（系统工程专业论文）球团质量预测系统的建模及其应用研究.pdf

噩宁科技大学硕士论文 摘要 摘要 对于链篦机一回转窑这样多变量、非线性、变量间高度耦合的复杂工业 生产过程，很难通过建立精确的数学模型来进行分析与研究；而且，随着 计算机技术和检测技术的迅速发展，在球团生产过程中存有大量的运行数 据，这些高度冗余的数据显然包含了系统热工制度与最终产品质量之间的 隐含对应关系。如果能把这种隐含关系找出来，并建立一个球团质量预测 系统用于指导氧化球团生产，将十分有意义。 然而，高维数据包含的大量冗余信息给数据分析带来了困难。因此， 对高维数据进行数据分析时，必须先对原始数据进行降维处理。以多变量 投影方法一一主成分分析核心的多变量数据降维技术可以有效地解决这 些问题。然而，对于存在严重非线性的工业生产过程，p c a 分析结果却不 尽人意，而非线性主成分分析法( n p c a ) 却可以起到很好的效果。 小波神经网络是小波分析和神经网络的结合，正是由于其引入了小波 神经元的伸缩和平移因子，因此具有更好的函数逼近能力，它已被证明对 于克服其它神经网络收敛性不好的缺陷有明显的优势。然而，当网络模型 输入变量维数过高，网络模型过于复杂时，往往导致网络训练精度下降， 建模效果变差。 本论文结合了非线性主成分分析和小波神经网络的优点，并根据对球 团生产工艺与球团理论的学习与理解，提出、建立并开发了一种基于非线 性主成分分析( n p c a ) 一自调节小波神经网络( a w n n ) 的球团质量预测系统。 本论文主要工作如下： ( 1 ) 根据小波分析理论和小波神经网络理论，并在相关研究成果的基 础上，提出了一个自调节小波神经网络模型。 ( 2 ) 根据链篦机回转窑球团法生产过程及球团理论，并针对链篦机一 回转窑工艺段的多变量、非线性、变量间高度耦合的特点，提出了基于 n p c a a w n n 的球团质量预测系统的建模思想与优化方法。利用n p c a 法 对a w n n 网络的输入因子数进行优化与约简，以简化网络的复杂度。 ( 3 ) 为了证明建模方法的有效性并作为比较，本文还建立了一个基于 n p c a b p n n 的球团质量预测模型，并从鞍钢集团弓长岭矿业公司球团二 厂现场采集数据进行预处理、训练、预测试验及比较。试验结果显示： n p c a a w n n 模型的预测效果好于n p c a b p n n 模型的预测效果，达到现 辽宁科技大学硕士论又 摘要 场容许要求。 ( 4 ) 本文根据n p c a a w n n 模型原理，并借助数据处理软件 m a t l a b 7 0 与高级编程环境v i s u a lc + + 6 0 ，开发了氧化球团质量预测系 统，n p c a 算法部分采用m a t l a b 编写，而a w n n 算法及软件界面实现部 分采用v c + + 编写，并详细介绍了m a t l a b 和v c + + 联合编程的思想及实现 方法。开发的系统用户界面友好，便于操作，基本实现了预测功能，具有 一定的应用价值。 关键词：链篦机一回转窑，质量预测，非线性主成分分析，自调 节小波神经网络 辽宁科技大学硕士论文a b g m a c t a b s t r a c t b e c a u s et h eg r a t e k i l ni sac o m p l i c a t e di n d u s t r yp r o c e s s i n gf o ri t s n o n l i n e a r ，m u l t i - v a r i a b l e sa n dh i g hc o u p l i n gb e t w e e nt h e m ，i ti sd i f f i c u l tt o e s t a b l i s hap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lf o ra n a l y s i sa n dr e s e a r c h ；m o r e o v e r ， w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ， l o t so fh i g h l yr e d u n d a n to p e r a t i n gd a t ai ss a v e dd u r i n gt h ep r o d u c t i o no f p e l l e t i tc o n t a i n st h eh i d d e nr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es y s t e m sp y r o l o g y i n s t i t u t i o na n dt h ef i n i s h e dp e l l e t i tw i l lb ev e r ym e a n i n g f u lt of i n d t h e h i d d e nr e l a t i o n s h i pa n de s t a b l i s hap e l l e tq u a l i t yp r e d i