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硕士论文基于支持向量机的转炉终点预测研究与实现 摘要 转炉炼钢终点自动控制是炼钢生产中的关键环节之一，其目的是对炉内的终点碳含 量和终点钢水温度进行控制，使两者同时达到出钢的要求。在吹炼过程中，转炉炉口火 焰的光谱数据隐含着炉内碳含量和温度方面的信息。为此，在获取炉口火焰的光谱数据 后，设计了转炉终点预测模型。该模型采用学习能力强、对样本数目要求不高的支持向 量机作为学习算法，以能表征炉口火焰光谱数据的特征量作为样本数据来提高模型的训 练效率。采用m a t l a b 仿真软件对该模型进行训练、测试以及预测。针对工程应用中 对实时性的要求，以支持向量机转炉终点预测模型为核心，设计了基于虚拟仪器技术的 转炉终点在线预测系统。仿真及在线实验表明，支持向量机转炉终点预测模型可显著提 高转炉终点命中率，转炉终点在线预测系统具有良好的终点预测能力和推广意义。 关键词：炉1 2 火焰，光谱，支持向量机，虚拟仪器，预测模型 a b s w a c t 硕士论文 a b s t r a c t t h eb a s i co x y g e nf u r n a c e ( b o f ) s t e e l m a k i n ge n d - p o i n t sa u t o m a t i cc o n t r o li sak e y t e c h n i q u ei nt h es t e e l m a k i n g ，i t sa i mi st oc o n t r o lt h ec a r b o nc o n t e n ta n dt e m p e r a t u r eo ft h e f u r n a c es t e e lt om e e tt h er e q u i r e m e n t s i tw a sf o u n dt h a tt h ef u r n a c em o u t hf l a m es p e c t r a l d a t ai m p l i e dt h ei n f o r m a t i o no fc a r b o nc o n t e n ta n dt e m p e r a t u r eo ft h ef u r n a c es t e e l f o rt h i s r e a s o n ，af o r e c a s tm o d e lo ft h eb o f e n d p o i n tw a sd e s i g n e d0 1 1t h eb a s i so f t h ef u r n a c em o u t h f l a m es p e c t r a ld a t a t h i sm o d e lu s e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ( s v m ) w h i c hh a ss t r o n g l e a r n i n ga b i l i t ya n dn e e d so n l yl e s sn u m b e ro fs a m p l e sa si t sl e a r n i n ga l g o r i t h m ，a n du s e st h e c h a r a c t e r i s t i cq u a n t i t i e sw h i c hc o u l dc h a r a c t e r i z et h ef u r n a c em o u t hf l a m es p e c t r a ld a t at o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm o d e lt r a i n i n g t r a i n i n g 、t e s t i n ga n df o r e c a s t i n go f t h i sm o d e la r e r e a l i z e du s i n gm a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e t of i l l f u lt h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ，t h eb o fo n l i n ee n d p o i n tp r e d i c t i o ns y s t e mb a s e d o nv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yw a sd e s i g n e do fw h i c ht h ec o r ei st h eb o fs t e e l m a k i n ge n d - p o i n t p r e d i c t i o nm o d e lb a s e do ns v m t h es