（运筹学与控制论专业论文）基于模糊理论的高炉炉温si预测模型的研究.pdf

浙 江大 学 硕士 学位论 文 摘要 钢铁工业是国民经济的支柱产业，高炉炼铁是钢铁工业的上游主体工序，对 钢铁工业的发展与节能降耗有重要的地位。在高炉冶炼过程中，保持合理的炉温 水平是炉况稳定顺行的关键。高炉铁水含硅量 & 】是评定高炉炉况稳定性和铁水 质量的重要指标，也是表征高炉热状态及其变化的标志。因此，对炉温 研】预测 方法的研究是炼铁科研中对节能降耗有重要价值的课题。同时，由于高炉冶炼过 程极其复杂，因此，建立更为准确的炉温预测模型也成为数学建模的一个难题。 目前，模糊数学理论被广泛的应用于工程控制。本文在高炉炉温预测中应用 模糊数学的方法作为主要研究工具，使用“包钢2 5 0 0 m 3 高炉智能控制专家系统” 在包钢6 号高炉上在线采集的数据，进行分析、验证，建立了基于模糊理论的预 测模型。 本文首先简要介绍了建模相关的模糊数学基础理论，对高炉炼铁炉温预测建 模的现状做了概述，对冶炼过程的状态参数和控制参数进行了统计分析。然后对 单一 序列运用累计概率分布函数( c p d f ) 和模糊集合理论给出了 跚预测的 混合模糊时间序列模型( h f t s ) ；考虑到高炉生产的历史状态会在未来某个时刻 重现的情况，进一步将模糊c 均值聚类( f c m ) 模型应用于炉温【跚预测；又由 炉温控制偏微分方程将变量离散化后，依据不同的炉温水平进行模糊分类，从而 建立了炉温预测的模糊多元回归模型。由于高炉冶炼过程是一个高度复杂的过 程，数据分析可以看到单一的某种模型难以在各种情况下都取得稳定的预测效 果。有些模型在炉况平稳时预测效果很好，而一旦炉况出现波动，预测效果便很 差；而有些模型虽然在炉况平稳时表现一般，但是当炉况出现大的波动时却可以 得到相对较好的预测效果。鉴于此，从智能化集成多种模型的角度出发，应用递 归正权综合决策法，将混合模糊时间序列模型，模糊聚类模型，模糊多元回归模 型集成建立综合预测模型。预测结果显示，集成后的模型能够取得较高的数值预 报命中率，而且预测误差较小，这是一般时间序列和多元回归方法无法达到的。 关键词：炉温预测、模糊数学、聚类分析、多元分析、累计概率分布函数 i l 浙 江 大学硕 士 学位论文 a b s t r a c t s t e e li n d u s t r yi st h eb a s i ci n d u s t r yo fn a t i o n a le c o n o m ya n db l a s tf u r n a c e ( b f ) i r o n m a k i n gi st h em a i nu p p e rp r o c e d u r eo fs t e e li n d u s t r y , w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt h ee n d e a v o rt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n ds a v ee n e r g y a sa ni m p o r t a n t i n d e xt oe v a l u a t et h eq u a l i t yo fh o tm e t a la n dt h et h e r m a ls t a t u so fb l a s tf u m a c e ， s i l i c o nc o n t e n ti nh o tm e t a lm u s tb em a i n t a i n e da ta na p p r o p r i a t el e v e l t h e r e f o r e ， p r e d i c t i o no fs i l i c o nc o n t e n tb e c o m e s 锄i m p o r t a n ta n dv a l u a b l es u b j e c tf o rr e d u c i n g e n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n tp r e s s u r ei ni r o n - m a k i n gp r o c e s s h o w e v e r , a p r e c i s ep r e d i c t i v em o d e lf o rs i l i c o nc o n t e n ti nh o tm e t a li s s t i l lu n a v a i l a b l ea n d r e m a i n sap r o b l e m n o w a d a y s ，f u z z ym e t h o dh a sb e e nw i d e l yu s e di ne