c t i o ns y s t e mt og u i d e t h ep e l l e tp r o d u c t i o n t h er e d u n d a n c yi n f o r m a t i o nc o n t a i n e di nm u l t i v a r i a b l ed a t ai st h eo r i g i n o ft r o u b l et ot r a d i t i o n a la n a l y s i s i ti sam u s tt or e d u c et h ed i m e n s i o no ft h e o r i g i n a l d a t aw h e nw ea n a l y s i st h e h i g h d i m e n s i o n d a t a t h e p r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) ，t h em o s tp o p u l a rd i m e n s i o n a l i t yr e d u c e sw a y p e o p l eu s i n gn o w ，c a ns o l v et h i sp r o b l e me f f i c i e n t l y h o w e v e r ，p c ah a s u n s a t i s f a c t o r yr e s u l t sf o rt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o ne x i s t i n gn o n l i n e a rp r o c e s s ， a n dt h en o n l i n e a rp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ( n p c a ) c a nb ev e r y e f f e c t i v e w a v e l e tn e u r a ln e t w o r k ( w n n ) i st h ec o m b i n a t i o no fw a v e l e ta n a l y s i s ( w a ) a n dn e u r a ln e t w o r k ( n n ) j u s tb e c a u s eo fw a v e l e tn e u r o n ss t r e t c h i n g a n dt r a n s l a t i o nf a c t o r ，w n nh a sab e t t e ra b i l i t yt of u n c t i o na p p r o x i m a t i o n i t h a sb e e np r o v e nt h a tt h ew n nc a no v e r c o m ea p p a r e n t l yo t h e r n n s d e f i c i e n c i e si nc o n v e r g e n c e t h ep r o b l e mi st h a te x c e s s i v ei n p u t v a r i e sa n d c o m p l e xs t r u c t u r eo f t e nm a k et h ec o n v e r g e n c ea c c u r a c y d e s c e n da n dt h e m o d e l i n ge f f e c tw o r s e b a s e do nt h ea d v a n t a g e so fn p c aa n dw n na n da c c o r d i n gt ot h e u n d e r s t a n d i n gt ot h ep e l l e tp r o d u c t i o np r o c e s sa n d t h ep e l l e tt h e o r y ，t h i sp a p e r p r o p o s e d ，e s t a b l i s h e da n dd e v e l o p e dap e l l e tq u a l i t yp r e d i c t i o ns y s t e mb a s e d o nt h en o n l i n e a rp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( n p c a ) a n dt h ea d j u s t a b l e w a v e l e tn e u r a ln e t w o r k ( a w n n ) t h i sp a p e r sw o r k sa r ea sf o l l o w s ： h i 辽宁科技大学硕士论文a b s t r a c t ( 1 ) i nt e r m so fw a v e l e ta