i m u l a t i o na n do n l i n ee x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h a tt h e b o fs t e e l m a k i n ge n d p o i n tp r e d i c t i o nm o d e lb a s e do ns v mc o u l de v i d e n t l yi n c r e a s et h ee n d s h o o t i n gr a t e ，a n dt h e ，b o fo n l i n ee n d p o i n tp r e d i c t i o ns y s t e mh a sg o o dp r e d i c t i v ea b i l i t ya n d g e n e r a l i z a t i o na b i l i t y k e y w o r d s ：f u r n a c em o u t hf l a m e ，s p e c t r a l ，s v m ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，m o d e lo f p r e d i c t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：j 9 年乡月卯日 硕士论文 基于支持向量机的转炉终点预测研究与实现 1 绪论 1 1 课题研究背景 钢铁是工业生产和工程技术中最重要、使用量最大的金属材料。炼钢是钢铁生产中 的一个极其复杂而又重要的环节，对生产成本的降低、产品质量的提高、品种范围的扩 大起着决定性的作用。炼钢工艺根据冶炼设备的不同可分为平炉炼钢、电炉炼钢、转炉 炼钢及其他。转炉炼钢中的氧气转炉技术因其生产效率高，耗能少的优点，在世界炼钢 生产手段中占居主要地位。氧气转炉炼钢按吹氧方式分为氧气侧吹转炉炼钢、氧气底吹 转炉炼钢和顶底复合吹炼转炉。2 0 0 6 年世界氧气转炉炼钢产量占当年全球钢产量的 6 6 4 ，我国转炉钢产量比例达到8 9 4 8 ，相当于当年电炉钢的9 倍i l j 。在我国大中型 钢铁企业中，中小型转炉在设备数量和产能上都占有统治地位。 转炉炼钢通过向含有杂质的高温铁水中吹入氧气，以发生化学反应而达到去除杂质 的目的，并最终获得含有目标成分和温度的钢水。转炉炼钢过程是一个非常复杂的工业 过程，伴随着周期性的升温降碳其间发生系列多元多相高温反应，转炉内的成分发生 不断的变化。为炼出目标钢水，需要对转炉终点进行控制。准确控制炼钢终点对大幅度 提高所炼钢种的质量，减少甚至避免不必要的补吹等操作，缩短冶炼时间，降低成本， 减小冶炼工人的劳动量，改善作业环境等具有重要的意义。 在实际生产条件下，因炼钢所用原材料不稳定，冶炼过程中温度高、时间短，所炼 钢种范围狭窄，以至钢水成分和温度受到众多非定量的因素影响，再加上随机因素和操 作因素的干扰，致使转炉炼钢终点控制的命中率不高，故对转炉炼钢终点碳含量和温度 的准确控制一直是国内外炼钢界亟待解决的难题。 1 2 转炉炼钢终点控制技术现状 1 2 1 传统终点控制技术 传统转炉炼钢终点控制技术的发展阶段分为人工经验控制、静态控制和动态控制。 l 211 人工经验控制 人工经验控制是以热电偶测温定碳和炉前取样快速分析为辅助手段，对正常吹炼条 件下的转炉终点进行人工判定的控制技术，又称为经验炼钢。经验炼钢早期使用的是“增 碳 法，后来又出现了“拉碳”法。增碳法就是终点按低碳钢控制( 在为数不多的厂家 1 绪论 硕士论文 和场合，甚至采取“一吹到底”的操作方法) ，然后在出钢过程中增碳，使钢水中的含 碳量达到所炼钢种的要求范围之f 司t 2 j 。使用这种方法时，所用增碳剂必须纯度高，含硫 量低，以免对钢水造成污染。这种方法操作简易，便于掌握，但是在后期的增碳过程中， 需要重视两个方面：一是增碳剂的质量；二是增碳剂的收得率。在某些钢铁企业，其炼 钢能力大于炼铁能力，为了利用有限的铁水最大限度的提高钢产量，多吃废钢降低铁耗， 往往使用“增碳 法进行终点控制。所谓“拉碳法，就是在吹炼时判定已达终点而停 止吹氧。由于在中、高碳钢种的含碳范围内脱碳速度较快，一次判别终点不太容易，所 以采用“高拉补吹 的方法【3 j 。国外在冶炼高碳钢时，由于所用铁水中硫和磷的浓度分 别在o 0 2 如0 3 和0 0 4 8 如0 8 0 之间，无需考虑成品中的硫和磷含量，所以常采用 “高拉碳法。采用此方法冶炼高碳钢，渣中氧化铁含量低，金属收得率略高，氧气和 脱氧剂消耗略低，终点钢水中气体含量较低。 表1 1 增碳法与拉碳法相比较 i 操作方法 ，j 铳蕊 j 。，缺点，、使用方法： 省去倒炉、取样及随后的补吹时 间，生产效率高，终渣( f e o ) 高， 增碳法 增碳环节要求较高，命中率低高拉补吹 化渣好，脱磷率高，热收入较多， 有利于增加废铁用量 终点钢水氧含量和终渣( f e o ) 较 每炉必有补吹，吹炼时间长，生 拉碳法低，终点钢中含锰量较高、氧气一吹到底 消耗较少 产效率较低，命中率低 由表1 1 可知，二者各有优缺点，在具体吹炼中，根据所炼钢种、吹炼习惯、现场 检测条件、技术水平和原材料条件等诸多因素来选择具体的吹炼方法。 