一種基于稀疏T-S模糊的鐵水Si含量建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高爐冶煉領(lǐng)域，尤其涉及一種基于稀疏T-S模糊的鐵水Si含量的建模 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國已成為世界制造業(yè)大國--我國的鋼鐵、有色金屬、石化、紡織和電子等制造 業(yè)已取得了跨越式發(fā)展，鋼產(chǎn)量連續(xù)多年排名世界第一，已成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)。然而，能 源緊張已逐步成為制約我國上述行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸因素。工業(yè)企業(yè)已經(jīng)由過去的單純 追求大型化、高速化、連續(xù)化，轉(zhuǎn)向注重提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減少資源消耗和環(huán)境 污染、可持續(xù)發(fā)展的軌道上來。在鋼鐵冶煉領(lǐng)域，由于高爐冶煉過程的復(fù)雜性造成了對其進(jìn) 行有效控制十分困難，時至今日，高爐工長的經(jīng)驗(yàn)和直覺仍然是高爐控制的主要調(diào)節(jié)手段。 因此，高爐冶煉過程的建模研宄已引起工業(yè)界、控制理論界和應(yīng)用數(shù)學(xué)界的高度重視。為促 進(jìn)高爐冶煉過程的節(jié)能減排，應(yīng)當(dāng)盡量保持高爐爐溫穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)高爐順行，從而提高鐵水質(zhì) 量，降低成本，減少能耗和排放。因此，對高爐爐溫的建模就成為高爐操作指導(dǎo)的基礎(chǔ)，也是 實(shí)現(xiàn)自動控制的前提。
[0003] 高爐鐵水Si含量是衡量高爐爐況的重要參數(shù)，它直接關(guān)系到高爐的爐況順行狀 態(tài)。高爐煉鐵過程參數(shù)多，激勵復(fù)雜，具有顯著的非線性、時變性、空間分布性和不確定性等 特點(diǎn)，是極其復(fù)雜的過程。各種影響因素對鐵水Si含量的影響并不是立即起作用的，而是 有一個滯后時間，且這種響應(yīng)往往是非線性的，同時各個參數(shù)的時滯大小不一，在不同爐況 下相同參數(shù)的時滯也不同，這就進(jìn)一步增加了高爐鐵水Si含量建模的難度。
[0004] 目前，針對高爐鐵水Si含量建模大多從數(shù)據(jù)角度出發(fā)，模糊建模角度，由于高爐 的各種參數(shù)數(shù)據(jù)量大，爐況復(fù)雜，造成模糊規(guī)則冗余，計(jì)算量大大增加，因此通過稀少量的 最優(yōu)模糊規(guī)則建立鐵水Si含量模型是非常重要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于稀疏T-S模糊的鐵水Si含量建模方法，該方法利 用高爐可測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立T-S模糊預(yù)測模型，并進(jìn)一步對模糊規(guī)則進(jìn)行 約減處理，用稀少量的最優(yōu)模糊規(guī)則預(yù)測高爐鐵水Si含量。
[0006] 為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種基于稀疏T-S模糊的鐵水Si含量建模方法，該方法內(nèi)容的具體步驟如下：
[0008] A.對高爐輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理：針對不完備數(shù)據(jù)，使用基于概率密度函數(shù)的 數(shù)據(jù)模型進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)齊；針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)中的異常值，采用離群點(diǎn)檢測方法，克服離群點(diǎn) 對豐旲型的影響，提尚t旲型的魯棒性；
[0009] B.輸入數(shù)據(jù)的篩選：利用灰色關(guān)聯(lián)度對輸入進(jìn)行篩選，灰色關(guān)聯(lián)度越大，該輸入 量越重要；
[0010]C.基于聚類劃分的模糊規(guī)則前件提取和T-S模糊模型建立：利用模糊聚類算法對 高爐數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類劃分，每一個聚類代表一條模糊規(guī)則，并進(jìn)一步確定每條模糊規(guī)則對各 個數(shù)據(jù)樣本的隸屬度；
