一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法
【專利摘要】一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法，包括建立離線預(yù)測模型數(shù)據(jù)庫；利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法建立鋼水溫度預(yù)測模型和碳元素含量預(yù)測模型，并得到操作變量與轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中鋼水溫度與鋼水碳含量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；選擇與當(dāng)前轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程信息匹配的爐次數(shù)據(jù)集合，確定鋼水溫度與碳元素含量的控制參考曲線；建立轉(zhuǎn)爐煉鋼過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，確定各操作變量優(yōu)化設(shè)定值集合；從中選擇操作變量設(shè)定值進(jìn)行控制操作。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過程實(shí)時(shí)在線控制，方便操作人員根據(jù)實(shí)際工況設(shè)定選擇條件，提高煉鋼廠生產(chǎn)效率。
【專利說明】一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金行業(yè)過程控制【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]轉(zhuǎn)爐煉鋼的產(chǎn)量占目前煉鋼總產(chǎn)量的80%以上，轉(zhuǎn)爐煉鋼過程鋼的控制是保證冶煉鋼水質(zhì)量的一個(gè)重要條件。
[0003]轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)工藝和主要控制流程如圖1所示。一定量的固體廢鋼和經(jīng)過脫硫處理的液態(tài)鐵水裝入轉(zhuǎn)爐爐體中。然后，垂直爐底的氧槍從上方進(jìn)入爐口，氧氣ΗΠ1從槍口吹入，同時(shí)添加石灰石、白云石等副原料H)01-F007，并在爐底吹入氮?dú)夂投栊詺怏wH)12進(jìn)行攪拌，熱金屬與氧氣接觸的表面形成熔池，需要去除的碳、硅、錳等元素與氧發(fā)生反應(yīng)，生成物進(jìn)入爐渣或直接從煙氣中排出，同時(shí)產(chǎn)生的能量使鋼水溫度升高。在吹煉到達(dá)吹煉后期時(shí)下取樣得到當(dāng)前鋼水的溫度與成分信息，根據(jù)這些信息與目標(biāo)終點(diǎn)值的偏差計(jì)算得出還需要加入的副原料量、頂吹氧氣量、底吹氣體量及氧槍模式，進(jìn)行動(dòng)態(tài)階段吹煉。加入的副原料量、頂吹氧氣量、底吹氣體量及氧槍模式即轉(zhuǎn)爐煉鋼操作變量。當(dāng)動(dòng)態(tài)階段吹煉結(jié)束時(shí)再次取樣，若溫度與成分滿足要求則進(jìn)行合金化處理或者出鋼，若不滿足則繼續(xù)補(bǔ)吹直至達(dá)到要求為止，如圖8所示。
[0004]雖然操作人員已經(jīng)在生產(chǎn)作業(yè)的控制方面積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗(yàn)，也取得了很大的成績，但是由于轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中存在的眾多生產(chǎn)工藝約束，而且轉(zhuǎn)爐冶煉過程中高溫、多種物理化學(xué)變化反應(yīng)速度快、冶煉周期短等特點(diǎn)，生產(chǎn)控制非常復(fù)雜。當(dāng)前的生產(chǎn)控制方法主要存在以下問題:
[0005]轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中冶煉過程環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致很多數(shù)據(jù)無法精確測量。煉鋼過程是一個(gè)非常復(fù)雜的多元多相高溫狀態(tài)下進(jìn)行`的物理化學(xué)過程，存在很多難以定量的非線性因素，并且不易獲得準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測信息，所以模型的建立與過程的控制都是極為困難的。自動(dòng)副槍技術(shù)是利用副槍的移動(dòng)攜帶測量探頭深入鋼水中直接取樣，該方法雖然測量精確，但是成本較高測量時(shí)破壞爐內(nèi)冶煉環(huán)境，無法多次連續(xù)測量；聲納儀的應(yīng)用是利用發(fā)射超聲與接收爐腔的回聲來判斷爐內(nèi)的冶煉狀態(tài)，光譜分析儀是通過提取爐口火焰光強(qiáng)與圖像信息來判斷爐內(nèi)冶煉狀態(tài)，由于爐內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，化學(xué)反應(yīng)劇烈，濃煙與小型噴濺的干擾直接影響爐內(nèi)和爐口信息的準(zhǔn)確性；煙氣分析方法作為轉(zhuǎn)爐煉鋼控制的主要方法之一，是通過連續(xù)檢測轉(zhuǎn)爐吹煉過程中產(chǎn)生的煙氣成分和煙氣流量，來推算出爐內(nèi)冶煉狀態(tài)，由于檢測設(shè)備位于爐頂煙道內(nèi)，取樣時(shí)間大滯后于反應(yīng)發(fā)生的時(shí)間。