在吹炼过程中，观察转炉炉口火焰形状和力度、火花变化情况、供氧时间和供氧量 以及取钢样等通常是炼钢工人判断冶炼终点的依据。此操作的控制精度很低，温度和碳 含量的一次命中率很低，造成大多数炉次需要补吹或重吹。补吹延长冶炼时间，缩短转 炉寿命，增加金属的消耗量，严重影响钢水的质量，同时加大了工人的劳动强度，容易 造成疲劳工作，生产效率低下。此外，培养一名有经验的操作工人周期长，耗费大量的 人力物力。综合分析，人工经验炼钢吹炼精度低、吹炼成本不低，但在国内，有不少的 中小型钢铁企业存在资金和技术上的障碍，仍使用此方法炼钢。 1 2 1 2 静态控制 氧气转炉炼钢过程静态控, i j f 4 1 ，就是在吹炼前根据原材料条件( 主要是铁水成分) 和所炼钢种规格，通过物料平衡和热平衡的理论计算、或生产试验历史数据的统计分析、 或以相近参考炉次和实际值与计算值差异进行修正的经验方法建立数学模型，由计算机 2 硕士论文基于支持向量机的转炉终点预测研究与实现 计算出为达到目标终点碳含量与目标终点温度所需的供氧量与冷却剂用量等，从而确定 吹炼方式与停吹时间，再由计算机控制吹炼过程，但从开吹至最终出钢的整个冶炼过程 中不考虑熔池含量与温度的时间变化，不作任何实时修正的一种控制方法。静态控制的 核心是静态控制模型，模型精度直接影响终点碳与温度的命中率。根据建模方法不同， 静态控制模型可分为机理模型、统计模型和增量模型。 表1 2 三种模型的比较分析 。 ”棼 、， 。毳，w 耋模型 原理，。 优点 缺点，。： 根据炼钢冶炼机理并结合人 工经验，建立转炉炼钢过程中 的热平衡和质量平衡方程，同 冶炼过程中的内部反 时计算过程中的石灰、白云 应机理尚未完全被掌 石、铁矿石用量以及炉渣成将吹炼过程用各种数学 握，因此理论模型还不 分。其中，物料平衡方程式是方程式来描述，从定性向 机理模型十分完善；此外，模型 冶炼过程中加入炉内参与冶定量发展，提高了可控制 不能完全反应生产过 炼过程的全部物料与冶炼过性 程中的一些随机性情 程的产物之间的平衡关系式。 况，实用效果不好。 热平衡方程式是冶炼过程中 的热量来源与支出之间的平 衡关系式。 忽略冶炼过程中的物料化学 规律，应用数学统计的手段， 统计模型统计分析大量生产数据，计算 由于忽略了细节因素，提 冶炼过程中各主要控制变量 高了量化精度 控制精度不高 的大小。 所有炉次间的相互影响 将历史炉次按钢种的不同分 组，相同钢种的条件下以前一 视为一个联系过程，可忽 对变化区间较宽的终 增量模型炉次的吹炼结果为参考，对本 略相邻炉次间的工艺变 化对吹炼的影响；能较好 点碳含量控制效果不 炉进行修正，作为本炉次操作 好。 的控制变化区间小的碳 的数学模型。 含量。 静态控制比人工经验控制一方面能更有效地利用冶炼过程中的初始条件进行定量 计算与控制；另一方面能有效提高终点钢水温度和碳含量的命中率。但由于转炉吹炼是 一个复杂的高温物理化学反应过程，数学方程和数理统计方法难以精确描述的因素还有 ”i t 论z 醍多。r 进i 种静态模型没有考虑l ! j ；= 炼过程中的动态信息，其精确性受到限制，4 ：能在 线实刚修证。目前，有些转炉炼钢厂使肝】的终点判别方法仍是基于坼静态模型并且 依赖j 。操作台仪器的显示和人t 经验判定。这样的炼钢厂在钢铁业中占的比重不小。通 常，畋恸：过程的复杂程度莉l 工人的精神状奄也是需要考虑的圈素。这些罔索导致的刚题 有：玖托碳的命中率根低；常需要补吹生产率不高；钢水的质量受到影响：工人的劳 动强度增大。 1 2 1 3 动态控制技术 外炼钢界n2 0 雌纪6 0 印代开始了将计算机技术应用j 转炉烁钢巾的丌发研究一 作，到了7 0 年代出现了动态控制，取得了巨大的进展。动态 孛制技术是指：在静态控 制模型的壁础上，吹蟓巾后期过程q ，的有关变篮使用副枪检测经动态模型计算后对静 忐模l o 进彳_ j = 修正，最终达到畋炼要求。由于计尊机炼钢所其自的优势，与静卷模型控制 相比其终点命c f i 率得劓显著提高。转炉动志 窄制订法主要有副枪测试和炉气分析以及投 弹式。 a 、副枪测定动态控制 在转炉中氧枪的侧安装有用探测系统副枪，副枪的枪头上携带的多功能探 测器可拆换。! j 吹炼接近终_ 时，根据事先通过静态模型确定的副枪插入时刻，向熔池 内插入剐枪。根据副枪检测到的钢水温度和碳含量修i f 静态模型的计算结果。图ll 为n 奉鹿岛钢厂所采h 1 的典型的副枪测定终点控制系统p 】，该系统由一个动忐模型和一 个反馈讣算模型所组成，动态控制模型计算副枪测量过程中以及吹炼结束时所需要的氰 晕和 争上剂蛩。同时对比别枪所测得的值和实际操作值在线估弹钢水温度和碳含量。 i 输出 r 氧气量f 抟却剂量【 【! 苎! 型竺! l n 曲搓忭o 蕞统 d ( j r 时li 副枪终点控制系统 使f 4 | 副枪测量动态测试系统具有能完全消除转炉初始条件波动的影响和系统误差、 基本消陈畋炼过程中产! l 的随机误差等优点能大幅度提商终点碳温命中牢， 日转炉副 枪测试仅能测得瞬时的碳含量和温度，无法连续提供信息实质上，副枪测试仍是一种 静态控；乩剐枪测试所采用的结品定碳技术能较准确的判定低碳钢，f n 对l 音i 碳钢的洲量 顿论文基于支持向量机构转炉搀点预测研究与宴现 误差较大。