計(jì)算機(jī)在鋼鐵冶金中的應(yīng)用(黃俊程)

1、作者姓名: 論文題目 6智能控制在鐵礦石燒結(jié)終點(diǎn)判斷中的應(yīng)用班級(jí)1303 學(xué)號(hào) 0308130307 姓名黃俊程摘 要: 燒結(jié)過(guò)程是鋼鐵冶煉的重要過(guò)程,燒結(jié)礦是高爐煉鐵的主要原料,燒結(jié)礦的質(zhì)量與產(chǎn)量直接影響到煉鐵生產(chǎn)的質(zhì)量與產(chǎn)量。燒結(jié)終點(diǎn)是燒結(jié)過(guò)程中最重要的熱狀態(tài)參數(shù),是判斷燒結(jié)過(guò)程正常與否的標(biāo)志之一。本文總結(jié)了燒結(jié)終點(diǎn)的判斷方法，預(yù)報(bào)模型，燒結(jié)過(guò)程的熱狀態(tài)控制及長(zhǎng)短期控制策略。關(guān) 鍵 詞: 燒結(jié)過(guò)程 燒結(jié)終點(diǎn) 預(yù)報(bào)模型 控制策略1 引言準(zhǔn)確地判斷燒結(jié)終點(diǎn)對(duì)鐵礦石燒結(jié)過(guò)程起著至關(guān)重要的作用。如果燒結(jié)終點(diǎn)靠前,會(huì)使燒結(jié)礦過(guò)燒,燒結(jié)機(jī)利用率降低,產(chǎn)量減小;終點(diǎn)靠后,則燒結(jié)礦欠燒,燃燒不完全,燒結(jié)礦

2、質(zhì)量差,返礦量大。因此,準(zhǔn)確地判斷燒結(jié)終點(diǎn),能有效提高燒結(jié)礦產(chǎn)量和質(zhì)量。判斷燒結(jié)終點(diǎn)的傳統(tǒng)方法一般是用風(fēng)機(jī)出口溫度來(lái)確定大致的位置。另外,通過(guò)分析燒結(jié)礦的化學(xué)成分確定終點(diǎn)位置,也是工業(yè)上常用的一種方法,但該方法不能實(shí)時(shí)反映原料配料、熱工參數(shù)變化的影響,具有很大的不確定性。智能控制技術(shù)在燒結(jié)過(guò)程控制中也取得了一定的應(yīng)用效果,其中以專(zhuān)家系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用最為突出。1990年,川崎水島廠開(kāi)發(fā)了燒結(jié)終點(diǎn)診斷型專(zhuān)家控制系統(tǒng),它的應(yīng)用減少了燒結(jié)終點(diǎn)的波動(dòng),穩(wěn)定了燒結(jié)礦質(zhì)量。2 燒結(jié)終點(diǎn)判斷方法燒結(jié)終點(diǎn)的判斷方法主要有廢氣溫度法，廢氣負(fù)壓法及廢氣成分法三種方法。2.1廢氣溫度法廢氣溫度最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置用機(jī)尾倒數(shù)

3、3-5個(gè)風(fēng)箱廢氣溫度（含最高點(diǎn)）擬合曲線計(jì)算廢氣溫度法存在幾個(gè)問(wèn)題： （1）溫度檢測(cè)存在慣性 （2）料層不均勻，溫度呈傳遞性規(guī)律 （3）風(fēng)箱漏風(fēng)不均，溫度呈不規(guī)則變化 （4）機(jī)尾漏風(fēng)嚴(yán)重 （5）其它因素導(dǎo)致風(fēng)箱溫度異常解決問(wèn)題的方法：（1） 對(duì)慣性測(cè)量元件作超前校正（2） 考慮溫度隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性（3） 引入大煙道溫度進(jìn)行修正2.2 廢氣負(fù)壓法抽風(fēng)負(fù)壓大幅度下降（廢氣流量逐漸增大），逐漸趨于平緩的位置。2.3廢氣成分法CO2/CO達(dá)到最高值的時(shí)間來(lái)確定燒結(jié)終點(diǎn)建立CO/(CO+CO2)和燒結(jié)終點(diǎn)之間的統(tǒng)計(jì)模型，來(lái)判斷燒結(jié)終點(diǎn)3 燒結(jié)終點(diǎn)的預(yù)報(bào)3.1 燒結(jié)終點(diǎn)的長(zhǎng)期及短期預(yù)報(bào)長(zhǎng)期預(yù)報(bào)原料透氣

