高爐冶煉過(guò)程的非線性控制研究.pdf

1、鋼鐵工業(yè)的發(fā)展反映了國(guó)家綜合國(guó)力的強(qiáng)弱和經(jīng)濟(jì)水平的高低。我國(guó)已成為了鋼鐵生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)，但鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)還亟需進(jìn)步以滿足鋼鐵工業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的需要，也是成為鋼鐵強(qiáng)國(guó)的需要。本文以包鋼公司6號(hào)高爐（2500m3）的冶煉生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，逐步深入地進(jìn)行了高爐冶煉過(guò)程的非線性辨識(shí)和預(yù)測(cè)研究，并拋磚引玉地對(duì)判斷高爐控制穩(wěn)定性的方法和基于穩(wěn)定性的控制策略進(jìn)行了討論。對(duì)高爐冶煉過(guò)程的自動(dòng)控制研究提出了一種新的思路，具有一定的啟發(fā)性、理論性和實(shí)用性。<

2、br>　　 高爐冶煉過(guò)程的自動(dòng)化課題一直是自動(dòng)化科學(xué)與技術(shù)以及冶金技術(shù)中尚未攻克的世界難題。這是因?yàn)楦郀t冶煉涉及許多復(fù)雜對(duì)象，而且在運(yùn)行機(jī)制中帶有非線性、分布參數(shù)等特征，并伴有強(qiáng)烈的隨機(jī)性。僅用經(jīng)典控制論和現(xiàn)代控制論將對(duì)此無(wú)能為力，因此必須運(yùn)用新的控制思想和理論來(lái)探索解決之道。本文的核心就是圍繞高爐非線性這一特征，采用分段線性化的處理方法，對(duì)高爐冶煉過(guò)程的辨識(shí)、預(yù)測(cè)和控制問題進(jìn)行研究。論文的第一章簡(jiǎn)要介紹了高爐的冶煉過(guò)程以及高爐自動(dòng)化

3、的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。文中指出高爐爐溫控制為高爐冶煉的核心難題，而其辨識(shí)問題則是首先需要解決的基礎(chǔ)問題。因此，論文的第二章利用非線性時(shí)間序列模型對(duì)高爐爐溫的重要指標(biāo)高爐鐵水硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)([Si])進(jìn)行了辨識(shí)，采用的具體方法為門限自回歸算法。辨識(shí)的結(jié)果表明高爐[Si]時(shí)序有趨于某極限點(diǎn)或極限環(huán)的發(fā)展趨勢(shì)并且會(huì)在這些極限點(diǎn)和極限環(huán)之間發(fā)生跳變。不同的極限點(diǎn)或極限環(huán)表明了高爐冶煉生產(chǎn)的不同狀態(tài)，而對(duì)于這些不同狀態(tài)有著不同的調(diào)控方法。然而僅僅對(duì)單一的

4、[Si]時(shí)序進(jìn)行建模和辨識(shí)使得預(yù)測(cè)的命中率一般。因?yàn)楸姸嗟母郀t變量對(duì)[Si]時(shí)序均有影響，而且這些變量的隨機(jī)波動(dòng)性和時(shí)滯性使得它們?cè)陬A(yù)測(cè)[Si]時(shí)序時(shí)是不能忽略的。論文的第三章就通過(guò)引入噴煤、風(fēng)溫、風(fēng)壓、風(fēng)量、料速、透氣性、富氧量等高爐變量作為模型的誤差修正變量進(jìn)行了多元時(shí)間序列的建模，提高了預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。在建模過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了高爐[Si]時(shí)序存在局部非平穩(wěn)的特征，其他的變量也同樣如此。為了解決這一問題，進(jìn)一步檢驗(yàn)了高爐[Si]時(shí)序與其他變量

5、間存在著協(xié)整關(guān)系。因此可以對(duì)[Si]時(shí)序建立基于協(xié)整理論的門限向量誤差修正模型。仿真結(jié)果表明，當(dāng)以噴煤、風(fēng)溫和料速作為修正變量時(shí)，模型的預(yù)測(cè)命中率獲得了大幅提高，取得了較好效果。而且結(jié)果表明，高爐的噴煤和風(fēng)溫作為調(diào)控手段對(duì)爐溫的趨勢(shì)產(chǎn)生影響會(huì)有一定的時(shí)滯，因此需要有一定的調(diào)控提前量才能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)爐溫。
　　 通過(guò)以上的辨識(shí)和預(yù)測(cè)研究，即表明了高爐冶煉過(guò)程的非線性特征還發(fā)現(xiàn)了高爐冶煉過(guò)程具有分段非平穩(wěn)性、發(fā)展趨勢(shì)的跳變和變量間的協(xié)

6、同動(dòng)作等特征。論文第四章先對(duì)高爐冶煉過(guò)程的這種復(fù)雜性成因進(jìn)行了分析。分析表明高爐是由包含連續(xù)（離散）變量的物理化學(xué)過(guò)程的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)以及遵循大量復(fù)雜人為規(guī)則和邏輯事件的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)共同組成的混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。因此，本文依據(jù)混合系統(tǒng)理論提出利用基于離散時(shí)間分段仿射系統(tǒng)模型，并采用線性矩陣不等式進(jìn)行求解的方法，首次對(duì)高爐冶煉過(guò)程的控制穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明，這種穩(wěn)定性分析方法是可行和有效的。第四章的穩(wěn)定性研究說(shuō)明目前僅由工長(zhǎng)的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)

7、決定高爐冶煉的控制手段和調(diào)控力度是無(wú)法保證高爐冶煉的穩(wěn)定性的，那樣必然會(huì)引起爐況的較大波動(dòng)。所以論文的第五章首先綜合討論了高爐現(xiàn)有的控制系統(tǒng)，包括遞階控制和最優(yōu)控制。然后采用基于分段仿射系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制方法，提出了一種能夠保持系統(tǒng)穩(wěn)定的控制策略和方案。仿真結(jié)果表明，這種引入高爐穩(wěn)定性計(jì)算的控制方法能夠有效減少爐況波動(dòng)，同時(shí)保證了系統(tǒng)穩(wěn)定，是一種有效和可行的預(yù)測(cè)控制方法。第五章的研究表明在高爐控制中引入穩(wěn)定性的計(jì)算是必要的。而基于穩(wěn)定性的高