[0006]轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)中已有的模型與控制方法大多未考慮確定冶煉過程中的溫度及成分含量的最優(yōu)軌跡曲線并利用這一結(jié)果進(jìn)行控制?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)大多是研究轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制，在冶煉過程中的利用溫度與碳等元素含量的反應(yīng)走勢進(jìn)行控制的研究方面報(bào)道的較少。中國專利CN202401090U是利用煙氣反饋的數(shù)據(jù)根據(jù)模型計(jì)算脫碳氧效率值來推定當(dāng)前鋼水中的碳濃度與溫度來判斷終點(diǎn)時(shí)間。當(dāng)煙氣數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常波動(dòng)的情況時(shí)模型結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大偏差。新日鐵與西門子煉鋼系統(tǒng)中的溫度與成分中各元素的含量走勢也是以預(yù)報(bào)為目的，沒有明確考慮在當(dāng)前冶煉條件下溫度與成分含量的走勢并利用這一結(jié)果進(jìn)行冶煉控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0009]一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法，包括以下步驟:
[0010]步驟1:建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的離線預(yù)測模型數(shù)據(jù)庫；
[0011]步驟1.1:建立動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次集合；
[0012]步驟1.1.1:在煉鋼過程的吹煉后期至出鋼結(jié)束，每間隔一個(gè)時(shí)間周期投擲一次碳溫氧探頭，測量煉鋼轉(zhuǎn)爐中的鋼水溫度和碳元素含量信息；
[0013]步驟1.1.2:將碳溫氧探頭測量的鋼水溫度與光譜分析儀測得的轉(zhuǎn)爐爐口火焰溫度進(jìn)行比對(duì)，將碳溫氧探頭測量的鋼水中碳元素含量與煙氣分析儀得到的碳元素含量進(jìn)行比對(duì)，得到煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水實(shí)際溫度與實(shí)際碳元素含量；
[0014]步驟1.1.3:選出鋼水實(shí)際溫度、碳元素含量與目標(biāo)值相符的爐況穩(wěn)定的爐次建立動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù) 據(jù)集合，該集合中每一爐次的信息包括:測量范圍內(nèi)的各個(gè)時(shí)刻的鋼水溫度、鋼水碳元素含量、頂吹氧氣模式、不同時(shí)間范圍內(nèi)加入的氧氣總量、底吹氣體總量、各副原料加入的重量、煙氣量、煙氣中一氧化碳量、煙氣中二氧化碳量、入爐鐵水重量和入爐廢鋼重量；
[0015]步驟1.2:對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合分別以鋼水溫度和鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)按照各自屬性進(jìn)行分類；
[0016]步驟1.2.1:將動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合中的爐次按照鋼種進(jìn)行預(yù)劃分；
[0017]步驟1.2.2:將動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合中同一鋼種的爐次，分別以鋼水溫度與鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)進(jìn)行聚類，其中，以鋼水溫度為預(yù)測目標(biāo)進(jìn)行聚類得到以煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水實(shí)際溫度、實(shí)際碳元素含量、實(shí)際出鋼鋼水溫度、主原料加入量四種屬性劃分的多個(gè)爐次數(shù)據(jù)集合，以鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)進(jìn)行聚類得到以煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水實(shí)際溫度、實(shí)際碳元素含量、實(shí)際出鋼鋼水碳元素含量、主原料加入量四種屬性劃分的多個(gè)爐次數(shù)據(jù)集合；
[0018]步驟2:采用最小二乘支持向量機(jī)方法，建立鋼水溫度預(yù)測模型和碳元素含量預(yù)測模型，鋼水溫度預(yù)測模型的輸入和碳元素含量預(yù)測模型的輸入均為當(dāng)前時(shí)刻鋼水溫度、當(dāng)前時(shí)刻鋼水碳元素含量、某一時(shí)間范圍內(nèi)加入的氧氣總量、頂吹氧氣供氣模式、底吹氣體總量、各副原料加入的重量、煙氣量、煙氣中一氧化碳量、煙氣中二氧化碳量、入爐鐵水重量和入爐廢鋼重量，鋼水溫度預(yù)測模型的輸出為下一時(shí)刻預(yù)測的鋼水溫度，碳元素含量預(yù)測模型的輸出為下一時(shí)刻預(yù)測的鋼水碳元素含量；