4、性預(yù)報(bào) 主要考慮原料配比的變化、礦槽原料的偏析和混合料水分變化等原料系統(tǒng)有較大的外部干擾的情況短期預(yù)報(bào)溫度上升點(diǎn)的位置和溫度來(lái)預(yù)報(bào) 反饋時(shí)間短，預(yù)報(bào)精度高，外部干擾少時(shí)用它來(lái)預(yù)報(bào) 3.2燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)模型燒結(jié)終點(diǎn)的預(yù)報(bào)模型有時(shí)間序列模型，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。時(shí)間序列模型（1）根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際確定預(yù)報(bào)周期（2）根據(jù)輸入、輸出參數(shù)確定時(shí)滯d（3）根據(jù)預(yù)測(cè)效果在線辨識(shí)模型參數(shù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)規(guī)則模糊集代碼+2+10-1-2BTP太滯后滯后適宜超前太超前T19太高較高正常較低太低3.3基于燒結(jié)終點(diǎn)的熱狀態(tài)控制（1）燃燒帶模型料層阻力，透氣性函數(shù)主抽壓力，用流量 （2） 臺(tái)車(chē)速度控制模型 4 基于終點(diǎn)預(yù)報(bào)

5、的燒結(jié)終點(diǎn)模糊控制1）燒結(jié)終點(diǎn)模糊控制輸入變量的確定輸入?yún)?shù)偏差E是終點(diǎn)預(yù)報(bào)值與設(shè)定值的偏差； 偏差變化EC是預(yù)報(bào)值與設(shè)定值的偏差的 變化趨勢(shì)和變化速度 輸出參數(shù)控制量UC是機(jī)速的變化量（調(diào)節(jié)量） 2）燒結(jié)終點(diǎn)模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì) 描述模糊控制器的輸入輸出變量的狀態(tài)用七個(gè)模糊子集，即： 負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大 燒結(jié)終點(diǎn)預(yù)報(bào)器的輸出作為模糊控制器的輸入，經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到輸入變量偏差和偏差變化。 離散化了的精確量與表示模糊語(yǔ)言的模糊量采用三角形隸屬函數(shù)，燒結(jié)終點(diǎn)偏差、偏差變化、機(jī)速控制量的模糊變量的賦值分別示于后表。燒結(jié)終點(diǎn)模糊控制器的控制規(guī)則基于操作者的經(jīng)驗(yàn)，例如：“若終點(diǎn)超前且終點(diǎn)

6、有繼續(xù)超前的趨勢(shì)，則加快機(jī)速?！睂⑦@些經(jīng)驗(yàn)用模糊集合來(lái)描述出來(lái)。 取燒結(jié)終點(diǎn)偏差E的語(yǔ)言變量詞集為NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB；偏差變化EC和機(jī)速調(diào)節(jié)量UC的語(yǔ)言變量詞集為NB，NM，NS，O，PS，PM，PB。現(xiàn)將燒結(jié)過(guò)程操作者在控制終點(diǎn)時(shí)遇到的各種可能出現(xiàn)的情況，以及相應(yīng)的控制策略用下述21條模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述：1）if E=NB or NM and EC=NB or NM then uc = PB2）if E=NB or NM and EC=NS or O then uc = PB3）if E=NB or NM and EC=PS then uc = PM4）if E=

7、NB or NM and EC=PM or PB then uc = O5）if E=NS and EC=NB or NM then uc = PM6）if E=NS and EC=NS or then uc = PM7）if E=NS and EC=PS then uc = O8）if E=NS and EC=PM or PB then uc = NS9）if E=NO or PO and EC=NB or NM then uc = PM10）if E=NO or PO and EC=NS then uc = PS 以燒結(jié)終點(diǎn)偏差為負(fù)的情況說(shuō)明上述規(guī)則表： 當(dāng)偏差為負(fù)大時(shí)，若偏差變化為負(fù)，這

8、時(shí)偏差有增大的趨勢(shì)，為盡快消除已有的負(fù)大偏差并抑制偏差變大，控制量的變化取正大。 當(dāng)偏差為負(fù)，而偏差變化為正時(shí)，系統(tǒng)本身已有減小偏差的趨勢(shì)，所以為盡快消除偏差又不超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量。由表看出，當(dāng)偏差為負(fù)大且偏差變化為正小時(shí)，控制量的變化取為正中；若偏差變化為正大或正中時(shí)，控制量不宜增加，否則造成超調(diào)會(huì)產(chǎn)生正偏差，因此這時(shí)控制量變化取為零等級(jí)。（3） 模糊決策對(duì)建立的模糊控制規(guī)則要經(jīng)過(guò)模糊推理才能決策出控制變量的一個(gè)模糊子集（機(jī)速控制量的模糊量）。常用的模糊推理方法有Mamdani推理法、模糊加權(quán)型推理、函數(shù)型推理法等。以第一條模糊條件語(yǔ)句所確定的模糊關(guān)系可用下式寫(xiě)出，即式中： +、

