备的车辆，冲过积水层时也未必能化险为夷。因为滑水时轮胎几乎完全浮在水面上，任何ESP、TCS、ABS、EBD装备基本上极难发挥作用。当车速在110 km/h时，对干燥路面来说正常，但行驶在积水路面上时，却是足以致命的。（2）积水越深，越容易产生滑水现象。试验表明，在混凝土路面上，水层为5 mm 深时，斜交轮胎在车速80km/h时，附着系数已降为干混凝土路面的1/4以下（这时的附着系数仅相当于冰雪路面），100 km/h时附着系数几乎降为零，这时汽车已完全飘在水面上了。对同样的轮胎，水层为1mm深时，情况只是略好一点：车速80 km/h 时，附着系数降为干混凝土路面的1/2以下，100 km/h 时附着系数仅为干混凝土路面的1/8。这说明，即使是薄如1mm的积水层，在车速较高时也会造成惨重的车祸。（3）轮胎载荷及结构将直接影响着汽车对地面的附着能力。轮胎垂直载荷增大后，侧偏刚度随垂直载荷的增加而加大；轮胎充气压力对侧偏刚度也有显著影响，气压增加，侧偏刚度增大；同时轮胎花纹的排水能力也非常重要，磨损后的轮胎更加危险。（4）部分滑水虽然不会使轮胎完全失去转向控制，但是由于轮胎与路面的接触面积减少，附着力下降较多，很容易发生侧滑，引起交通事故。2.2 基于MODBUS 协议串口通信模块的软件实现在主控制系统中，工控机需要和功率变送器进行通信，用于传输定子电网信号等，功率变送器提供遵从MODBUS 串口通信协议的RS485 串口，在通过一个RS485转换成RS232串口的硬件转接口，实现工控机和功率变送器的通信。图1 串口发送和接收报文的程序流程图2.3 评估因素的模糊评估模型对城市电网供电能力评估，首先对各个元素进行模糊评估，关键是确定每个模糊事件的隶属函数。基本步骤如下：（1）确定模糊事件因素W水平“良好”和因素W水平“不好”的隶属度函数，本文统一选取梯形或者半梯形曲线。（2）把因素W 分成一系列的小区间，根据该因素的实际计算或统计数据，计算出该因素位于各个电压合格率是实际运行电压在允许电压偏差范围内累计运行时间与对应的总运行时间的百分比，表征城市电网供电质量的高低。最后可以根据模糊语言变量“良好”、“一般”和“不好”的隶属度值大小确定该因素对供电能力的影响程度。本文中电压合格率以电压在正常范围内的监测点占总监测点的百分比见图2.隶属度0.960.970.980.991.01.50.951.011.021.031.041.051.00.50电压合格率图2 电压合格率水平“良好”隶属度函数曲线（b）（a） b）（c）（d）（a）变形前；（ b） =0.87 ；（c) =1.62； （d)=2.89。图3 变形前以及不同应变量后微观组织定时器振荡器反混叠滤波器模拟转发器直接模拟量存储128K E2PROM平滑滤波器放大器功放前置放大器自动增益控制器电 源地址缓冲器数字逻辑控制XCLKANA INMICAGCVccaVssaVccdVssdA1A2A3A4A5A6A7RECPALYEPALYLREC LED图4 ISD1420器件结构框图采样时钟MIC REFANA OUT3结果与比较 为检验程序的可靠性与实用性，对双层辉光离子多元共渗工艺参数：源极电压、工件电压、极间距、气压对渗层表面的合金元素总质量分数、渗层厚度、各合金元素质量分数、吸收率(工件增重/源极增重)的影响进行了网络学习，并与试验结果进行了比较。模型的输入节点数为4个工艺参数，隐含层节点数为5，输出分别为上叙各指标项。为保证网络训练准确可靠，在正交试验16组数据中选择13组作为训练样本，余下的3组以及正交优化工艺作为检测样本。经过1 000 000次训练的试验数据与计算结果的比较见表2、表3. 表2 预测渗层表面的成分 / %编号质量分数wNi Cr Mo Cu549.88114.69511.365 1.605 (小数点 对齐)预测值51.73416.96211.2111.6611250.51416.69114.0710.912预测值51.17117.50913.0480.4151650.29019.1646.4801.308预测值50.82618.1047.81301.3331757.16819.65514.7321.353预测值59.89120.10712.1631.403从表2、表3可以看出训练样本和检测样本的网络实际输出值与期望值都很接近表3 人工神经网络训练与预测值 试验编号源极电压UV工件电压UV极间距dmm气压pPa吸收率s%渗层厚度m元素总质量分数w% 试验值 预测值 试验值 预测值 试验值 预测值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：*为检测样本值，试验编号17为正交优化工艺 4 结论 通过对基于神经网络的双层辉光离子多元共渗的工艺研究，建立起工艺参数与渗层的表面合金成分和合金总质量分数、渗层厚度和吸收率之间的映射模型。该模型的建立为多元共渗这种多变量、非线性系统的问题的解决提供了一个有效的工具.参考文献:（作者文后参考文献按此格式规范）l 作者一，作者二，作者三, 等.文章题目J.期刊名称:自然科学版，出版年，卷号（期）：起止页码. 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 罗尧,王琳,凌珺.基于LDPC编码的交织多址接入(IDMA)系统J.重庆邮电大学学报:自然科学版,2006,18(5):581-583.4 柳纲,郭基伟,唐国庆，等. 基于灰色位势理论的变压器故障诊断算法J. 电力系统及其自动化学报 , 2004,3(2): 57-60.l 作者一，作者二，作者三, 等.书名 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.题目D.学位.授予地：学位授予单位，出版年.6 刘玉国络合物光谱探针法定量测定蛋白质的研究D天津：南开大学化学系，1995 l 作者.论文集/会议名称，举办地，举办时间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 钟文发.非线性规划在可燃毒物配置中的应用C/ 赵玮.运筹学的理论与应用:中国运筹学会第五届大会论文集.西安:西安电子科技大学出版社,1996:468-471.l 析出文献主要作者.题目文献类型/OL.析出文献(或出处),公开日期年-月-日引用日期.获取和访问的详细路径.9 李佳,赵际.大风沙