n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r , a n e wa p p r o a c hb a s e do nf u z z ym e t h o dt op r e d i c tt h es i l i c o nc o n t e n ti nh o tm e t a li s p r o p o s e d w i t hd a t ac o l l e c t e do n l i n ef r o mt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o le x p e r ts y s t e mo n 2 5 0 0 m b fa tb a o t o ui r o n & s t e e lc o ，af u z z yp r e d i c t i v em o d e lh a sb e e n e s t a b l i s h e d c h a p t e r2g i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i ct h e o r yo ff u z z ym a t h e m a t i c s a b r i e fd e s c r i p t i o no ft h eb fi r o n m a k i n gp r o c e s sa n dc u r r e n ts t a t u so fr e s e a r c ho n p r e d i c t i o no fs i l i c o nc o n t e n ti sa l s og i v e n t h e nt h es t a t ev a r i a b l e sa n dc o n t r o l v a r i a b l e si nt h eb l a s tf u r n a c ei r o n m a k i n gp r o c e s sa red e s c r i b e da n da n a l y z e d b y c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so ff u z z ym a t h e m a t i c sa n ds t a t i s t i c s ，t h ec u m u l a t i v e p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ( c p d f ) a n dt h ef u z z ys e tt h e o r yi sa p p l i e dt o c o n s t r u c tt h en o n l i n e a rh y b r i df u z z yt i m es e r i e sm o d e l ( h f t s ) f o rp r e d i c t i o no f s i l i c o nc o n t e n tb a s e do nt i m es e r i e so fs i l i c o nc o n t e n t a c c o r d i n gt ot h ei d e at h a t c u r r e n ts t a t eo fb l a s tf u r n a c ei r o n m a k i n gw i l lr e p e a ts o m e t i m ei nf u t u r e ，t h ef u z z y c m e a n s ( f c m ) m o d e li sa p p l i e dt op r e d i c ts i l i c o nc o n t e n t b a s e do nt h ep a r t i a l d i f f e r e n t i a le q u a t i o n so fs i l i c o nc o n t e n ti nh o tm e t a l ，t h ed a t ai sd i s c r e t i z e d ，u s i n g d i f f e r e n tl e v e lo fs i l i c o nc o n t e n tf o r f u z z yc l a s s i f i c a t i o n s ，t h ef u z z ym u l t i p l e r e g r e s s i o nm o d e li sp r o p o s e d h o w e v e r , s i n c et h ei r o n m a k i n gp r o c e s si sh i g h l y i l l 浙江大学硕士学位论文 c