9、5;、· 模糊關(guān)系的合成運(yùn)算。 如果令此刻的實(shí)際燒結(jié)終點(diǎn)偏差量為e且偏差的變化為ec，由上式可以算出機(jī)速控制量為：對(duì)于e和ec的隸屬函數(shù)值對(duì)應(yīng)于所量化的等級(jí)上取1，其余均取為零值，這樣可使上式簡(jiǎn)化為式中： 模糊集合NBE和NME第i個(gè)元素（即令偏差為第i等級(jí)）的隸屬度； 模糊集合NBEC和NMEC第j個(gè)元素（令偏差變化為第j等級(jí)）的隸屬度。 同理，可以由其余各條語(yǔ)句分別求出機(jī)速控制量uc2，uc21，則控制量為模糊集合uc，表示為: （4） 機(jī)速控制量的非模糊化 由于機(jī)速控制量的基本論域?yàn)橐贿B續(xù)的實(shí)數(shù)域，所以從控制量的模糊集論域到基本論域的變換，用下式: 對(duì)于燒結(jié)這樣動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，

10、一成不變的模糊控制規(guī)則不能滿足長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用的要求。模糊控制系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于模糊控制規(guī)則和隸屬函數(shù)參數(shù)是否能夠根據(jù)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化自適應(yīng)地優(yōu)化。 模糊控制規(guī)則優(yōu)化的關(guān)鍵在于引入高效的學(xué)習(xí)算法，以便產(chǎn)生適應(yīng)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的最優(yōu)模糊控制規(guī)則。神經(jīng)模糊系統(tǒng)、遺傳優(yōu)化模糊系統(tǒng) 計(jì)算處理量大、耗時(shí)多，在實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用領(lǐng)域受到限制在線調(diào)整模糊控制規(guī)則 誤差較大時(shí)，消除誤差對(duì)誤差在控制系統(tǒng)中的加權(quán)應(yīng)該大些誤差較小時(shí)，系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，必須減小超調(diào)對(duì)誤差變化加權(quán)大些。引入一個(gè)加權(quán)因子（自調(diào)整因子），以實(shí)現(xiàn)在不同控制情況下的模糊控制規(guī)則的自調(diào)整。將誤差E、誤差變化EC及控制量uc的論域均

11、取為E=EC=uc=-3，-2，-1，0，1，2，3將控制量的每個(gè)元素取值進(jìn)行取整處理。5 燒結(jié)終點(diǎn)的控制策略根據(jù)鐵礦石燒結(jié)過(guò)程的特點(diǎn),提出了燒結(jié)終點(diǎn)的長(zhǎng)期和短期控制策略.長(zhǎng)期控制根據(jù)原始料層透氣性以及垂直燒結(jié)速度的狀態(tài),通過(guò)調(diào)整料高或機(jī)速實(shí)現(xiàn);短期控制通過(guò)調(diào)整機(jī)速,穩(wěn)定廢氣溫度上升點(diǎn)實(shí)現(xiàn).5.1 原始料層透氣性的軟測(cè)量燒結(jié)終點(diǎn)出現(xiàn)超前或滯后,主要是由料層透性的變化引起的.燒結(jié)料層透氣性分為原始料層透氣性和燒結(jié)過(guò)程透氣性2.一些研究36表燒結(jié)過(guò)程透氣性與原始料層透氣性直接相關(guān),可以通過(guò)預(yù)先穩(wěn)定原始料層透氣性實(shí)現(xiàn)燒結(jié)終點(diǎn)的長(zhǎng)期控制.反映原始料層透氣性好壞的參數(shù)較多,可以通過(guò)其他在線檢測(cè)參數(shù)對(duì)其進(jìn)