n a l y s i sa n dw a v e l e tn e u r a ln e t w o r kt h e o r ya n d b a s e do nt h er e l a t e dr e s e a r c hh a r v e s t s ，aa d i u s t a b l ew a v e l e tn e t w o r km o d e i ( a w n n ) w a sp r o p o s e d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ep e l l e tp r o d u c t i o np r o c e s sa n dt h ep e l l e tt h e o r ya n di n t e r m so ft h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eg r a t e k i l nw i t hi t sn o n l i n e a r , m u l t i v a r i a b l e sa n dh i g hc o u p l i n gb e t w e e nt h e m ，t h em o d e l i n ga n do p t i m i z i n g m e t h o di n t r o d u c i n gn p c aa n da w n nw e r ep r o p o s e d t h en p c am e t h o dw a s u s e dt or e d u c ea n do p t i m i z et h ei n p u t so fa w n n i tc a n p r e d i g e s tt h en e t w o r k c o m p l e x i t y ， ( 3 ) i no r d e rt op r o v et h ev a l i d i t yo ft h em e t h o da n da sac o m p a r e ，t h i s p a p e ra l s oe s t a b l i s h e dap e l l e tq u a l i t yp r e d i c t i o ns y s t e mb a s e do nt h en p c a b p n n ，a n dc o l l e c t e ds c e n ed a t af r o mg o n gc h e n g l i n gp e l l e tt if a c t o r yo f a n s h a ni r o na n ds t e e lc o m p a n yt op r e t r e a t ，t r a i n ，p r e d i c ta n dc o m p a r e t h e r e s u l ts h o w e d ：t h ep r e d i c t i o no fn p c a a w n nm o d e li sb e t t e rt h a nt h a to f n p c a b p n n ，a n dc a nr e a c hr e q u i r eo fs c e n e ( 4 ) i nt h i sp a p e r ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fn p c a a w n n ，ap e l l e tq u a l i t y p r e d i c t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e db yu s i n go ft h em a t l a b7 0a n dv i s u a l c + + 6 0 。t h ep a r to fn p c aa l g o r i t h mw a sc o m p i l e db ym a t l a b a n dt h e p a r t so fa w n na n ds o f ti n t e r f a c ew e r ec o m p i l e db yv c + + t h ei d e aa n d r e a l i z a t i o nm e t h o do f j o i n tp r o g r a m a b o u tm a t l a ba n dv c + + w e r e i n t r o d u c e di nd e t a i l t h eu s e ri n t e r f a c eo fd e v e l o p e ds y s t e mw a s f r i e n d l ya n d e a s yt oo p e r a t ea n dh a dt h ec e r t a i na p p l i c a t i o np r i c e k e y w o r d s ：g r a t e k i l n ，q u a l i t yp r e d i