o m p l i c a t e d ，w h o s eo p e r a t i n gm e c h a n i s mi sc h a r a c t e r i s t i co fn o n l i n e a r i t y , t i m el a g , l l i g hd i m e n s i o n ，l a r g en o i s ea n dd i s t r i b u t i o np a r a m e t e r se t c ，p r e d i c t i v em o d e lb a s e d o ns i n g l et i m es e r i e so fs i l i c o nc o n t e n ti sd i f f i c u l tt oo b t a i ns t a b l ea n dg o o de f f e c t s o m em o d e l sf u n c t i o nw e l lw h e ns i l i c o nc o n t e n ti ss t a b l e ，h o w e v e r , e q u a le f f e c t c a n n o tb e o b t a i n e dw h e ns i l i c o nc o n t e n tb e c o m e su n s t a b l e ，w h i l eo t h e rm o d e l s d o e s n tg i v eg o o dr e s u l tw h e nt h es i l i c o nc o n t e n ti ss m o o t h ，b u tf u n c t i o n sw e l lw h e n s i l i c o nc o n t e n ta p p e a rl a r g ef l u c t u a t i o n s i nv i e wo ft h i s ，t h er e c u r s i v ep o s i t i v ew e i g h t s y n t h e s i z e dd e c i s i o nt h e o r yi s u s e dt oi n t e g r a t ef u z z yt i m es e r i e sm o d e l ，f u z z y c l u s t e r i n gm o d e la n df u z z ym u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e l s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t t h em o d e lc a l lg i v eh i g h e ra c c u r a c y , w h i c hi sg e n e r a l l yu n a c h i e v a b l ef o rt i m es e r i e s m o d e la n dm u l t i p l er e g r e s s i o nm o d e l s k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r e ，p r e d i c t i o n , f u z z ym a t h e m a t i c s ，c l u s t e ra n a l y s i s ， m u l t i v a r i a t ea n a l y s i s ，c u m u l a t i v ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿态堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字同期：年月f i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝婆盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 浙 江 大学硕士学位论文 致谢 本文是在恩师刘祥官教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。课题的每一步进 展都离不开思师的关怀和指导。正是在恩师的谆谆教诲和全力支持下，我才能克 服一个个的困难和疑惑。思师以其严谨求是的治学态度、高度的敬业精神、兢兢 业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的 知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。两年来，恩师在学习上和生 活上都给予我无微不至的关怀，让我铭记一生。