由于副枪动态控制系统的本身特点，需要钢厂具各转炉炉口型大、吹炼过程 平稳、自动化水平高等特征，而且副枪具有尺寸大成本高等特点。这样就导致了此方法 只能在大型钢铁厂得到应用，无法普及到中小型转炉炼钢厂。 b 、炉气分析动态控制 图l2 炉气分析系统示意图 炉气分析动态控制技术嘲是通过连续检测炉口逸出的炉气成分数据，推算熔池瞬时 脱碳速度和s ，、m n 、f e 、p 的瓣时氧化量，并对熔池物料平衡和能量平衡进行计算，求 出熔池的瞬时升温速度。它可依据前一时刻的检测值，预报下一时刻的成分和温度变化， 同时，比较每一时刻的计算值与检测值的误差，不断对结果进行校正，从而提高控制精 度和命中率( 如图1 2 ) 。 炉气分析法与副枪法相比能实现连续预报，能预报除钢水温度和碳含量外的钢水磷 含量以及炉渣成分的变化情况且价格比副枪低，能适用于各种转炉，不受炉口尺寸的 限制。但是炉气分析法是一种间接测量方法，其测量精度受到诸多因素的影响( 如炉气 分析设备的分析精度、对炉气流量的校正计算是否准确、模型本身精度等) ，另外分析 炉气的设备( 质谱仪) 无法实现对钢水温度的控制。由于质谱仪价格昂贵，维护费用高， 此方法只在大型转炉吹炼低碳钢时使用。 c 、投弹式动态控制 投弹式检测技术( t c o ) 1 7 1 是继转炉使用副枪自动检测技术后新开发的一种炼钢过 程自动检测技术，其功能与副枪测试炼钢技术相似。t c o 自动投弹系统的组成部分包括 投弹装置和检测仪表设备，是基于热电偶测温和光谱比较分析技术，以实现终点钢水碳 含量和温度的控制。此技术是在1 9 9 1 年由美国国家钢铁公司c , l l l l a i t e c i t y 与m i l l o o 公司 联合开发的国内华西钢铁有限公司最先引用。此技术虽然在缩短吹炼时间、提高欧炼 终点命中率、降低物料消耗以及氧含量方面有些成效，但是其本质与副枪检测相似，是 一种非连续的，不能实现在线实时控制，推广应用价值很小。 l 绪论 硕士论文 1 2 2 人工神经网络终点控制技术 人工神经网络近年来取得了令人瞩目的进展，引起了不同学科和领域的众多科学家 和工程技术人员的广泛兴趣。神经网络的应用已经渗透到许多领域，并在模式识别、机 器视觉、信号处理、非线性化、智能控制、遥感等方面取得了很大进展。近年来，人工 神经网络在转炉终点控制得到了广泛的应用，相继出现了一些新型转炉终点控制方法， 打破了传统理念。 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称趟州) 可以概括地定义为：由大量 简单的高度互联的处理元素( 神经元) 所组成的复杂网络计算系统【8 】。它是理论化的人 脑神经网络的数学模型，是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处理系 统。它实际上是一个由大量简单元件相互连接而成的复杂网络，具有高度的非线性，能 够进行复杂的逻辑操作和非线性关系实现的系统。 人工神经网络吸取了生物神经网络的许多优点，因而有其固有的特点： ( 1 ) 非线性。一个人工神经元可以是线性或者是非线性的。一个由非线性神经元 互联而成的神经网络自身是非线性的，并且非线性是一种分布于整个网络中的特殊性 质。非线性是一个很重要的性质。 ( 2 ) 输入输出映射。有监督学习或有教师学习是一个学习的流行范例，使用训练 样本对神经网络的权值进行修改。每个样本由一个唯一的输入信号和相应的期望输出响 应组成。从训练集中随机选取一个样本输入网络，网络就调整它的权值，使输入信号的 期望响应与由输入信号通过网络计算而产生的实际响应之间的差别最小化。使用训练集 中的很多样本重复网络的训练，直到网络到达没有显著的权值修正的稳定状态为止。因 此对当前问题，网络通过建立输入输出映射从样本中进行学习。 ( 3 ) 自适应能力。神经网络嵌入了一个调整自身权值以适应外界变化的能力。特 别是一个在特定运行环境下接受训练的神经网络，对环境条件不大的变化可以容易进行 重新训练。而且，当它在一个时变环境( 即它的统计特性随时间变化) 中运行时，网络 权值可以设计成随时间变化。作为一个一般规则，在保证系统保证稳定时一个系统的自 适应性越好，当要求在一个时变环境下运行时它的性能就越具有鲁棒性。但自适应性不 一定导致鲁棒性，实际可能相反。 ( 4 ) 证据响应。在模式识别问题中，神经网络可以设计成既提供不限于选择哪一 个特定模式的信息，也提供决策的置信度的信息。后者可以用来拒判那些出现的过于模 糊的模式。有了这些信息，网络的分类性就会改善。 ( 5 ) 背景的信息。神经网络的特定结构和激发状态代表知识。网络中每一个神经 元潜在地都受网络中所有其他神经元全局活动的影响。因此，背景信息自然由一个神经 网络处理。 6 硕士论文基于支持向量机的转炉终点预测研究与实现 ( 6 ) 较好的容错性。通常神经网络总是包含大量的神经元和大量的联接关系，同 时信息是分布式存储的，当一些神经元遭到破坏，整个系统仍能正常工作，因而具有高 度的容错能力和坚韧性。