c t i o n ，n o n l i n e a rp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ( n p c a ) ，a d j u s t a b l ew a v e l e tn e u r a ln e t w o r k ( a w n n ) 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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 获得辽宁科技大学或其它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 的说明并表示了谢意。 獬2 乎l 嗍：彳掣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：卜导师签名： t 宁 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课压研究背景 近年来，随着高炉日益大型化、现代化，对入炉炉料提出的要求也越 来越高，高炉合理炉料结构也越来越受重视。理论与研究均表明，酸性球 团矿与高碱度烧结矿的有效搭配，可以构成高炉合理的炉料结构，可使高 炉利用系数提高、焦比降低。所以，高炉所需的烧结矿和球团矿等人造 富矿，是我国高炉炉料结构的发展方向，这就促进了我国球团矿生产的迅 速发展。据统计，在世界炉料的新增产髓中，球团产能得到明显的提高。 而在我国，目前球团生产产家有二十多家，球团矿的年产球团量已达4 0 0 0 万吨以上，我国近年来球团产量如图1 。1 所示。尽管我国球团矿产量逐年 增加，但是仍然满足不了炼铁生产对球团矿的需求。据统计，2 0 0 5 年我国 生铁产量已达3 3 亿吨，如按高炉入炉炉料2 0 3 0 为酸性炉料计算， 5 0 0 0 留4 0 0 0 蒜s o o o “2 0 0 0 1 0 0 0 1 9 9 9 2 0 0 02 0 0 】2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 6 年份( 年) 图1 - 1 我国近年米球团产量( 万吨) 年需酸性炉料近1 亿吨左右。而酸性炉料的主要来源就是球团矿，可见我 国球团矿的缺1 ：3 很大，与冶金行业的发展还不相适应。因此，增加氧化球 团生产能力，改善高炉炉料结构，提高球团矿比例成为一种发展趋势。此 外，国家产业政策也鼓励大力发展球团经济。在2 0 0 0 2 0 0 5 年冶金科技 发展指南中明确提出了实现“十五”炼铁科技发展目标的措施和对策， 其中指出“要从选矿、烧结、球团、炼焦各方面采取措施，提高高炉精料 水平，特别是要进一步提高入炉矿品位，在大量喷煤、降低焦比的情况下， 高炉料柱透气性恶化，为了保持炉况顺行，必须大幅度提高入炉品位，降 低渣量，要大力发展球团生产，建立商品球团生产基地，提高熟料中球团 的配比，球团配比要从目前不足1 0 提高到2 0 3 0 ”。 目前，一些钢铁企业已建有自己的球团生产线，但还有很多钢铁企业 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 依靠外购或进口球团矿。由于外购或进口球团矿存在价格高等问题，造成 生铁及后续产品成本偏高。因此，利用自身资源解决钢铁企业生产的原料 问题是我国发展钢铁工业的一个优先选择【2 】。 自1 9 4 7 年美国投产了世界上第一座工业生产球团竖炉后，竖炉曾一 度发展很快，但随着钢铁工业的发展，要求球团生产不仅能处理磁铁矿， 而且能处理赤铁矿、褐铁矿、土状赤铁矿等。此外，市场竞争也要求设备 向大型化方向发展。因此相继试验出带式焙烧机、链篦机一回转窑、环形竖 炉等，而且这些设备一直处于彼此相互竞争状态。目前世界上球团工业生 产中，用得最多的主要有三种球团焙烧方法，即竖炉法、带式焙烧机法和 链篦机一回转窑法三种工艺方法。这三种设备焙烧工艺的比较见表1 1 。 表1 1 三种球团焙烧工艺比较 工艺名称优点 缺点球团质量 设备简单，对材质无特均匀加热困难，单机生 竖炉球团法殊要求，操作维护方便，产能力小，当焙烧放热 一般 热效率高，投资少，建效率低的球团矿时，产 设周期短。量较低。 全部工艺过程在台设球团矿上下层质量不 带式焙烧机法备上进行，操作简单、均，台车易烧损，需要 良好 控制方便，焙烧周期比 耐热合金钢较多。 竖炉短。 设备简单，焙烧均匀，设备多，干燥预热、焙 链篦机一回转窑法单机生产能力大，可使烧和冷却需要分别在三 用煤粉作为燃料，适应台设备上进行；操作不优良 各种原料的球团焙烧。当时，回转窑容易“结 圈”。 在我国，以上三种球团生产工艺处于共生的状况，图1 2 为2 0 0 4 年我国 各种生产球团工艺所占的比例情况，从图中可以看出，竖炉球团工艺所占 比例最大，为中小型企业球团的主体工艺，这符合当前我国球团企业规模 偏小的特点。但是竖炉球团工艺的一个显著弱点就是要用磁铁精矿作为球 团原料，而目前国内外市场上磁铁精矿资源紧张，已出现供不应求的局面， 辽宁稃技大学硕士论文 第一章绪论 图1 22 0 0 4 年我国生产球团工艺方法比例( ) 因而竖炉今后的发展将越来越受到铁矿资源的制约；带式焙烧机一般适合 大型矿业公司和原料长期稳定供应的钢铁企业，这也导致其很难在我国大 面积推广：由于我国铁矿原料供应的稳定性很差、复杂多变，相比而畜，采 用链篦机回转窑工艺更为适合。