在此，谨向思师致以最崇高的敬 意和最诚挚的感谢! 硕士期间得到了浙江大学数学系和系统优化技术研究所各位学友的鼎力相 助，他们是：郜传厚、赵敏、曾九孙、贺诗波、周刚、冯婷、潘伟、颜光、褚艳 旭、胡刚、陈逸波、安通鉴等。同时还要感谢l 舍2 8 0 宿舍全体室友和我的同学： 王松静、楚春燕、李晓萍、张艳宗、张宝龙等。藉此机会，特向他们表示感谢， 是他们让我度过了非常充实而又快乐的硕士生活；是他们为我创造了一个温馨的 生活环境。 最后，我要特别感谢我的父母和女友张映月给予我的信任和鼓舞。他们对我 的希望和支持是我学习工作信心和力量的源泉，他们的理解和包容使我安心求 学，助我顺利完成学业。 谨向所有支持帮助我的亲人，朋友表示感谢! 杨志昌 二零零九年五月 于浙大求是园 浙 江 大学硕 士 学位论文 1 绪论 本章简要介绍钢铁7 - 业的概况，高炉炼铁过程炉温【嗣预报的意义以及近期 高炉炼铁专家系统方面的进展。 根据炼铁工艺习惯，高炉铁水含硅量记为 明，它代表铁水的硅质量分数， 也用w ( s i ) 表示。根据炼铁工艺操作规律，高炉冶炼过程的炉温与铁水含硅量 明 密切相关，因此本文统一周f 盛】表示炉温。 1 1 钢铁工业在国民经济中的地位 钢铁工业作为基础原材料产业，在国民经济发展中具有举足轻重的地位【。 现代任何国家是否发达的主要标志是其工业化及生产自动化的水平，即工业生产 在国民经济中所占的比重以及工业的机械化和自动化程度。而劳动生产率是衡量 工业化水平极为重要的标志之一。为了能够满足较高的劳动生产率所需要的大量 机械设备，钢铁工业为制造各种机械设备提供最基本的原材料。因此，从一定意 义上讲，一个国家钢铁工业的发展状况也反映了国民经济发达的程度。 衡量钢铁工业的水平应考察其产量( 人均年占有钢铁的数量) 、质量、品种、 经济效益及劳动生产率等各个方面。考察当今世界各国，如美国，日本等所有的 发达国家无一不是具有相当发达的钢铁工业。 钢铁工业的发展需要多方面的条件，如稳定可靠的原材料资源，包括铁矿石、 焦炭以及某些辅助原材料，如锰矿、石灰石、耐火材料等；稳定的动力资源，如 电力、水力等。除此之外，由于钢铁企业生产规模比较大，每天原材料及产品的 吞吐量大，需要庞大的运输设施为其服务。一般要有铁路或者水运干线经过钢铁 厂。对于大型钢铁企业来讲，还必须有重型机械的制造以及电子工业为其服务。 此外，建设钢铁企业需要的投资大，建设周期长，而回收效益慢。故拥有雄厚的 资金是发展钢铁企业最重要的前提。现代钢铁工业是资金密集型、技术密集型和 人才密集型的产业。 钢铁之所以成为各种机械装备，以及建筑、民用、军工等各部门的基本材料， 是因为它具有以下优越性： 浙 江 大学硕士学位论文 1 ) 价格相对低廉； 2 ) 钢铁制品具有较高的强度和韧性； 3 ) 钢铁产品容易用多种方式进行加工，如铸造、锻压、切削、焊接等，以 得到任何结构的部件； 4 ) 钢铁工业所需要的资源，如铁矿石、煤炭等储量丰富，可供长期大量采 用，且成本低廉【2 1 。同时，废钢铁可以重新回炉冶炼，实现资源的可持续再生利 用； 5 ) 人类自从进入了铁器时代，积累了数千年生产和加工钢铁材料的丰富经 验，已经具有成熟的生产工艺与技术。自古至今，与其它工业相比，钢铁工业相 对生产规模大、效率高、质量好、成本低【3 1 。 到目前为止还看不出有任何其它材料在可预见的将来能够代替钢铁现有的 地位。在我国，钢铁工业已经成为国民经济的重要支柱产业。2 0 0 5 年，中国已 形成炼钢能力4 7 亿吨，钢产量达到3 4 9 3 6 万吨；截至2 0 0 7 年，中国钢产量约 占全球钢产量的3 4 ，市场消费量约占全球的3 3 。2 0 0 8 年，中国钢材消费达 到4 8 亿吨左右，钢产量超过5 亿吨，中国已经成为亚洲乃至全球钢铁工业和钢 铁市场的中心。 但是，我们也应该注意到：在高端钢铁产品质量和能耗方面，我国还没有成 为世界钢铁强国。2 0 0 4 年5 月，中国工程院吴澄院士在第五届全球智能控制与 自动化大会的报告中谈到钢铁冶金的能耗情况时指出：2 0 0 3 年国内的高炉综合 焦比由上年的5 2 0 公斤上升到5 2 8 公斤，吨铁增加8 公斤；转炉钢铁料消耗由上 年1 0 9 0 公斤上升到1 0 9 2 公斤，吨钢增加2 公斤；电炉钢铁料消耗由上年的1 0 8 2 公斤上升到1 0 9 8 公斤，吨钢增加1 6 公斤。随着钢铁产能的高速增长，能源( 特 别是焦炭) 的供给问题日益凸显出来。面对日益严重的全球性能源危机，作为钢 铁工业上游工序的耗能大户一一高炉炼铁，科学地把握其冶炼过程的内在规律， 降低高炉冶炼焦比，提高利用系数的“节能冶炼研究”任务迫切地摆在我们面前。 浙江大学系统优化技术研究所是国家科技部批准的国家级科技成果重点推 广计划项目“高炉炼铁智能控制专家系统”的技术依托单位。十多年来一直从 理论和实际应用研究两方面交叉推进“高炉炼铁自动化数学模型的研究，取得 了许多有价值的研究成果。