另外，一个以硬件形式实现后的神经网络有天生容错的潜质或 者鲁棒计算的能力，即它的性能在不利条件下逐渐下降。 ( 7 ) v l s i 实现。神经网络的大规模并行计算性使它具有快速处理某些任务的潜在 能力。这一性能使得神经网络很适合用超大规模集成( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e d ，v l s i ) 技术实现。 ( 8 ) 分析和设计的一致性。基本上，神经网络作为信息处理器具有通用性，即设 计神经网络应用的所有领域都使用同样的标号。这种特征以不同的方式表现出来：不管 形式如何，神经元在所有的神经网络中都代表一个相同的成分；这种共性使得在不同应 用中的神经网络共享相同的理论和学习算法成为可能；模块化网络可以用模块的无缝集 成来实现。 ( 9 ) 神经生物类比。神经网络的设计是由对人脑的类比引发的，人脑是一个容错 的并行处理的活生生的例子，说明这种处理不仅在物理上可实现，而且还是快速高效的。 由于神经网络自身的这些优点和特点，很多学者把它作为一种建模方法应用到转炉 炼钢终点控制中，相继出现了以传统终点控制模型为基础的传统模型+ 神经网络以及神 经网络全自动控制等新的终点控制模型。 其中，胡志刚等人【9 】将静态控制模型与一个三层b p 神经网络模型相结合，用于转 炉终点碳温的预报，此模型在控制精度为1 2 。c 时，命中率为7 9 ，有较好的应用效 果，但是此神经网络模型中的个别输入变量在实际情况下获取困难，且对终点碳含量分 布范围较宽时无法进行预报。韩敏等人n 们提出基于核思想和贪婪算法的主元模糊神经网 络模型，对某钢厂1 8 0 t 转炉的6 0 炉实际测量数据进行实验研究，结果表明此模型在转 炉终点碳含量和温度预报上是有效的。谢书明等人1 提出了基于b p 神经网络的转炉炼 钢终点碳温预报模型，以l m 算法来训练网络，其仿真结果表明，预报精度高于传统的 机理模型，在此基础上他们又提出了以r b f 神经网络n 2 1 终点控制方法来确定在补吹阶 段需要的吹氧量和加入的冷却剂量，比先前的b p 神经网络模型在预测精度上有所提高。 冯明霞等人n 3 1 基于b p 模型提出一种改进算法，建立了复吹转炉冶炼终点预报模型，对 转炉终点进行了良好的预报。同时他们还建立了神经网络双节点输出模型对转炉终点钢 水碳含量及温度同时预报，在相同控制精度下，此模型的命中率略低于前一模型。刘浏 等人n 钉采用自适应模糊神经网络与静态模型相结合，建立终点碳温、磷、锰预报模型， 其命中率接近于副枪动态控制模型的命中率。 上述这些新的终点控制方法虽然提出一些好的终点判定思路，但是这些方法由于存 在着生产条件受限、抗干扰能力弱、模型自身算法复杂或者难以在线准确获取数据等诸 多的困难，目前尚未投入使用，仍在理论研究实验阶段。本文仅对一些常见的及与本文 7 l 绪论 硕士论文 所提方法类似的终点控制技术进行了详细分析，其他的详见参考文献 1 5 卜【1 9 】，这些存 在与前面所述的几种技术相似的问题。当前，百分之八十的转炉炼钢厂都是采用人工经 验进行终点控制，副枪动态控制法的使用厂家不到百分之五。占据着国内炼钢业主体地 位、为数众多的中小型转炉仍处在经验炼钢和单一静态控制模式下，终点命中率低，与 世界先进水平相距甚远。由以上分析可知，当下迫切需要研究出一种为了提高转炉终点 命中率，具有成本低、简单可靠、能够适应转炉炼钢现场恶劣环境等特点的转炉终点控 制模型，这也是本文研究的主要内容。 1 3 ，课题主要工作 此课题来源于南京钢铁厂的横向项目，后被列为江苏省高技术发展项目，现成为国 家8 6 3 计划中的一部分。本人所在工作室自2 0 0 4 年以来，一直对此课题进行研究。近6 年的研究工作，取得了以下成果。曾搭建炉口辐射多频道信息获取系统，建立转炉终点 回归预测模型以及基于光辐射吹炼规律的转炉终点b p 神经网络预测模型，得到良好的 终点命中率。但由于模型中的某些变量无法实时获取，这些模型不能在线实时预测转炉 炼钢终点。同时他们使用的是多层前向网络，虽然结构简单、易于实现且计算速度快， 但是是一种依赖于经验的启发式技术，存在局部极小点和过学习问题，即用于训练的样 本误差已达到很小甚至为零( 网络的学习能力很强) ，但网络系统对未来新的样本并不 是总能达到好的预测效果。另外，神经网络的结构问题( 比如如何选择隐层数和隐层节 点数) 一般凭经验确定，并没有一个好的理论加以指导。 在已有研究工作的基础上，本次研究设计并实现了基于支持向量机算法的转炉终点 预测模型。支持向量机是基于统计学习理论的一种模式识别的新方法，它根据有限的样 本信息，在模型的复杂性和学习能力之间寻求最佳折衷，以期获得最好的泛化能力。支 持向量机方法能够克服多层前向网络的固有缺陷，具有以下几个优点【2 0 j ：1 ) 它是专门 针对有限样本情况的，其目标是得到现有信息下的最优解而不仅仅是样本数趋于无穷大 时的最优值。2 ) 算法最终将转化成一个二次寻优问题，从理论上来说，得到的将是全 局最优点，解决了在神经网络方法中无法避免的局部极值问题。