此外，目前我国焙烧球团的热源主要还只 能依靠煤，高热值的燃气和燃油供应十分困难，即使有所供应，其价格也 相对偏高，这势必影响到球团矿的生产成本。相比较，采用煤作焙烧的燃 料在这方面具有较大的优势，这也比较适合予采用链篦机回转窑生产工 艺“。 键篦枫西转窑工艺最早用于东泥的焙烧，以降低能耗。美国爱墨斯一 哈默斯于1 9 6 0 年在亨博特球团厂建成世界上第一套生产铁矿球团的链篦 机回转窑系统。这釉新的球团工艺一缀阀世，就得到了世界各钢铁、矿业 部门的重视，并获得迅速发展，成为现今球两生产最先进的主流生产方式 之一。1 9 6 0 年链篦机一回转窑的生产能力仅占世界球团总生产能力的3 7 ， 1 9 6 4 年以后就开始成倍增长，1 9 7 1 年该法生产能力达到当对总生产能力 的3 3 。到目前为止，链篦机回转窑法球团矿生产能力己占世界球团矿总 生产能力的4 0 以上。目前，我国拟建、在建和投产的球团生产线总共有 2 8 条之多( 其中以鞍钢集团弓长岭矿业公司的规模最大、年生产总量最高) ， 等这些项目全部建成投产以后，全国总的球团年生产能力最终可达到7 0 0 0 万吨友右，其中链篦机一回转窑法生产的球团量将占5 0 左右，可以为高炉 提供2 0 左右的高品位优质炉料。 1 2 链篦机回转窑法球团生产工艺简介 球团法是将细蘑精矿制成能满足冶炼要求的块状物料的一个加工过 程。其过程为：将准备好的原料( 细磨精矿或其他细磨粉状物料，添加剂或 粘结剂等) 按一定的比例经过配料、混匀，在造球机上经滚动丽制成一定尺 寸的生球，然后采用干燥和焙烧或其他方法使其发生一系列的物理化学变 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 化而硬化固结。这一过程就叫做球团过程，这种方法称为球团法。它所得 到的产品就称之为球团矿 3 】。 在球团矿制备过程中，物料不仅由于滚动成球和粒度密集而发生物理 性质( 密度、孔隙率、形状、大小和机械强度等) 上的变化，而且也发生了 化学和物理化学性质( 化学组成、还原性、还原膨胀性、低温还原耪化性能、 高温还原软化性能、熔滴性能等) 上的变化，从而使物料的冶金性能得到改 善舶。 链篦机一回转窑是一种联合机组，包括链篦机、回转窑、环冷视及其附 属设备。这种球团工艺的特点是：予燥预热、焙烧和冷却三个过程分剐在 三台不同的设备上进行。生球团的干燥、预热在链篦机上进行，预热后的 预热生球豳进入回转窑焙烧，最后在冷却机上迸行冷却。虫子这种工艺特 点，使得各段的控制调节较为方便灵活，在处理不同矿种的物料时均可获 得均匀优质的球团矿。其中，对于链篦机段，又有三种不同的工艺类型： “二室二段”式、“二室三段”式和“三室匹f 段”式。这三种工艺类壅的 差别是“室”与“段”的多少，而根本性工艺则是大同小异的，所以以下 不群区别地阐述。 概括来说，它们的工艺流程大致如下：将铁精矿和膨润土在配料室按 一定比倒进行配料；琵料完厝的混合料在于燥机上烘干( 水分由1 0 经烘干 后降至8 左右) 、混匀；在润磨机上对混合料进行润磨；通过拉式皮带机 把润磨好的混合料送至造球盘造球；通过布料筛分系统，均匀把生球布在 链篦机上( 布料上限高度约为2 2 0 m m ) ；生球进入链篦机炉罩后，在链篦机 上进行干燥、预热；在目转窑中固化、焙烧：在环冷机上冷却( 温度兰1 5 0 c ) ； 最后通过皮带机或链板机运至成品场储存。成品球团矿的粒度为9 1 6 r a m 之闯，其中l o 1 6 m m 之间的应占约9 0 。不合格者将被返料，并与除尘 灰一起返回使用，这样能够充分回收和利用资源，并确保生球的质鬣。 1 3 鞍钢集宙弓长蛉矿业公司球团= 厂氧化球匐生产概流 鞍钢集团弓长岭矿业公司球团二厂( 以下均简称为“球团二厂”) 生产 线是一个集制煤、配 l l i 、混合、造球、筛分、布料、干燥、预热、培烧、 冷却、出料等于一体的复杂过程。 全厂生产工艺流程图【5 1 如图l 一3 所示。 辽宁科技大学硕士论文 精矿膨润士粉烟煤 图1 3 全生产工艺流程不意图 由上面流程图可以看出，对于链篦机一回转窑段，球团二厂采用的是较 为先进的“三室四段”式，即将链篦机分为鼓干段、抽千段、预热i 段和 预热i i 段四段。它有两条主要供给线：首先是物料供给线，包括配料、混 合、造球、布料等几个环节，其主要功能是为链篦机回转窑系统提供所要 加工的原料一一生球；其次是燃料供给线，其中包括煤粉制取环节与包括 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 助燃风和冷却风的空气供给环节等。 球团二厂以磁精矿、干精矿和膨润土的混合物为原料，经造球工艺后 生产出生球，然后送往链篦机一回转窑工艺段进行煅烧生产出熟球，即为最 终成品球。 