所开发的“高炉炼铁智能控制专家系统”被炼铁专家 2 浙 江 大学硕 士 学位论文 称为“高炉操作的第三代技术”。针对高炉冶炼存在的问题，探索高炉复杂系统 的建模与控制的新途径，进一步完善“高炉炼铁智能控制专家系统”，这是实现 高炉冶炼过程闭环自动控制的技术进步需要，同时也是本文关于“高炉冶炼过程 炉温预测研究”的目的和意义所在。 1 2 现代高炉冶炼工艺流程简介 高炉炼铁的主体设备是高炉，英语是b l a s tf u r n a c e ( b f ) 。高炉冶炼过程是 在一个密闭的竖炉内进行的。 图i 1 高炉本体与各子工序信息关联与传递流程图 高炉冶炼过程的复杂性是在炉料与煤气流逆向运动的过程中，完成各种错综 复杂的化学反应和物理变化。由于高炉冶炼过程是在密闭的容器中进行，因此， 通常只能看到投入的原燃料及产出的铁、渣、煤气等，操作人员无法直接观察到 炉内的反应过程状态。因此，现代化的高炉工长操作必需汇集各个子工序作业的 信息和高炉本体各部位采集的信息，才能够正确地进行组织、指挥和协调高炉的 冶炼进程。高炉本体与各子工序的信息关联与传递流程如图1 1 所示。 高炉冶炼过程的主要目的是用铁矿石经济而高效率地得到温度和成分合乎 要求的液态生铁。为此，一方面要实现矿石中金属元素( 主要为铁元素) 和氧元 素的化学分离一一即还原过程；另一方面还要实现已被还原的金属与脉石的机械 分离一一即融化与造渣过程。最后控制温度和液态渣铁之间的交互作用得到温度 浙 江 大学硕 士 学位论文 和化学成分合格的铁液。全过程是在炉料自上而下，煤气自下而上的相互紧密接 触过程中完成的。低温的矿石在下降的过程中被煤气由外向内逐渐夺去氧而还 原，同时又从高温煤气中得到热量。矿石升到一定的温度界限时先软化，后熔融 滴落，实现渣铁分离。已经熔化的渣铁之问及与固态焦炭接触过程中，发生诸多 反应，最后调整铁液的成分和温度到达出铁口。故此控制炉料的均匀稳定下降， 控制煤气流均匀合理分布是达到高质量冶炼过程的关键【2 1 。 总之，从运筹学与控制论角度审视高炉冶炼的全过程，可以概括为：在尽量 降低能耗的条件下，通过受控的炉料及煤气流的逆向运动，高效率地完成还原、 造渣、传热、渣铁分离等过程，从而得到化学成分与物理温度符合质量要求的铁 水，作为炼钢的原料。 从工艺流程的角度看，高炉炼铁工艺主要包括以下作业内容： 1 ) 值班工长在主控室通过计算机和仪表监控高炉的“炉内作业”； 2 ) 炉前的出渣、出铁作业； 3 ) 槽下原燃料的配料与称量子系统的作业； 4 ) 炉顶卷扬的上料与布料子系统的作业； 5 ) 热风炉的燃烧与送风子系统的作业； 6 ) 富氧与喷吹煤粉子系统的作业； 7 ) 高炉冷却水子系统的作业； 8 ) 设备维护子系统的作业； 9 ) 煤气采样与分析自动检测子系统； l o ) 生产调度协调，渣罐、铁罐的配送作业； 1 1 ) 中心化验室化验原燃料、铁水、炉渣等化学成分作业； 1 2 ) 铁水称量系统的作业等。 这些工序环节由不同岗位人员操控着，并且与高炉主控室交流着作业信息， 按照值班工长的指挥，形成子工序控制与高炉进程控制的相互配合与协调【 高炉炼铁具有很多优点：1 ) 因对流运动可进行充分的热交换，热效率高；2 ) 易于大量处理原料，生产率高；3 ) 可以使用的原料成分范围广；4 ) 铁的收得率 高；5 ) 作业率高；6 ) 炉子寿命长( 1 5 2 0 年) 等。但是由于高炉炉体本身的 封闭性，许多的参数无法在线测量或者测量很费财费力。鉴于高炉冶炼过程的复 4 浙 江 大学硕 士 学位 论 文 杂性，要实现冶炼过程的整体闭环自动控制，尤其是炉温的准确预测控制，还需 要深入探索更好的数学模型。 1 3 国内外高炉炼铁过程自动化进展 自动控制的高质量和高效率激励着高炉炼铁过程自动化的研究，然而至今仍 未实现高炉炼铁过程的自动化。为了实现炼铁生产工艺的自动化，人们不断推进 着炼铁过程的基础自动化和计算机技术的应用。在组成炼铁工艺流程的各控制子 工序中，已经实现基础自动化的有： 1 ) 槽下配料系统的称量与配料过程的自动化控制； 2 ) 卷扬上料系统的上料，布料过程的自动化控制； 3 ) 喷吹煤粉的自动化控制； 4 ) 热风炉燃烧过程与送风的自动化控制； 5 ) 炉前出铁作业的机械化，自动化； 6 ) 高炉值班室应用p l c 或d c s 计算机系统取代高炉仪表，实现工艺参数 的集中监控【1 1 。 虽然炼铁工艺的各个控制子系统的基础自动化已经实现，然而围绕高炉炉温 控制的数学模型开发，试图实现高炉炼铁过程的自动化控制，却至今没有获得成 功。高炉冶炼过程中，铁水含硅量 s 0 不仅是评定铁水质量的重要指标，更表征 了高炉内部热状态。为了有效地控制高炉冶炼过程，把握其炉温发展趋势，对铁 水 踟预测方法的研究一直是炼铁生产中的重要课题。 国外高炉自动化数学模型的研究阶段实际上是与计算机技术发展水平相适 应的。从2 0 世纪5 0 年代起，国外就开始研究计算机在高炉炼铁中的应用。