[0019]步驟3:在吹煉后期下副槍取樣得到當(dāng)前時(shí)刻鋼水溫度與鋼水中各元素成分信息，得到當(dāng)前時(shí)刻的鋼水溫度和鋼水碳元素含量:
[0020]步驟4:根據(jù)鋼水溫度預(yù)測模型和碳元素含量預(yù)測模型確定轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的鋼水溫度和鋼水碳元素含量；
[0021]步驟4.1:采集當(dāng)前生產(chǎn)過程中的鋼水溫度與鋼水碳元素含量、入爐主原料加入量、目標(biāo)出鋼鋼水溫度、目標(biāo)出鋼鋼水碳元素含量信息；
[0022]步驟4.2:選擇與步驟4.1采集的當(dāng)前生產(chǎn)過程中的信息匹配的步驟1.2中劃分的爐次數(shù)據(jù)集合，并利用步驟2建立的鋼水溫度預(yù)測模型和碳元素含量預(yù)測模型對(duì)鋼水溫度與鋼水碳元素含量進(jìn)行預(yù)測；
[0023]步驟5 ;確定生產(chǎn)過程中各時(shí)刻鋼水溫度與碳元素含量，作為參考曲線；
[0024]步驟5.1:對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合中同一鋼種的爐次，以鋼水溫度和鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)，分別按照當(dāng)前的鋼水溫度與碳元素含量、入爐主原料加入量、目標(biāo)出鋼鋼水溫度、目標(biāo)出鋼鋼水碳元素含量5個(gè)屬性進(jìn)行分類；
[0025]步驟5.2:選擇與生產(chǎn)過程中當(dāng)前時(shí)刻的鋼水溫度與碳元素含量、入爐主原料加入量、目標(biāo)出鋼鋼水溫度、目標(biāo)出鋼鋼水碳元素含量相匹配的步驟5.1中劃分的爐次數(shù)據(jù)集合作為參考爐次集合，并從中選取最相似的h爐作為參考爐次；[0026]步驟5.3:計(jì)算各參考爐次與當(dāng)前爐次的鋼水溫度、碳元素含量和入爐主原料加入量的不同產(chǎn)生的偏差數(shù)；
[0027]步驟5.4:確定各參考爐次的權(quán)重系數(shù)；
[0028]步驟5.5:確定當(dāng)前爐次的未來各時(shí)刻的鋼水溫度與碳元素含量，作為參考曲線；
[0029]步驟6:根據(jù)煙氣在線分析儀采集的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程各個(gè)時(shí)刻的煙氣流量、CO含量及CO2含量值與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的參考曲線中的煙氣流量、CO含量及CO2含量值進(jìn)行比較得到偏差值，實(shí)時(shí)校正鋼水溫度預(yù)測模型和碳元素含量預(yù)測模型；
[0030]步驟7:建立轉(zhuǎn)爐煉鋼過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，該模型以最小化當(dāng)前預(yù)測的鋼水溫度和碳元素含量值與參考曲線的偏差為目標(biāo)，該模型操作變量是當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的時(shí)間范圍內(nèi)加入的氧氣總量、頂吹氧氣供氣模式、底吹氣體總量和各副原料加入的重量；
[0031]步驟8:確定轉(zhuǎn)爐煉鋼過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型的各操作變量的優(yōu)化設(shè)定值集合；
[0032]步驟9:根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)實(shí)際，從操作變量的優(yōu)化設(shè)定值集合中選擇操作變量設(shè)定值，根據(jù)操作變量設(shè)定值對(duì)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)進(jìn)行操作；
[0033]步驟10:若預(yù)測得到的鋼水溫度值與參考曲線中的參考值誤差大于1.8%，或者鋼水碳元素含量值與參考曲線中的參考值誤差大于2.3%，則返回步驟5.1 ;否則，返回步驟
5.2，進(jìn)行轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與控制，直到出鋼結(jié)束；
[0034]步驟11:定期對(duì)離線預(yù)測模型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新。
[0035]所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法采用的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，包括煉鋼轉(zhuǎn)爐、氧槍及副槍，還包括光譜分析儀、煙氣分析儀和投擲探頭；光譜分析儀安裝在煉鋼轉(zhuǎn)爐爐口，煙氣分析儀安裝在轉(zhuǎn)爐煙道處，投擲探頭采用碳溫氧探頭。
[0036]有益效果:
[0037]本發(fā)明提出了一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐的實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法，在該方法中給出了轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)動(dòng)態(tài)階段各個(gè)時(shí)刻的操作變量的設(shè)定值，按照該設(shè)定值進(jìn)行控制能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的實(shí)時(shí)在線控制，直接提高鋼水溫度和碳元素含量的命中率；本發(fā)明提出的最優(yōu)控制方法在生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)控制鋼水溫度與碳元素含量，使鋼水溫度平均終點(diǎn)命中偏差小于3.1度，鋼水碳元素含量的平均命中精度到達(dá)0.97%，該方法能夠提供給現(xiàn)場操作人員多種操作設(shè)定與控制方案，方便操作人員根據(jù)實(shí)際工況需求靈活設(shè)定選擇條件，進(jìn)而幫助提高煉鋼廠的整體生產(chǎn)效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明所涉及的具體轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝和控制流程示意圖；
[0039]圖2為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法原理圖；
[0040]圖3 Ca)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的溫度的預(yù)測值與實(shí)際值比較的結(jié)果；
[0041]圖3 (b)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的鋼水碳元素含量預(yù)測與實(shí)際比較誤差值；
[0042]圖4 (a)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的碳元素含量的實(shí)際出鋼結(jié)果與目標(biāo)值比較誤差值；
[0043]圖4 (b)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】鋼水溫度的實(shí)際出鋼結(jié)果與目標(biāo)值比較結(jié)果圖；
[0044]圖5(a)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】計(jì)算得到的當(dāng)前實(shí)際頂吹氧氣流量的最優(yōu)設(shè)定值與控制器輸出值的比較結(jié)果圖；
[0045]圖5(b)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】計(jì)算得到的當(dāng)前底吹氣體流量的最優(yōu)設(shè)定值與控制器輸出值的比較結(jié)果圖；
[0046]圖5(c)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】計(jì)算得到的氧槍模式的最優(yōu)設(shè)定值與控制器輸出值的比較結(jié)果圖；
[0047]圖6 (a)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】計(jì)算得到的碳元素含量值與控制參考值的比較結(jié)果圖；
[0048]圖6 (b)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】計(jì)算得到的實(shí)際鋼水溫度與控制參考值的比較結(jié)果圖；
[0049]圖7(a)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所需的當(dāng)前實(shí)際煙氣流量檢測值與參考值的比較結(jié)果圖；
[0050]圖7 (b)為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】所需的當(dāng)前實(shí)際CO、CO2在煙氣中的含量檢測值與參
[0051]考值的比較結(jié)果圖；
[0052]圖8為本發(fā)明所設(shè)定的轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)過程階段示意圖；
[0053]圖9為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0054]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做詳細(xì)說明。
[0055]本實(shí)施方式的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法采用的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，包括煉鋼轉(zhuǎn)爐、氧槍及副槍、安裝在煉鋼轉(zhuǎn)爐爐口的光譜分析儀和煙氣分析儀，副槍采用碳溫氧探頭。 [0056]轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝和控制流程如圖1所示。