链篦机回转窑法球团生产工艺的最终产品是酸性氧化球团，其成品球 质量指标如表1 2 所示： 表1 2 成品球质量指标 1 4 当前链蓖机回转窑法球团生产中存在的问题及研究意义 1 4 1 当前生产中存在的问题 在使用链篦机回转窑工艺生产球团过程中，要提高成品球球团的产量 和质量可以从以下七个方面来考虑 6 f7 ： 1 改善原料( 铁矿粉与膨润土) 质量； 2 保证配料的正确性和混合的均匀性； 3 改善造球机的性能，保证“造好球”； 4 严格筛除不合格的生球和保证链篦机上生球铺布平整： 5 实现链篦机的正常运行，优化链篦机一回转窑的热工制度； 6 强化回转窑的操作； 7 排除大块，保证球团矿的冷却； 在表1 2 所示的这些质量指标中，前三项指标基本上由原料和造球工 艺段决定，而后四项指标受链篦机一回转窑系统的热工制度及其实现的好坏 影响较大。因而这种状况下，对链篦机一回转窑系统热工制度的控制和调节 变得尤为关键和重要。据我们现场调研及分析化验室的数据发现，目前球 团二厂生产出来的球团，其t f e 、f e o 、r 和耐磨指数几乎都满足合格品 的要求；但是其抗压强度、转鼓指数等却离散度很大，经常满足不了合格 品的要求。也是基于这种状况，本论文选择抗压强度与转鼓指数作为成品 球质量好坏的衡量指标。 然而，目前在球团二厂( 大多数球团厂亦如此) 球团生产过程中，还是基 于工艺原理和工人的经验对参数进行调整，以此来保证成品球质量。我们 辽宁科技大学硕士论又 第一章绪论 知道，影响成品球质量的因素、以及它们和成品球质量之间的蕴含的关系 相当复杂，目前对这些关系的认识还不完善，仅凭这些不完善的知识和经 验来指导生产，显然存在许多不合理、不科学的因素。此外，对于氧化球 团生产过程，产品质量指标的检测大多是在成品球生产出来以后才可以进 行，这样的大滞后，长周期的质量数据对指导成品球的质量控制很不利， 它很难用于指导操作工人的操作以及针对生产过程的实时质量状况调整 生产工艺参数。 1 4 2 课题研究的意义 就链篦机一回转窑系统运行过程来说，这样大滞后、长周期的质量数据 无法让操作工人实时地了解生产过程的实时质量状况，这势必会对最终成 品球的质量控制产生一定影响。此外，当发现成品球质量不合格时，几乎 已经无法挽回，这样必将造成很大的浪费，影响企业的产品质量和生产效 益。 根据对球团生产工艺理论的研究和现场调研，经分析得出如下结论： 在某个特定的生产状况下，如果要生产出质量优良的成品球，必须使链篦 机一回转窑系统处于相对应的热工制度下运行；反之，对于某个特定的生产 状况，应该也可以根据系统的热工制度及运行参数来提前判断或预测成品 球质量的好坏。于是，通过建立一个成品球质量预测系统来对生产过程中 的成品球质量进行预测，现场操作人员就可以根据预测结果及时了解当前 的生产状况的好坏，从而有针对性的调整生产工艺参数以提高成品球的质 量，这也正是本课题研究意义之所在。 1 5 本文研究内容及章节安排 链篦机一回转窑球团生产工艺是当今球团生产领域最主要的球团生产 工艺。其中，链篦机一回转窑工艺段更是整个球团生产过程中最重要的环节 之一，该工艺段热工制度控制与调节的好坏在很大程度上决定了最终成品 球球团质量的优劣。本文通过对链篦机一回转窑法球团生产工艺特性的分析 和对多元统计分析、小波分析、人工神经网络的学习研究，在球团二厂提 供的大量现场实测生产参数基础上，提出并建立了用非线性主成分分析 ( n p c a ) 与自调节小波神经网络( a w n n ) 对氧化球团质量进行预测的思想和 建模方法，并在此思想与方法的基础上，做了一些有意义的工作。 根据以上的研究内容，本文的章节安排如下： 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论阐述了本文的研究背景及意义，介绍了链篦机一回转窑法球 团生产工艺及其生产过程中存在的问题，并依此提出本课题的研 究意义，章末概括了本文的研究内容及章节安排。 第二章主成分分析方法及其改进方法介绍了传统主成分分析方法( p c a ) 的基本思想和相关的概念，并对其计算步骤进行了详尽地阐述， 然后针对本课题研究对象的特点提出其在应用上饷不足，由此引 入了非线性主成分分析法( n p c a ) 的算法。章末还对主成分分析思 想在实际建模中的应用情况进行了总结。 第三章神经网络与小波神经网络本章主要包括四大部分内容。首先是 人工神经网络部分，主要介绍了传统b p 网络算法，并提出了其在 建模中应注意的一些问题：然后是小波神经网络部分，主要阐述 了小波理论基础及小波神经网络的分类等内容；接下来对其应用 现状进行了概括；最后是小波神经网络的改进部分。通过对网络 隐含层节点自调节来对网络结构进行优化，并介绍了其结构模型 与算法，并把它与传统的b p 、r b f 网络进行了定性比较分析，显 示其优越之处。 第四章氧化球团质量预测系统建模与预测研究本章首先提出系统、系 统建模的概念以及本课题研究对象的特点与难点，然后提出了基 于n p c a a w n n 的系统建模思想，接下来依照“现场数据采集一一 数据粗处理一一非线性主成分分析法数据处理一一系统建模一一 模型训练一一模型预测”的思路展开，在章末还对n p c a a w n n 预测模型与n p c a b p n n 预测模型进行了对比试验，证明了 n p c a a w n n 预测模型的优越性。 第五章氧化球团质量预测系统的软件实现本章在前几章的工作基础 上，并充分利用m a t l a b 与v c + + 软件各自的优势，开发了氧化球 团质量预测系统软件。