其中， 前苏联的拉姆配料计算模型，美国内陆钢铁公司的数学模型等都是早期研究成 果。法国钢铁研究院从炼铁机理出发提出的r i s t 操作线模型，则是进一步解析 了炉内化学反应过程节能降焦的潜力所在。 多年来，为了有效地控制高炉冶炼过程，大量数学模型得到了应用。据不完 全统计，目前已开发了多种高炉铁水含硅量 跚预报模型。 从冶炼机理出发，并不涉及大量的数学原理，但要求高炉炉况比较稳定并配 有相应的先进测量仪器。这些模型在国外的一些大型高炉上是可以实现的。这类 浙 江 大学 硕士 学位论文 模型有： 1 ) w u 模型是由法国钢铁研究院于1 9 6 7 年建立的。该模型以1 0 0 0 。c 为界的 高温区域热平衡为基础，提出热量指标w u 的数学表达式。因此w u 模型即是计 算静态控制中的一个理想模型。w u 增加，表示用于s i ，m n ，p 的还原和过热渣 铁的热量增加了，此时炉温将升高，铁水含硅量增加；反之，铁水含硅量将降低。 当风温，湿分，喷吹量等条件一定时，可以计算出w u 指标瞬时变化量，即可以 找到w u 标准状态的偏离作为高炉控制的依据1 2 。 此模型的优点是将下部区域热平衡转化为以高炉煤气成分变化为主的计算 公式。由于煤气成分可以连续测定，所以高炉热状态的任何变化都可以由煤气成 分的变化直接计算得出【1 1 。 2 ) e c 指数模型是荷兰、卢森堡、比利时冶金研究中心于1 9 7 2 年开发的。 与w u 模型类似，该模型也是根据高炉质量平衡和热量平衡，推导出代表高炉热 状态的指数。它反映的是高炉实际热收入和标准热需求之差，通过炉顶煤气成分， 风量等可检测参数计算出来。 3 ) r e 模型是日本新日铁公司于1 9 8 0 年在高炉冶炼机理模型的基础上，根 据焦炭理论燃烧温度，建立了反映风口燃烧带平均温度与实际铁水温度之间关系 的数学模型，从而通过控制重油喷吹量来控制铁水温度。 从炼铁过程产生的数据出发，利用数理统计，智能优化原理等数学工具，不 用或者少量涉及高炉冶炼机理，建立的模型有： 4 ) 控制铁水含硅量的经验模型 根据各仪表的指示，渣、铁、风口以及炉料等参数的变化，从经验统计出对 铁水含硅量的影响数值，即可t ；l 建立描述 明波动的统计模型。涉及到的有关参 数见表1 1 。 依据表1 1 中阐述的参数可以建立其对热状态影响的经验模型： a s ：k f - 1 5 a f e 一2 0 竺+ 2 0 a a i + 6 a m + 2 0 竺1 + l i 1 0 l o o 1 0 ， 4 0 6 0 i(12-15)竺圳篙川竺+af“4等一8篙一(085-09)aca州alvinl00 0 0 1 0 0 n d00 1 l i l 2 、 i ( 1 1 ) 6 浙 江 大学硕 士 学位论文 表1 1 各参数影响作用 匕j l之 二味 菏号乏j 二蕾i ：冀【l ；，： 奎f el 1 5 0 , b 鼓矿 枉墨m1 0 0 m g6 惫i 占i ；| 。二珥la1 0 二q b 条尊每致 炙孑 a g l 1 5 蔓炎 硫净s0 1 二 求 一 1 一 百惫、百 f 1 0 0 k g 1 2 - 15 k g t 转动列 宠；畚c 1 0 0 k g l s k _ o t 段j 釜f w1 0 0c 1 7 k ：ot 滢爰f 1 9m 31 砖f 巩 风髫f l l m 5m l n1 4 k 2t 谬著每致s f ：匏k 勺po 0 1 m ：p a s k gt ，鼋懂一p 、ii t h o 3 5 0 9 k gt 0s t1o ，i4 0 、6 0 k 空t 移：式 - 钜,mnl 。i1 4 k et 如果条件数据和调剂数据都能准确测量，这种模型在统计范围内能够有足够 的准确性。但是由于实际生产数据是各种影响因素的综合效应，很难根据生产数 据确定各种变量的独立效应，加之难以保证它本身的准确性和精密度，正确统计 和筛选生产数据很不容易，检验也很难，以至于这种模型的建立在实际应用中受 到很大的限制。 5 ) 多变量一阶自回归矢量模型 w i s c o n s i n 大学的p a n d i t 等人于1 9 7 5 年基于数理统计的方法，以高炉铁水【尉】 历史数据为基础，按照时间序列自回归模型，结合其它参数建立了一阶线性预报 模型。该模型在炉温平稳的情况下具有较高的命中率。 6 ) 动力学模型 1 9 9 5 年重庆大学高小强等人将高炉冶炼过程视为非线性动力系统，利用混 沌理论建立高炉铁水 】预报模型，以预报值和实际值之间的相关系数为衡量指 标，得到的模型的预测效果较好。 7 ) 混沌预测模型 2 0 0 4 年浙江大学郜传厚在其博士学位论文中，从混沌动力学的角度剖析了 高炉冶炼过程，数量化计算了高炉冶炼过程的混沌性，并建立了基于混沌理论的 7 浙 江 大学硕 士 学位论文 高炉铁水硅含量 】的预测模型和控制模型。