圖中FIC001-FIC007分別為加入塊狀石灰石、輕燒白工石、菱鎂球等副原料的重量控制器；FIC011和FIC012分別為頂吹氧氣的氣流量控制器和底吹氣體的氣流量控制器；A1023為轉(zhuǎn)爐副槍取樣的在線分析儀，用來獲取取樣時(shí)刻鋼水溫度和碳元素含量的實(shí)際測量值；DIC013為氧槍模式高度控制器；F1021和A1022分別為煙氣流量檢測器和煙氣成分在線分析儀，用來獲取各個(gè)時(shí)刻煙氣的流量值和煙氣中CO和CO2的含量值；0IC010為轉(zhuǎn)爐煉鋼過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型控制器。在實(shí)施過程中從動(dòng)態(tài)階段開始的t時(shí)刻，煙氣在線分析儀A1023進(jìn)行采樣，0IC010根據(jù)煙氣流量檢測器F1021和煙氣在線分析儀A1022的分析結(jié)果對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行校正，并得到相應(yīng)的參考曲線，然后基于轉(zhuǎn)爐煉鋼過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，獲得t時(shí)刻各控制變量的最優(yōu)設(shè)定值，該設(shè)定值由底層的控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施。這些設(shè)定值將保持不變，直到下一個(gè)采樣時(shí)刻t+1 ;然后將預(yù)測結(jié)果代替煙氣在線分析儀A1023得到的鋼水溫度和碳元素含量的實(shí)際測量值進(jìn)行下一步的操作。
[0057]本實(shí)施方式采用數(shù)據(jù)解析技術(shù)的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法，該方法以副原料石灰石、白云石的加入時(shí)間與重量、各時(shí)刻氧氣吹入量和底吹氣體吹入量、氧槍控制模式為控制變量，原理如圖2所示:首先，采集大量的實(shí)際煉鋼生產(chǎn)過程中的鋼水溫度與鋼水碳元素含量、入爐主原料加入量、目標(biāo)出鋼溫度、目標(biāo)出鋼碳元素含量信息，并建立動(dòng)態(tài)階段參考爐次信息庫，用數(shù)據(jù)解析的方法建立爐溫與鋼水碳元素含量的預(yù)報(bào)模型。然后，根據(jù)動(dòng)態(tài)階段得到的當(dāng)前冶煉溫度與鋼水碳元素含量信息，結(jié)合目標(biāo)出鋼溫度與目標(biāo)碳含量，利用工藝規(guī)則和聚類參考爐次信息等方法來確定出最佳的吹煉溫度(鋼水溫度)和鋼水碳元素含量的走勢曲線，該曲線作為本爐次控制操作的參考曲線。根據(jù)煙氣在線分析儀采集的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程各個(gè)時(shí)刻的煙氣流量、CO含量及CO2含量值與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的參考曲線中的煙氣流量、CO含量及CO2含量值進(jìn)行比較得到偏差值，實(shí)時(shí)校正鋼水溫度預(yù)測模型和碳元素含量預(yù)測模型；建立轉(zhuǎn)爐煉鋼過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，確定轉(zhuǎn)爐煉鋼過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型的各操作變量的優(yōu)化設(shè)定值集合；根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)實(shí)際，從操作變量的優(yōu)化設(shè)定值集合中選擇操作變量設(shè)定值，根據(jù)操作`變量設(shè)定值對(duì)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)進(jìn)行操作。本發(fā)明的最優(yōu)控制方法可以直觀的全面地掌握轉(zhuǎn)爐煉鋼現(xiàn)場生產(chǎn)情況。
[0058]本實(shí)施方式的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法，如圖9所示，包括以下步驟:
[0059]步驟1:建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的離線預(yù)測數(shù)據(jù)庫；
[0060]步驟1.1:建立動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合；
[0061]步驟1.1.1:在煉鋼過程的吹煉后期至出鋼結(jié)束，每間隔一個(gè)時(shí)間周期投擲一次碳溫氧探頭，測量煉鋼轉(zhuǎn)爐中的鋼水溫度和碳元素含量信息；
[0062]步驟1.1.2:將碳溫氧探頭測量的鋼水溫度與光譜分析儀測得的轉(zhuǎn)爐爐口火焰溫度進(jìn)行比對(duì)，將碳溫氧探頭測量的鋼水中碳元素含量與煙氣分析儀得到的碳元素含量進(jìn)行比對(duì)，得到煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水實(shí)際溫度與實(shí)際碳元素含量；
[0063]步驟1.1.3:選出鋼水實(shí)際溫度、碳元素含量與目標(biāo)值相符的爐況穩(wěn)定的爐次建立動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合，該集合中每一爐次的信息包括:測量范圍內(nèi)的各個(gè)時(shí)刻的鋼水溫度、鋼水碳元素含量、頂吹氧氣模式、不同時(shí)間范圍內(nèi)加入的氧氣總量、底吹氣體總量、各副原料加入的重量、煙氣量、煙氣中一氧化碳量、煙氣中二氧化碳量、入爐鐵水重量和入爐廢鋼重量；