在阐述各大模块设计思想豹同时，对模块 间无缝联接技术( 包括系统安装与配置、m a l t a b 中c o m 组件的创 建以及v c + + 中c o m 组件的应用等问题) 进行了细致地阐述与探 讨。章末，通过实例运行软件，证明了其简约性与实用性。 第六章结论与展望对全文工作进行了总结，指出了现有研究工作的不 足，并对接下来的工作进行了展望。 辽宁科技大学硕士论文 第二章主成分分析( p c a ) 及其改进方法 第二章主成分分析( p c a ) 及其改进方法 2 1 引言 在实际对象建模过程中，系统变量往往会存在严重的相关性。为了全 面分析和解决问题、减小模型的复杂度，需要对这些变量进行重新组合， 提取有用的信息，并去掉冗余信息。主成分分析( p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ，简称p c a ) 是一种经典的从空间区域划分和属性类别判断角度出 发处理多元数据的非函数方法。由于p c a 能较好地解决数据相关问题，近 年来在过程软测量建模、故障诊断和过程监控中得到了广泛的应用。然而， 从本质上讲，主成分分析方法是一种线性映射方法，在处理非线性问题时， 往往不能取得好的效果 8 】。为此，专家学者先后提出了一系列的针对非线 性问题的改进方法，这些方法统称为非线性主成分分析( n o n l i n e a rp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s 。n p c a ) 方法。 2 2 传统主成分分析方法 1 传统p c a 基本思想 我们在作数据分析处理时，涉及的样本往往包含多个变量，较多的变 量会带来分析问题的复杂性。然而，这些变量彼此之间常常存在着一定程 度的、有时甚至是相当高的相关性，这就使隐含在观测数据中的信息在一 定程度上有所重叠。正是这种变量间信息的重迭，使得变量的降维成为可 能，从而使问题的分析得到简化。 传统主成分分析法( 或称主分量分析，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ) 概 念首先由皮尔逊( k a r lp a r s o n ) 在1 9 0 1 年引入，不过当时只是对非随机变量 来讨论。1 9 3 3 年霍特林( h o t e l l i n g ) 将这个概念推广到随机变量。主成分分 析是一种通过降维技术把多个变量化为少数几个主成分( g p 综合变量) 的统 计分析方法。它的主要思想就是设法将原来的变量重新组合成一组新的互 相无关的几个综合变量来代替原来变量，同时根据需要从中取几个较少的 综合变量尽可能全面反映原来众多变量的信息9 1 。 在主成分分析中，在白变量样本中提取几个综合变量，使之能最好的 概括原数据样本中有用的信息，保证数据信息损失最少，这样的综合变量 就是主成分。可以看到，如果把主成分按照携带信息多少的顺序排列，淘 汰携带较少信息的主成分，而留下几个能最大限度的反映原始变量的主成 辽宁科技大学硕士论文 第二章主成分分析( p c a ) 及其改进方法 分，那么就对高维变量空间进行了降维处理。很显然，在一个低维空间做 系统分析要比在高维空间容易的多。 举例说明：比如有2 个测量变量五、南数据分布如图2 - 1 所示。若 用五和工，为坐标进行分析，数据变化相对x 。和x ：差异不大，但当坐标旋转 后，以y 和y ，为坐标来分析，可以看出数据差异主要体现在y 。上。这样， 在误差范围允许的情况下，就可以将y ，忽略，2 个变量缩减为1 个，问题 得到简化；豫当数据矩阵维数相当大时，这种变量个数的缩减无疑会给问 题的分析带来很大好处。在上述情况下，y ，、y ：都是x 1 和x 2 的线性组合， 它们分别称为变量集 ，屯】的第一主成分和第二主成分。 再2 地 。 、 。 y k ， 。声 ! ； t 一l t 葛誊 ：r ? 略。 、， ，事 、 图2 1 主成分原理示意圈 2 传统p c a 涉及的重要概念 ( 1 ) 方差贡献率和累计方差贡献率 主成分分析方法主要用于对高维空间进行降维，即将多因素问题变换 为较少因素问题，以减少闯题的复杂性。既然是降维，必然或多或少的要 损失部分信息。如果所损失的信息恰好是样本的噪声，那是最理想的，然 而理论上这是无法预测的。 由于主成分向最p 是由覆始工艺参数线性组合两成，备主成分所含的 原始工艺参数的信息不一样。为此，需要引入一个主成分的方差贡献率的 概念，用来表示衡量主成分综会原始变量能力的强弱。 定义2 1 方差贡献率：总方差中属于第f 主成分的比例1 1 】。即 | p 略= 五五 ( 2 一1 ) ，t = l 称为第i 个主成分y l 的贡献率。 辽宁科技大学硕士论文第二章主成分分析( p c a ) 及其改进方法 式中，丑一一代表第i 个特征值。 由于特征值的大小反映了对应的主成分样本的离差程度，所以用它来 定义贡献率可以表现样本差异的信息。 由于主成分分析的目的就是为了降维，因而需要在不给总方差带来较 大影响的条件下，尽可能减少这p 个主成分的使用量。但究竟降到多少维， 才能保证主要信息没有遗漏? 