利用相空间技术和嵌入定理，以在 线采集的高炉铁水硅含量【跚时间序列作为样本空间( 容量为1 0 0 0 炉数据) ，对 相应的高炉冶炼过程进行相空间重构，计算了高炉冶炼过程的饱和关联维数、 l y a p u n o v 指数、k o l m o g o r o v 熵和功率谱，定量说明了高炉冶炼过程具有混沌性。 并且分别用混沌一阶局部预测法、混沌加权一阶局部预测法、最大l y a p u n o v 指 数法，v o l t e r r a 自适应滤波器预测法对高炉的铁水硅含量 跚进行了预测计算，通 过对比确定了预测效果较好的是修正混沌加权一阶局部预测法。 8 ) 分形预报模型 2 0 0 6 年，浙江大学罗世华等人在对原始硅序列分形辨识的基础上，利用函 数迭代系统和分形插值相关理论和方法，对铁水含硅量【踟做拟合、预报，也取 得了较好的效果。 9 ) 遗传程序设计 2 0 0 8 年，浙江大学数学系赵敏在其博士论文中，就寻找各状态和控制变量 - 9 表征高炉炉温 s 0 之间的近似函数关系做了有价值的尝试。遗传程序设计在这 方面不失为一种灵活的方法，所获得的结果对高炉的正确调控也具有一定的指导 意义。 上述高炉铁水含硅量 明的预报模型，既有线性模型，也有非线性模型。由 于高炉冶炼过程是一个非线性、大噪声的动态过程，非线性模型从理论上讲更能 反映高炉动态变化特征。但这些模型也有不足之处，模型6 ) 由于对输入变量没有 做详细的甄别和遴选，也没有考虑工业上参数采集的噪声影响，模型本身的泛化 能力又比较差，预测效果时好时坏。另外，由于神经网络学习机制的不透明性， 也不利于分析模型输入的影响变量和铁水含硅量的相互关系。浙江大学开发的模 型7 ) 和模型8 ) 分别从混沌动力学和分形的角度对铁水含硅量进行特征辨识和预 报，取得了阶段性的理论研究成果，然而这些模型仅仅依靠原始硅序列数据，而 没有涉及高炉冶炼过程中的状态变量和控制变量等诸多影响因素，在国内高炉炉 况波动比较大情况下，这样的单一 朝序列预测模型效果并不稳定。 随着对高炉铁水含硅量 嗣预测模型研究的不断深入，2 0 世纪7 0 年代开始， 人们逐渐意识到，利用专家系统技术将 踟预测模型与高炉其他部件做信息整合， 实现对高炉冶炼过程的控制，是当今高炉计算机控制的发展方向。高炉冶炼过程 浙江大学硕士学位论文 的智能化控制成为炼铁学科技术进步的前沿课题。 1 4 论文的主要内容 作为人工智能最广泛最活跃的领域之一是专家系统。这是一个智能计算机程 序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家 的知识和解决问题的方法来处理该领域问题。专家系统应用于高炉炼铁也符合科 学发展观节能降耗的要求。对高炉炉温 的预测控制，是高炉冶炼过程智能化 控制的技术核心，也是开发高炉炼铁专家系统的关键技术。由于高炉炼铁本身固 有的非线性，复杂性以及采集的数据的不确定性使得炉温 & 】的预测成为专家系 统的难点。 模糊性数学是以不确定性的事物为研究对象的【4 】。模糊集合是数学适应描述 复杂事物的需要而产生的。模糊集合的理论使得解决模糊性对象加以确切化，从 而使研究确定性对象的数学- 9 不确定性炉温 】的预测联系起来，使得各种数学 方法能够有用武之地。 本文从模糊数学的角度剖析高炉冶炼过程，对高炉冶炼过程各个参数做了模 糊性分析，并且针对与炉温 踟影响较大的参数与 s o 之间的关系做了相关检验。 论文在第二章首先简要介绍了模糊数学的一些基础知识。第三章主要介绍高 炉炼铁过程的复杂性并对各个变量做了模糊性分析，说明模糊理论的确适用于描 述高炉炼铁过程的不确定性，因此选用模糊理论进行炉温 刚预测。第四章主要 建立高炉炼铁过程铁水含硅量 刚的预测模型。从状态转移条件概率的角度出发 建立了模糊时间序列模型；综合考虑高炉炼铁的各个状态，通过将各个状态投影 到向量空间，建立模糊聚类模型，t 根据如下的 剐智能控制偏微分方程： 警训警删警删警圳r ，孚 2 ， 经离散化后建立了模糊多元回归模型；对于不同的模型，预测炉温的效果会各有 优劣，所以最后采用了递归正权综合决策法进行模型间智能化集成。第五章概括 了本文所得的主要结论，并对高炉炉温预测模型的发展方向和高炉冶炼过程的智 能自动化控制进行了展望。 9 浙 江大 学硕 士学 位 论文 2 1 普通集合 2 模糊数学理论基础 1 9 世纪末，c a n t o r 首创集合论，并迅速渗透到各个数学分支，成为数学的 基础。下面给出几个集合论的相关定义： 定义2 1 给定论域x 和给定某一性质p ，x 中具有性质p 的元素所组成的总 体，叫做集合，简称集。可由下式表示 a = x lp ( x ) ) ( 2 1 ) 式中的p 为气具有性质p ”的缩写。 设a 是论域x 上的集合，记 删= 器：2 汜2 ， 为集合a 的特征函数。对任意z 都有唯一确定的特征函数心( 功：x 寸 o ，1 ) 与之 对应，这种关系称为映射。