3 ) 算法将实际问题通 过非线性变换转换到高维的特征空间，在高维空间中构造线性判别函数来代替原空间中 的非线性判别函数，这一特殊的性质能保证机器有较好的泛化能力，同时它巧妙地解决 了维数问题，使得其算法复杂度与样本维数无关。 本文的主要内容安排如下： 第一章详细阐述了课题的研究背景和意义，综合分析了国内外转炉炼钢终点控制技 术的应用和研究现状，简单介绍了将支持向量机模型应用于转炉终点控制的优点。 第二章系统的介绍了火焰辐射理论的相关知识，基于对普朗克定律和基尔霍夫辐射 8 硕士论文基于支持向量机的转炉终点预测研究与实现 定律的研究，得出了转炉炉口火焰的光谱分布和炉内铁水碳含量之间的关系，最后对本 课题中最重要的光谱采集设备的选择依据进行了阐述。 第三章指出了机器学习在有限样本条件下存在推广能力差、学习机器复杂等问题， 进而提出将统计学习中结构风险最小化原则运用于课题中的构想，并重点阐述了这一原 则的体现形式支持向量机模型。依据转炉炼钢终点控制的具体应用，设计出一种基 于支持向量机的转炉终点预测模型。传统支持向量机算法在训练时需要根据经验确定损 失函数、核函数及惩罚因子，为减少这些不确定因素的选择量，本文选用最小二乘支持 向量机建立预测模型。实验结果表明，该模型能很好的预测转炉炼钢终点。 第四章针对支持向量机预测模型不能实现在线预测这一问题，利用虚拟仪器具有智 能化程度高、可操作性强、成本低等优点，使用l a b v i e w 语言设计了转炉终点在线预 测系统，并对这一系统进行了实验验证和分析。 第五章对全文进行总结，指出本次研究中的创新点，提出了有待于进一步研究的方 向。 9 2 炉口火焰光谱分析与获取硕士论文 2 炉口火焰光谱分析与获取 在传统的转炉终点控制技术中，研究对象主要是炉内铁水本身以及炉气，未能有效 利用炉内信息，精度不够高。本工作室将光学理论与终点控制技术联系起来，以炉口火 焰为主要研究对象，能有效提高命中率。课题研究之初主要是基于炉口火焰光辐射信息， 遗漏了波长方面的重要信息，不能完全反应炉内情况。本文受此启发，将研究方向转向 为含有丰富信息的炉口火焰的光谱分布。 2 1 火焰光谱理论分析 2 1 1 火焰辐射 从广义上说，燃烧包括任何发生于气相的快速放热反应通过处于基态电子激发态的 自由基的链( 并通过电子、离子、光子) 而进行的。火焰是伴随有光的燃烧反应，其特 点是在合适的可燃介质中能自行传播。至于液体燃料滴喷雾燃烧以及固体燃料燃烧的特 殊情况，前面的概念没有概括全。因为在后两种情况中，燃烧过程和火焰传播发生在多 相介质中，其燃烧过程就更复杂些。 火焰能自行传播的特点把发生在火焰中的化学反应与其他化学反应区别开来。任何 化学反应都是限制在反应开始的那个局部地方，而火焰一旦产生，就不断向四周传播， 直到能够反应的整个系统反应完为止。 当考虑火焰能自行传播这个特点时，应该区别以下两种情况，一种是缓燃火焰( 正 常或常规火焰) ，其传播速度跟声速可以相比，另一种是爆震火焰，其传播速度为超声 速。正常的缓燃火焰通过活化中心( 自由基、自由原子、离子、电子、光子) 的传热和 扩散一步一步地传播开，而爆震火焰是一种激波，它以超声速的速度传播，火焰靠激波 经过时达到的高温高压所产生的反应化学能来维持【2 l j 。本文研究的炉口火焰属于第一类 火焰。 火焰辐射一部分来源于热辐射，一部分来源于化学发光辐射。热辐射来源于火焰中 一些化学性能稳定的燃烧产物的光谱带，化学发光辐射是由化学反应而产生的光发射。 在转炉中，火焰的辐射主要来源于c 0 2 、h 2 0 、烟粒和飞灰颗粒。 2 1 2 辐射度学中的量和单位 。 ( 1 ) 辐射通量( 或辐射功率) ：发射、传输或接收的辐射形式的功率。用或者p 1 0 硕士论文 基于支持向量机的转炉终点预测研究与实现 表示，单位为瓦特( w ) 。 ( 2 ) 辐射能量：在给定的时程血，辐射通量的时间积分，单位为焦耳( j ) 。 ( 3 ) 辐射强度：辐射源在给定方向上的辐射强度是该辐射源在包含给定方向的立 体角元m 内传输的辐射通量，除以该立体角元之商，单位为瓦特球面度( 形耵- 1 ) 。 ( 4 ) 辐射出射度：发光面上一点的辐射出射度是离开包含该点的面积元的辐射通 量抛除以该面积元面积之商，单位为瓦特每平方米( w m - 2 ) 。 ( 5 ) 辐射照度：表面上一点的辐射照度是入射在包含该点的面积元上的辐射通量 抛除以该面积元幽之商，单位为瓦特每平方米( w m _ 2 ) 。辐射照度和辐射出射度的 单位尽管相同，但它们却有本质上的区别，即一个适用于被照面，另一个适用于辐射表 面。， ( 6 ) 辐射亮度：辐射源表面上一点处在给定方向的辐射亮度是包含该点的面积元 在给定方向的辐射强度与面元在垂直于该方向的平面上的正交投影面积之商，单位为瓦 特每平方米每球面度( w m 之一) 。 ( 7 ) 光谱密集度：在给定波长处的光谱密集度是包含该波长的无穷小波长间隔内 的辐射通量与相应波长间隔之商，单位为【肖】m 一。 规定了光谱密集度以后，就可以确定其他各个辐射量的光谱辐射量值，如光辐射通 量为发送、传输或接收的辐射形式的光谱功率，单位为瓦特每米( w m 。) ，辐射源表面 上一点处在给定方向的辐射强度与面积元在垂直于该方向的平面上的正交投影面积之 商，单位为w m - 3 盯一。 