为此，需要引入累计方差贡献率的概念来表 示前1 n 个主成分所提取的原始变量信息量的比重。 定义2 2 累计方差贡献率：前m 个主成分的方差贡献率之和为2 ： m，o 窆其中m p ( 2 2 ) i = 1，i = 1 称为主成分y l ，y 2 ，k 的累计方差贡献率，它表明一，y 2 ，l ( m p ) 解释 x 】，x 2 ，x 。的能力。 实际应用中，确定聊的值通常需使累计方差贡献率达到7 5 9 0 或 以上；也可以根据特征值的图形变化来确定3 】。在各种数据确定的情况下， 若m p 的比值越小，则该原始数据使用主成分分析方法越有效。 ( 2 ) 主成分的性质描述 前面已经提到，从代数学角度来看，主成分就是p 个原始变量x 1 ， x 2 ，x p 的一些特殊的线性组合；而从几何学角度来看，这些线性组合 正是把x 1 ，x 2 ，x p 构成的坐标系旋转产生的新的坐标系，新坐标轴使 之具有最大的样本方差。 概括来说，主成分有如下两个性质h2 ： - 主成分向量是原始样本向离差最大的方向投影的轴。因此，选择 若干特征值大的主成分构成的子空间，可提取最能表现样本差异 性质的信息作为新的变量，即提取出有效的特征变量； _ 主成分相互正交。由于样本主成分向量两两正交，因此，用主成 分向量作为新的特征变量，信号不会重叠，这样可以用少于原始 变量数目的新变量稳定而较全面地描述变量和目标的关系。 3 传统p c a 计算步骤总结 结合上面的表述，主成分分析的具体的计算过程，通常由五步组成： 第一步，整理原始数据并进行数据标准化处理： 设有n 个样本，每个样本有p 个观测变量x ，x ：，x 。，得到原始数据矩 阵为： 辽宁科技大学硕士论文第二章主成分分析( p c a ) 及其改进方法 x= 其中：x= x 1 12 x 2 lx 2 2 ： ： x 月lx n 2 x i i x 2 i ： x 葺。 屯p 。： = ( x l ，x2 ，x 。) ( 2 3 ) 标准化后的自变量为： 夺皤# j ( 2 - 4 ) 式中： x ，一一等式右边的x i 为原始自变量矩阵； 等式左边的x i 为经标准化得到盼第i 样本的第个变 量的数据。 x 一一为第，个变量的算术平均值。 s ，一为第j 个变量的标准偏差。 其中： 沪厣i 习丽 第二步，计算自变量矩阵的协方差y ： v=x7x 第三步，计算协方差矩阵y 的特征值a 、特征向量p 、 累计方差贡献率： v p = p a 式中： a 一为特征值矩阵，且 a = 五0 五 o ( 2 5 ) ( 2 6 ) 方差贡献率、 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 对于方蒺贡献率与累计方差贡献率的求取，如式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 。 第四步，选择m 个主成分( m p ) ，计算出相应的单位特征向量，由此 辽宁科技大学硕士论文 第二章主成分分析( p c a ) 及其改进方浩 计算出训练样本的主成分： t = x p ( 2 - 9 ) 第五步，结合具体的专业知识或研究对象的具体特点，对所选的主成 分进行恰当的解释或作进一步的分析与处理。 2 3 传统p c a 在本课题建模中的缺陷及其改进方法 2 3 1 传统p c a 方法在本课题建模中存在的缺陷 我们知道，若原始的过程变量已经是互不相关的，则对其提取主成分 将毫无意义。运用p c a 进行评价的效果好坏或者显著与否，与原始变量数 据间是否相关有着密切的联系。一般来说，原始指标数据间相关性越高， 则提取主成分并进行主成分分析的作用就越明显，越能达到降维和保留绝 大部分原始信息的效果，主成分分析结果也就越优越、准确；反之，当选 取较多的主成分才能保留一定的原始信息，主成分分析的作用就不明显， 甚至会显得烦琐和冗余。这是p c a 的一个局限性。同时，主成分只是原始 指标变量的线性组合，而通常使用的标准化的数据及相关系数矩阵仅仅反 映了指标变量间的“线性”相关关系，因此p c a 降维技术只能处理线性问 题，这是p c a 的另一个局限性。 针对本课题的研究对象一一链篦机一回转窑系统，其是一个典型的大型 复杂工业生产过程。链篦机回转窑的工作实质是一个移动料层的过程。在 这一过程中，由于水分的蒸发、石灰石的分解以及磁铁矿的氧化等反应而 使其内在机理变得十分复杂。正是由于系统运行过程中工艺参数众多，而 且参数之间存在着强耦合的特点，所以，有必要利用多元统计方法对其进 行分析、约简，以尽量减小建模研究的难度与复杂度。然而，由于系统的 工艺参数与质量指标之间呈现着某种非线性关系，所以，如果利用传统 p c a 来降维，结果又难免会得到不客观的结果，因此有必要另辟蹊径。 2 3 2 传统p c a 的改进方法及其计算步骤概括 针对以上提出的问题，本课题引入“艾奇逊对数中心化法”进行改进 1 4 。艾奇逊对数中心化法作为一种有效的非线性主成分分析方法，在实际 生产与科研中应用十分广泛。 其具体计算步骤如下： 现设有如式( 2 3 ) 的样本集，含有p 个指标变量，n 个样本。 令 辽宁科技大学硕士论文 第二章主成分分析( p c a ) 及其改进方法 l0 以= i n x o 一二z l n 屯 ( 2 1 0 ) p