即 儿( z ) ：z 寸 o ，1 ) ( 2 3 ) 集合a 可由儿( z ) 来确定： a = x i 儿( 力= 1 ) ( 2 4 ) 例如：设论域x = x ，y ，z ，w ) ，集合彳= x ，z ) 。 其特征函数为心( 石) = l ，以( y ) = o ，心( z ) = 1 ，以( 川- 0 。则可将么记为 a = u ( x ) x + j u ( y ) l y + k t a ( z ) z + i t ( w ) 1 w = l x + o y + l z + o w ( 2 5 ) 式中的“+ ”号不是求和，而是表示各个元素与特征函数的对应关系的总括。 特征函数具有如下5 个性质： 1 ) 儿( x ) = 0 a = g ，p a ( x ) = 1 a = x ； 2 ) 鸬( x ) t n ( x ) a 互b ； 1 0 浙 江 大学硕士学位论文 3 ) - t a 。( 工) = l 一儿( 工) ； 4 ) ，n 8 ( 石) = m a x ( g 彳( x ) ，占( x ) ) ； 5 ) 以u 宣( 力= m i n ( a ( x ) ，以( 功) 。 式中m a x 表示取大运算，m i n 为取小运算。 定义2 2 以集合彳所有自身元素构成的集合，称为彳的幂集，记作p 研) ， 即p ( 彳) = b ib a ) 。 例如：设彳= 口，6 ) ，则p ( 彳) = 囝， 口) ， 6 ) ，彳) 。 2 2 模糊集合及其表示方法 在日常生活中，并不是所有的概念都是非此即彼的，还存在大量不清晰的概 念。所谓不清晰概念是指存在某种对象，人们无法说它绝对符合或绝对不符合。 对用来表示这个概念的集合来说，就是在论域x 中存在着并非绝对属于或者不 属于的元素z 。 观察图2 1 ，在全部1 2 根垂直线段中，我们并不能准确地指出中间的这些线 段哪一根为“长”的线段。当然，左数第一根可以很自信的说是长的，最后一根 不是长的，那么第二根算长线段吗? 第三根，第四根如此继续下去，态度就 会犹豫起来。其实模糊现象或者模糊概念无处不在，如“年轻人”，“高个子”， “优质产品”，“多云天气”，“体弱者”等。 图2 1 哪个线段算长 人脑中所形成的概念几乎都是模糊的，可以认为模糊现象对于人类是一个本 质的东西。特别是随着信息时代的到来，精确性与模糊性的矛盾更加凸显：各门 浙 江大 学 硕士学位论文 学科迫切要求数学化，定量化。但是科学的深化从一方面讲就意味着研究对象的 复杂化，而越复杂的事物就越难精确化。显然当系统的复杂性增长时，对系统做 出精确性描述的能力将相应降低。这就意味着，复杂程度越高，有意义的精确化 能力便越低，这正说明精确的相对性。过分的精确反倒模糊，适当的模糊反而精 确【6 1 。 面对大量的模糊概念，普通集合就显得苍白无力了。为了刻画模糊概念，将 特征函数表达集合的方法加以推广，将集合 o ，1 ) 改为区n o ，1 1 ，美国控制论 专家z a d e h 教授1 9 6 5 年提出了模糊集合的定义。 定义2 3 所谓给定论域x 的一个模糊子集a 就是给定由论域x 到区n o ， 1 的一个映射 ：x 寸 0 , 1 】xh 彳( x ) 0 ，1 】 这个映射i a ( x ) 将任意x e x 对应着一个数值以( 工) z 0 ，l 】，值心( x ) 叫做x 模糊集合( f u z z y ) a 的隶属度，映射儿( 工) 叫做模糊子集a 的隶属函数，在一般 性的讨论中，常常将模糊集a 的隶属函数以( x ) 的图形表示成图2 2 的曲线形状。 图2 2 隶属函数示例 当然，这里的“模糊”都是“模糊数学”意义上的模糊，而不是日常形容词 意义上的模糊。与普通集合完全由其特征函数所确定一样，模糊集彳完全由其 隶属函数所确定。特别的，当, u a ( x ) 的值域为集合 o ，1 ) 时，模糊集a 就退化成 普通集合，这时的隶属函数就变成普通集合的特征函数。由此可见，普通集合就 是模糊集合的特殊形式，而模糊集合则是普通集合概念的一般形式。 浙 江大 学 硕士 学位 论文 定义2 4 论域x 的全体模糊集所组成的集合记为风的，称为模糊幂集， f ( x ) = 彳l 儿：x 一 o ，1 】) 显然，月是普通集合，且有p ( x ) f ( x ) 。 表示论域x 上的一个模糊集合，原则上只需将每个元素x x 赋予该元素对 应模糊集合的隶属度，然后将它们用一定的形式构造在一起即可。下面是常用的 几种表示方法。 论域x 是有限集，x = 五，x 2 ，吒) ，x 上的任意模糊集a 的隶属函数为 儿( 薯) ) o = 1 ，2 ，以) z a d e h 表示法 彳：丝! 苎2 + 丝! 羔! + + 丝! 益2( 2 6 ) 五x2毛 其中坐4 型不是分数，“+ ”也不是求和，它仅仅是符号意义，表示点丐对模糊 墨 集a 的隶属度为儿( 而) 。 序偶表示法 彳= ( 而，心( 五) ) ，( 屯，儿( 恐) ) ，( 毛，儿( ) ) ) 向量表示法 彳= 儿( 而) ，u a ( x 2 ) ，t 一