2 1 3 辐射定律 1 朗伯辐射源 朗伯辐射源所具有的性质是在任意方向的辐射强度随该方向与表面法线夹角的余 弦而变化。自然界中并没有真正的朗伯源，只有黑体才是。所谓黑体，就是在任何温度 下都能全部吸收所有频率辐射能的物体，是理想化的物体。 2 普朗克定律 当绝对黑体的温度为丁时，波长为九的黑体的光谱辐射度可以用下式表示： 式中 乃一普朗克常数 七一波尔兹曼常数 c 一光速 丁一绝对温度 坂( 丁) = 了8 r c h c 万b ( 2 1 3 1 ) 2 ”u 火焰光谱丹析。扳戢 “：j 论女 这就是普皂u 克黑体辐射定律，简称为普朗克定律。 第一辐射常数为c l = 2 r c h c 2 ，第二辐射常数为c 2 = h c k ，当c 2 r 1 ，即九，微小 时，p l a n k 定律可以写为维恩( w i e n ) 定律：m 。( r ) = c ，xp 叫“，它适用l 。短波长的范 田： f i 岛l t 1 ，叩 r 很大时，p l a n k 定律可以写为瑞利- 琼蜥( r a y t e i g h - j e a n s ) 定律： m h , k ( n = 2 c k t l 。，它适用于长波长的晴机。 m h i 1 d ， w a v e ： $ t h “皿l 酗2 i 小同潞立f 黑体辐射分布酗 从图2l 可以看h ，p l a n k 定律表明了黑体的单色光瞎辐射能力与温度和波长之间 的关系，对j 一非常短和非常长的波长来c 兑，黑体的单色辐射能力趋f 零，所以在给定的 温度下所有波长的总辐射能为有限值而不是趋于无穷大。但炉口火焰辐射并不是黑体 辐射，它其有特有的辐射特性。 3 基尔霍夫定律 基尔霍丈( k i r c h h o f f ) 定律可理解为：在间样的温度下，各种不同物体对相同波长 的光谱辐射度与吸收比之比值都相等，并等于设温度f 黑体剥同一波长的光谱辐射度。 即 粤尝：m ( k m 3 2j f lt 1 式2 】32 中，( 丸、t ) 是光谱吸收率，是指物体所吸收的光谱辐射度占投射到物体 1 1 的同波长光谱辐射艘的百分比。埘十黑体，其值等于1 ，对于一般物体，其值小j 。1 。 宣兰；七sj_；2三 硕士论文基于支持向量帆的转炉终点顼斟研究与实现 光谱吸收率由辐射物质本身决定，不同的物体在不同温度下有不同的光谱吸收率 2 1 4 光谱信息用于本文研究的可行性分析 转炉吹炼前期由于加入了大量的原材料，炉口火焰呈赤色并伴有大量烟尘亮度较 暗；在畎炼中后期，这段过程持续时间最长，炉口火焰高度逐渐变高，呈明亮的黄色。 炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度，调整 钢液成分。目前炼钢厂采用精料、铁水预处理、炉外精炼等技术，转炉炼钢的主要任务 就是脱碳和升温。在通常情况下，铁水中溶解的碳大都被氧化成一氧化碳。炉内产生的 一氧化碳等高温气体在溶液表面与氧气发生反应形成炉口火焰。换言之，炉口火焰主要 是由碳氧反应决定。 在吹炼过程中每一时刻炉内的成分发生着不断的变化，导致炉口火焰处于不同的 状态。不同的火焰状态具有不同的光谱吸收率，所呈现出的光谱分布时刻不同。转炉炉 口火焰不同时刻的光谱分布如图22 所示。 a ) 。炉喘1 蕊j 矿亩爿 ( b ) | | | 仄 1 m 1 fc ) 幽2 2 吹炼过程中光谱变化 由图2 2 可以看出，伴随着吹炼过程中碳氧的不断反应，炉口火焰的光谱吸收率在 不断地变化。圈( a ) 是炼钢初期的光谱分布圈；图( b ) 是炼钢中期的光谱分布图，此 2 炉u 火焰光谱分析与获取 颂十论文 时期碳氧反应最为激烈；图( c ) 是炼钢末期的光谱分布图，此时已接近终点。可以看 出，在炼钢的不同阶段，转炉炉e l 火焰的光谱分布与黑体的光谱分布是截然不同的。实 际上，铁水温度的微弱变化，导致的光谱分布变化是由于辐射源的光谱吸收率发g ：变化 引起的。可以推断出，光谱分御是由于炉内铁水中碳含量的不断变化而变化的，进而可 以通过研究不同时期炉口火焰的光谱变化情况来了解铁水中碳台量。 2 2 光谱获取系统 由于转炉炼钢现场条件恶劣，炉口火焰温度高，为实现非接触、低成本、准确可靠， 本文在工作室现有的条件下丌发了炉口火焰光谱信息获取系统，主要由光谱仪和光纤构 成。其中光谱仪用柬采集炉口火焰的光谱信息；光纤是为了便于瞄准，保护光谱仪远离 现场恶劣的环境，延长光谱仪的使用寿命。其一端瞄准炉口火焰光谱，另一端与光谱仪 相连，可以称为光谱仪的延伸。整个系统的原理框图如图23 所示。 光纤；2 光谱仪_ 3 分析软件及终点预测模型 圈2 3 系统原理框图 光谱仪( s p e c t r o s c o p e ) 是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜和衍射 光栅等构成。其主要功能有：1 ) 按波长或波数分解被研究的光：2 ) 测定各波长的光所 具有的能量，得到能量按波长的分布；3 ) 显示并记录分解开的光波按波长或波数的分 布，得到光谱图。 