[0011] D.將C步驟所建T-S模糊模型中的1-階T-S模糊推理系統(tǒng)的規(guī)則約減問題轉(zhuǎn)化 為如下的稀疏編碼優(yōu)化問題：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于稀疏T-S模糊的鐵水Si含量建模方法，其特征在于該方法的步驟如下： 該方法內(nèi)容的具體步驟如下： A. 對高爐輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理：針對不完備數(shù)據(jù)，使用基于概率密度函數(shù)的數(shù)據(jù) 模型進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)齊；針對現(xiàn)場數(shù)據(jù)中的異常值，采用離群點(diǎn)檢測方法，克服離群點(diǎn)對模 型的影響，提尚t旲型的魯棒性； B. 輸入數(shù)據(jù)的篩選：利用灰色關(guān)聯(lián)度對輸入進(jìn)行篩選，灰色關(guān)聯(lián)度越大，該輸入量越 重要； C. 基于聚類劃分的模糊規(guī)則前件提取和T-S模糊模型建立：利用模糊聚類算法對高爐 數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類劃分，每一個聚類代表一條模糊規(guī)則，并進(jìn)一步確定每條模糊規(guī)則對各個數(shù) 據(jù)樣本的隸屬度； D. 將C步驟所建T-S模糊模型中的1-階T-S模糊推理系統(tǒng)的規(guī)則約減問題轉(zhuǎn)化為如 下的稀疏編碼優(yōu)化問題：
E. 對D步驟中優(yōu)化問題求解：利用正交匹配追蹤法對D步驟中稀疏編碼優(yōu)化問題求 解； F. 利用所建T-S模糊模型對高爐鐵水Si含量進(jìn)行預(yù)測，并求出相應(yīng)的后驗(yàn)概率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于稀疏T-S模糊的鐵水Si含量建模方法，其特征在 于：所述利用灰色關(guān)聯(lián)度的方法對輸入進(jìn)行篩選的步驟如下： (1) 周期性采集高爐輸入數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過下式歸一化處理：
(2) 將所有輸入數(shù)據(jù)向量與輸出鐵水51含量數(shù)據(jù)\=〇^。(1)，\(2)，一，\(11))進(jìn)行 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算如下：
(3) 根據(jù)所得各輸入量的灰色關(guān)聯(lián)度，挑選合適的輸入量，進(jìn)行建模。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于稀疏T-S模糊的鐵水Si含量建模方法，其特征在 于：所述利用模糊聚類算法對高爐數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類劃分的步驟如下： (1)將模糊劃分矩陣集合為：
模糊劃分矩陣u= (uik)EMf。中每一個變量uik表示數(shù)據(jù)樣本xk屬于第i個聚類的隸 屬度； 第i條模糊規(guī)則對于輸入變量x=(Xpx2,…，xn)T的隸屬度為：
(2) 單輸出1-階T-S模糊推理系統(tǒng)i條模糊規(guī)則形式為： R^IfXjisAnandx2isAi2and, ???,andxnisAin,then y =Wi0+wilXl+wi2x2+…+winxn; (3) 含有r條模糊規(guī)則的多輸入單輸出1-階T-S模糊推理系統(tǒng)輸出為：
li(x) =Wio+WiiXi+W^X^-+winxn 設(shè)含有N個多輸入單輸出數(shù)據(jù)樣本集合為： Z= {(xk，yk)xk= (xkl，xk2, ...，xto)TGRn，ykGR，k= 1,2, ...，N} 則1-階T-S模糊推理系統(tǒng)對于N個多輸入單輸出數(shù)據(jù)樣本的模型輸出為：
Di為第i條模糊規(guī)則子字典。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于稀疏T-S模糊的鐵水Si含量建模方法，其特征在 于：所述利用正交匹配追蹤法對D步驟中稀疏編碼優(yōu)化問題求解，其求解步驟如下： (1)初始化模糊規(guī)則子字典指標(biāo)集合Dto) = 〇,模糊推理系統(tǒng)后件參數(shù)向量w((1) = 0及 模糊初始?xì)埐顁(cl) =y; (2)對于每次迭代，通過下式提取重要的模糊規(guī)則：
(4)若殘差滿足要求則停止迭代，否則繼續(xù)（2)步驟。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于稀疏T-S模糊的鐵水Si含量的建模方法，其內(nèi)容包括：對高爐輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用灰色關(guān)聯(lián)度的方法對輸入進(jìn)行篩選，基于聚類劃分的模糊規(guī)則前件提取和T-S模糊模型建立，將其中1-階T-S模糊推理系統(tǒng)的規(guī)則約減問題轉(zhuǎn)化為稀疏編碼優(yōu)化問題，并對優(yōu)化問題求解，利用正交匹配追蹤法對稀疏編碼優(yōu)化問題求解，利用所建T-S模糊模型對高爐鐵水Si含量進(jìn)行預(yù)測，并求出相應(yīng)的后驗(yàn)概率。本發(fā)明方法可預(yù)測出下一時刻的高爐鐵水Si含量，并可獲得鐵水Si含量上升或者下降的概率，以便高爐長對高爐采取進(jìn)一步的控制措施。
【IPC分類】G06F19-00, G06N5-04
【公開號】CN104573356
【申請?zhí)枴緾N201410842450
【發(fā)明人】華長春, 徐夏, 李軍朋, 關(guān)新平, 張利民
【申請人】燕山大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月30日