[0064]步驟1.2:對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合分別以鋼水溫度和鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)按照各自屬性進(jìn)行分類；[0065]步驟1.2.1:將動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合中的爐次按照鋼種進(jìn)行預(yù)劃分；
[0066]步驟1.2.2:將動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合中同一鋼種的爐次，分別以鋼水溫度與鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)進(jìn)行聚類，其中，以鋼水溫度為預(yù)測目標(biāo)進(jìn)行聚類得到以煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水實(shí)際溫度、實(shí)際碳元素含量、實(shí)際出鋼鋼水溫度、主原料加入量四種屬性劃分的M1個(gè)爐次數(shù)據(jù)集合，以鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)進(jìn)行聚類得到以煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水實(shí)際溫度、實(shí)際碳元素含量、實(shí)際出鋼鋼水碳元素含量、主原料加入量四種屬性劃分的M2個(gè)爐次數(shù)據(jù)集合；
[0067]設(shè)某鋼種全部樣本的集合為N，所含樣本的數(shù)目為n，聚類的具體步驟如下:
[0068]Stepl.初始化原始數(shù)據(jù)矩陣
【權(quán)利要求】
1.一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟1:建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的離線預(yù)測模型數(shù)據(jù)庫； 步驟1.1:建立動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次集合； 步驟1.1.1:在煉鋼過程的吹煉后期至出鋼結(jié)束，每間隔一個(gè)時(shí)間周期投擲一次碳溫氧探頭，測量煉鋼轉(zhuǎn)爐中的鋼水溫度和碳元素含量信息； 步驟1.1.2:將碳溫氧探頭測量的鋼水溫度與光譜分析儀測得的轉(zhuǎn)爐爐口火焰溫度進(jìn)行比對(duì)，將碳溫氧探頭測量的鋼水中碳元素含量與煙氣分析儀得到的碳元素含量進(jìn)行比對(duì)，得到煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水實(shí)際溫度與實(shí)際碳元素含量； 步驟1.1.3:選出鋼水實(shí)際溫度、碳元素含量與目標(biāo)值相符的爐況穩(wěn)定的爐次建立動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合，該集合中每一爐次的信息包括:測量范圍內(nèi)的各個(gè)時(shí)刻的鋼水溫度、鋼水碳元素含量、頂吹氧氣模式、不同時(shí)間范圍內(nèi)加入的氧氣總量、底吹氣體總量、各副原料加入的重量、煙氣量、煙氣中一氧化碳量、煙氣中二氧化碳量、入爐鐵水重量和入爐廢鋼重量； 步驟1.2:對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合分別以鋼水溫度和鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)按照各自屬性進(jìn)行分類； 步驟1.2.1:將動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合中的爐次按照鋼種進(jìn)行預(yù)劃分； 步驟1.2.2:將動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合中同一鋼種的爐次，分別以鋼水溫度與鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)進(jìn)行聚類，其中，以鋼水溫度為預(yù)測目標(biāo)進(jìn)行聚類得到以煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水實(shí)際溫度、實(shí)際碳 元素含量、實(shí)際出鋼鋼水溫度、主原料加入量四種屬性劃分的多個(gè)爐次數(shù)據(jù)集合，以鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)進(jìn)行聚類得到以煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鋼水實(shí)際溫度、實(shí)際碳元素含量、實(shí)際出鋼鋼水碳元素含量、主原料加入量四種屬性劃分的多個(gè)爐次數(shù)據(jù)集合； 