光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱 仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分， 有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的 分光光度计等田j 。表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。 对于本文在选择最合适的光谱仪时，需要考虑的因素有以下几个方面： ( 1 ) 光学分辨率。光学分辨率是需要考虑的主要因素之一，是由探测器的像素数 与狭缝宽度和光栅对数共同决定的。通常，用波长范围除以像素数的比值或色散来表示 分辨率。还有一种更好表述分辨率的方法是使用半高全宽值( f w h m ) ，即最大峰值光 强一半处所对应的谱线宽度( 如图24 所示) 。用这种表示方法可以直接对比不同光谱 仪的实际光学性能，并避免一些缺陷，如：有的光栅并没有用到全部像素：采用交叉式 硕士论文基于支持向量机的转炉终点预测研究与实 c z e r a y t u r n e r 光路设计的光谱仪中，由于光路中过大的反射角和固有的系统放大率t 光 学系统不能把狭缝清晰地成像在探测器上。由于转炉炉口火焰所发出的光大都在可见光 区域，本文可以选择窄波段工作波长的光谱仪。 ”“ 闰24 半高全宽值( f w h m ) ( 2 ) 灵敏度。灵敏度是需要考虑的另一个因素。现在的主流微型光谱仪都采用线 阵探测器，所以灵敏度跟像素数没有任何关系。但面阵探测器例外，因为面阵探测器在 垂直方向的每个像素都会被累积，在某种意义上，垂直方向上的所有像素的累积可以被 看成一个更大的像素。因此，探测器的响应曲线比灵敏度更值得考虑。图25 是几种典 型揲测器的灵敏度响应曲线。由于转炉炉口火焰温度过高，需要远距离使用光谱仪，导 致探测到的信号较弱，应选用旯敏度较高的探钡4 器，本文选用c c d 探测器。本文所选 光谱仪是应用在可见光区，无需考虑c c d 探测器的像素数，只需考虑其品牌。由图25 可以看出，t a o s 品牌除外，其余几个品牌的c c d 探测器都可被本文选择。 h h o 自 强2 5 几种典型探测器的灵敏度响应曲线 ( 3 ) 信噪比。信噪比也是需要考虑的一个因素。对于c c d 光谱仪，较高的灵敏度 导致了较低的信噪比。在一定范围内，可以通过对光谱进行多次平均柬提高信噪比。平 均次数的平方根恰好是信噪比提高的倍数。 ( 4 ) 光栅。光栅的选择由波长范围和光学分辨率两个分辨率决定。波长范围受限 于所选择的探测器或光栅，或二者都有。光学分辨率不仅受限于光栅，还受限于狭缝宽 j j j i lit 2 炉i a 出焰光l 什析0 扶舣坝l 论z 度和探洲器像豢数和像元尺寸。同时还要考虑第i 个困索即光栅还会影晌系统的灵敏 度，这是凼为不同光栅的闪耀波长( 即最高效率) 位置不同。 ( 5 ) 狭缝。狭缝也是需要考虑的因素。狭缝安装在光纤接头处，被永久的划定在 光谱仪上。狭缝越小，光学分辨率越高；狭缝越大，进入光学平台的光通量越多，即灵 敏度越高。从本质上来说，需要折衷兼顾光诺仪的分辨率和灵敏度。 综台考虑| 三l 上众多网裘，本文选用的是海洋光学公司的产品u s b 4 0 0 0 微型光纤光 谱仪系列。p 的u s b 4 0 0 0 一v i s - n i r ，空u 图26 所示。u s b 4 0 0 0 光嘴仪具有强人的电子系 统：带n 自劬清零功能的1 6 位a ，d 转换嚣( 增强的电子暗电流校i f ) ；采h je e p r o m 存f ( 占校正系数，方便操作：8 个i 叮编程g p i o 接u 用束控制外围设备；咀搜一个屯子快 门，i u 使积分时叫最短达到38 毫秒有效地避免探测器饱和。而且u s b 4 0 0 0 的信噪 比可以达到：3 0 0 ：1 ，光学分辨率( f w h m ) 为15 r i m ( 选用的光栅为3 0 0 线m m 和入 射狭缝为2 5 岍) 。u s b 4 0 0 0 可以通过u s b 20 与电脑连接。每台u s b 4 0 0 0 光谱仪的特 件数据邦存储在它的内存中；采用跨平台( l i n u x ，m a c 或者w i n d o w s ) 的s p e t r a s u i t e 软件，可以很容易地读取这些数拙并可以支持热交换。当通过u s b 与讨算机连接时， u s b 4 0 0 0 将依靠计算机供电，光需外接电源。 甜2 6u s b 4 0 0 0 光诺仪 u s b 4 0 0 0 一v i s n i r 的技术参数如表2 1 所尔： 袁2 i 技术参数 物理特性 尺寸：8 9l m 6 33 r a m x3 44 r a m 重量： i o o g 探棚器 探m 0 器：东芝t c d 3 0 4 a p 线阵c c d 阵列 像元：3 6 4 8 缘素 像元尺寸：8 w n 2 0 0 p r o 硕士论文基于支持向量机的转炉终点预测研究与实现 像元阱度：1 0 0 ，0 0 0 电子 灵敏度：4 0 0 n t o ：1 3 0 光子计数值；6 0 0 h m ：6 0 光子计数值 光学平台 设计： 似，非对称交叉c