12、行軟測(cè)量.文獻(xiàn)7在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了透氣性指數(shù)的計(jì)算公式Pe=(Q/F)(h/p)n, (1)式中:Pe為料層透氣性指數(shù);Q為通過(guò)料層的風(fēng)量;F為抽風(fēng)面積;h為料層高度;p為負(fù)壓;n為與流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的系數(shù),點(diǎn)火前和燒結(jié)過(guò)程中取0.60,點(diǎn)火瞬間取0.65.研究根據(jù)點(diǎn)火爐處的參數(shù),采用式(1)對(duì)原始料層透氣性指數(shù)進(jìn)行軟測(cè)量.式中F根據(jù)際數(shù)據(jù)計(jì)算,Q,h,p取點(diǎn)火爐下第一個(gè)風(fēng)箱對(duì)應(yīng)的檢測(cè)數(shù)據(jù),Q=額定風(fēng)量×風(fēng)機(jī)的有效功率×風(fēng)箱閥門(mén)開(kāi)口度.5.2 垂直燒結(jié)速度的計(jì)算燒結(jié)過(guò)程透氣性難以在線檢測(cè),而垂直燒結(jié)速度主要受料層透氣性的影響,反過(guò)來(lái)講垂直燒結(jié)速度可以反映燒結(jié)過(guò)程料層透氣性的總體

13、情況.本研究用平均的垂直燒結(jié)速度V來(lái)評(píng)價(jià)整體料層透氣性的好壞V=h/tBTT, (2)式中tBTT為燒結(jié)時(shí)間,tBTT=XBTP/VP, (3)其中:XBTP為燒結(jié)終點(diǎn)的位置;VP為臺(tái)車(chē)移動(dòng)速度. 5.3 燒結(jié)終點(diǎn)的長(zhǎng)期控制及短期控制當(dāng)燒結(jié)料層透氣性變好或變壞時(shí),直接影響垂直燒結(jié)速度的快或慢,使燒結(jié)時(shí)間縮短或延長(zhǎng),進(jìn)而影響燒結(jié)終點(diǎn)的超前或滯后.可以通過(guò)加快或減慢布料器的速度,增加或降低料高或布料密度以改變燒結(jié)時(shí)間,進(jìn)而穩(wěn)定燒結(jié)終點(diǎn);也可以通過(guò)調(diào)整機(jī)速來(lái)穩(wěn)定燒結(jié)終點(diǎn).本研究根據(jù)原始料層透氣性的值、變化趨勢(shì)以及垂直燒結(jié)速度的預(yù)測(cè)值(輸入變量),采用模糊控制算法得出了料高或機(jī)速的調(diào)整值(輸出變量).

14、長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐表明:在燒結(jié)生產(chǎn)正常、燒結(jié)終點(diǎn)穩(wěn)定時(shí),廢氣溫度上升點(diǎn)穩(wěn)定在某一位置;而當(dāng)廢氣溫度上升點(diǎn)變化時(shí),燒結(jié)終點(diǎn)也隨之變化.只要穩(wěn)定了廢氣溫度上升點(diǎn)的位置,燒結(jié)終點(diǎn)也隨之穩(wěn)定.相對(duì)原始料層透氣性而言,廢氣溫度上升點(diǎn)在位置上更接近燒結(jié)終點(diǎn),所以稱(chēng)之為燒結(jié)終點(diǎn)的短期控制.短期控制的關(guān)鍵在于廢氣溫度上升點(diǎn)的軟測(cè)量.實(shí)際生產(chǎn)中廢氣溫度t與測(cè)點(diǎn)位置L(測(cè)溫點(diǎn)與機(jī)頭第一個(gè)風(fēng)箱前沿的縱向距離)符合m次多項(xiàng)式關(guān)系t=a0+a1L+a2L2+amLm.本研究先根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)離線確定m;再對(duì)中部測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行一定的判斷,設(shè)置求解范圍;最后用牛頓插值法求解.6 結(jié)論 鐵礦石燒結(jié)過(guò)程是鋼鐵生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),燒結(jié)礦是高爐煉鐵的主要原料,燒結(jié)礦質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到煉鐵生產(chǎn)的產(chǎn)量、質(zhì)量及能源消耗。近年來(lái)我國(guó)燒結(jié)礦需求和產(chǎn)能急劇增加,燒結(jié)生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平都獲得了很大提高,但與世界先進(jìn)水平相比,仍然存在較大差距,過(guò)程優(yōu)化控制己成為制約燒結(jié)礦產(chǎn)量質(zhì)量的一個(gè)瓶頸。燒結(jié)終點(diǎn)作為燒結(jié)過(guò)程的一個(gè)重要的狀態(tài)變量,可以準(zhǔn)確反映