步驟2:采用最小二乘支持向量機(jī)方法，建立鋼水溫度預(yù)測模型和碳元素含量預(yù)測模型，鋼水溫度預(yù)測模型的輸入和碳元素含量預(yù)測模型的輸入均為當(dāng)前時(shí)刻鋼水溫度、當(dāng)前時(shí)刻鋼水碳兀素含量、某一時(shí)間范圍內(nèi)加入的氧氣總量、頂吹氧氣供氣模式、底吹氣體總量、各副原料加入的重量、煙氣量、煙氣中一氧化碳量、煙氣中二氧化碳量、入爐鐵水重量和入爐廢鋼重量，鋼水溫度預(yù)測模型的輸出為下一時(shí)刻預(yù)測的鋼水溫度，碳元素含量預(yù)測模型的輸出為下一時(shí)刻預(yù)測的鋼水碳元素含量； 步驟3:在吹煉后期下副槍取樣得到當(dāng)前時(shí)刻鋼水溫度與鋼水中各元素成分信息，得到當(dāng)前時(shí)刻的鋼水溫度和鋼水碳元素含量； 步驟4:根據(jù)鋼水溫度預(yù)測模型和碳元素含量預(yù)測模型確定轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的鋼水溫度和鋼水碳元素含量； 步驟4.1:采集當(dāng)前生產(chǎn)過程中的鋼水溫度與鋼水碳元素含量、入爐主原料加入量、目標(biāo)出鋼鋼水溫度、目標(biāo)出鋼鋼水碳元素含量信息； 步驟4.2:選擇與步驟4.1采集的當(dāng)前生產(chǎn)過程中的信息匹配的步驟1.2中劃分的爐次數(shù)據(jù)集合，并利用步驟2建立的鋼水溫度預(yù)測模型和碳元素含量預(yù)測模型對(duì)鋼水溫度與鋼水碳元素含量進(jìn)行預(yù)測； 步驟5:確定生產(chǎn)過程中各時(shí) 刻鋼水溫度與碳元素含量，作為參考曲線；步驟5.1:對(duì)動(dòng)態(tài)優(yōu)化精英爐次數(shù)據(jù)集合中同一鋼種的爐次，以鋼水溫度和鋼水碳元素含量為預(yù)測目標(biāo)，分別按照當(dāng)前的鋼水溫度與碳元素含量、入爐主原料加入量、目標(biāo)出鋼鋼水溫度、目標(biāo)出鋼鋼水碳元素含量5個(gè)屬性進(jìn)行分類； 步驟5.2:選擇與生產(chǎn)過程中當(dāng)前時(shí)刻的鋼水溫度與碳元素含量、入爐主原料加入量、目標(biāo)出鋼鋼水溫度、目標(biāo)出鋼鋼水碳元素含量相匹配的步驟5.1中劃分的爐次數(shù)據(jù)集合作為參考爐次集合，并從中選取最相似的A爐作為參考爐次； 步驟5.3:計(jì)算各參考爐次與當(dāng)前爐次的鋼水溫度、碳元素含量和入爐主原料加入量的不同產(chǎn)生的偏差數(shù)； 步驟5.4:確定各參考爐次的權(quán)重系數(shù)； 步驟5.5:確定當(dāng)前爐次的未來各時(shí)刻的鋼水溫度與碳元素含量，作為參考曲線； 步驟6:根據(jù)煙氣在線分析儀采集的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程各個(gè)時(shí)刻的煙氣流量、m含量及CO2含量值與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的參考曲線中的煙氣流量、仍含量及以^含量值進(jìn)行比較得到偏差值，實(shí)時(shí)校正鋼水溫度預(yù)測模型和碳元素含量預(yù)測模型； 步驟7:建立轉(zhuǎn)爐煉鋼過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型，該模型以最小化當(dāng)前預(yù)測的鋼水溫度和碳元素含量值與參考曲線的偏差為目標(biāo)，該模型操作變量是當(dāng)前時(shí)刻到下一時(shí)刻的時(shí)間范圍內(nèi)加入的氧氣總量、頂吹氧氣供氣模式、底吹氣體總量和各副原料加入的重量； 步驟8:確定轉(zhuǎn)爐煉鋼過程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化模型的各操作變量的優(yōu)化設(shè)定值集合； 步驟9:根據(jù)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn) 實(shí)際，從操作變量的優(yōu)化設(shè)定值集合中選擇操作變量設(shè)定值，根據(jù)操作變量設(shè)定值對(duì)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)進(jìn)行操作； 步驟10:若預(yù)測得到的鋼水溫度值與參考曲線中的參考值誤差大于1.8%，或者鋼水碳元素含量值與參考曲線中的參考值誤差大于2.3%，則返回步驟5.1 ;否則，返回步驟5.2，進(jìn)行轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與控制，直到出鋼結(jié)束； 步驟11:定期對(duì)離線預(yù)測模型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新。
2.權(quán)利要求1所述的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制方法采用的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程在線動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，包括煉鋼轉(zhuǎn)爐、氧槍及副槍，其特征在于:還包括光譜分析儀、煙氣分析儀和投擲探頭；光譜分析儀安裝在煉鋼轉(zhuǎn)爐爐口，煙氣分析儀安裝在轉(zhuǎn)爐煙道處，投擲探頭采用碳溫氧探頭。
【文檔編號(hào)】C21C5/35GK103882176SQ201410114943
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】唐立新, 張軍 申請(qǐng)人:東北大學(xué)