烧结生产过程控制专家系统 许 满 兴.pptx

烧结生产过程控制专家系统许 满 兴北京科技大学冶金研究中心 2005.6．一、前言在烧结生产过程系统中，存在复杂的物理化学变化， 既有燃料的燃烧，热量的传质传导，，碳酸钙等新相的生 成及再结晶长大，各种杆榄石（铁杆榄石，钙铁杆榄石等 ）的生成，既有固相反应，又有液相反应，形成烧结过程 工艺参数多变量，影响烧结矿的产质量因素多因子全方位 ，各参数和变量间关联也密切复杂，存在着非线性，时超 越时滞后，分布参数特性及种类繁多的干扰，加上参数测 量的不精确性及系统动力学的不稳定性，造成基于传统定 量方法的数学模型的应用受到了一定的限制总之一句话 ，由于烧结过程的复杂难以用数学模型方法实现优化控制 的目的借助智能控制（人工智能）系统实现对烧结过程 的优化控制，已是现代烧结过程电脑控制技术的发展方 向智能控制方法可分为规划控制，模糊控制，人工智能 与数学模型相结合的智能控制、人机智能结合系统等九大 类，在烧结过程中，人工智能系统主要有模糊控制和专家 系统两大类，而最主要是专家系统[1]早在八十年代初期，[2]日本已将人工智能技术用于 烧结生产领域，1980年，日本川崎千叶厂就开发了烧结操 作指导系统（OGS），经过近十几年的发展，OGS烧结操作 指导系统已发展成由一个主系统（能识别与透气性，设备 保护，产质量有关的条件）和四个子系统组成的专家系统 ，其四个子系统分别为操作自动调节系统，烧结能量控制 系统，给料闸门控制系统和化学成分控制系统。

1990年川 崎水岛厂也开发了诊断型专家系统，可进行燃结终点控制 ，设备保护和产质量控制，该系统共有500条规则，1100 步FORTRAN程序，应用效果良好目前日本烧结厂大多数 都开发了适合于本厂烧结控制的人工智能系统1990年澳大利亚的纽卡斯尔和肯布拉港烧结厂也应用 专家系统开发工具，建立了专家系统并付诸应用在我国烧结生产采用计算机控制开始于1982年，首钢 烧结厂首先采用美国贝利公司的N-90网络系统，建立了原 料、配料、烧结、除尘及筛分系统、报表及生产管理五个 控制沾，投入使用后稳定可靠[3]，此后，1985年9月和 1991年7月相继投产的宝钢一烧和二烧工程，分别采用了 日本横河YODIC-1000小型过程控制计算机和日本三菱 MELCOM-350/50-A2200型计算机，前者与仪表组成SPC控制 系统，后者仪表和电气采用三菱公司的MACTUB-620分散控 制系统，组成一个多级计算机系统，不仅对烧结生产过程 能进行管理与控制，还能外围进行数据通讯，制表和CR- 显示，并且还能作最优控制和适应控制计算，以及对烧结 模型的开发八十年代末即1988-1989年，我国太钢、武 钢和鞍钢新建的大型烧结机(180-393m2）也先后采用了美 国贝利公司的N-90网络系统对烧结过程实现控制和监控，重钢1988年新建的105m2烧结机则采用了德国的两门子 公司T-M系统对配料和烧结进行控制和监控。

以上情况说 明计算机在我国烧结生产中有了应用，但与世界先进水平 比，差距还很大，我国还仅停留在单个环节的控制，整个 生产工艺过程还没有形成控制过程在我国采用人工智能 控制烧结过程的研究，1992年才起步，中南工大和北科大 开始这方面的研究工作，“八五”期间，中南工大与鞍钢合 作，较成功地将专家系统应用于烧结生产控制二、烧结生产过程控制专家系统的组成中南工业大学与鞍钢联合开发的IEGS专家系统在结构 上主要包括智能接口、知识库管理系统和过程控制指导系 统三部分其中智能接口包括智能网络接口和智能人机接 口两部分专家系统的核心是知识库和推理机两个部分，下面对 该两部分作概括和必要介绍：1、知识库烧结过程控制的知识包括生产数据、事实、数学模 型、启发性知识和元知识（元知识主要确定各 任务的 求解顺序），专家系统知识库的各组成分述如下：1.1数据库它存信者实时生产数据和其他数据，生产数据是烧结 过程控制的出发点，有的推量过程需要多个时刻的生产数 据，如碱度（R）、烧结终点（BTP）等，有的只需要现在 时刻的生产数据，台分压（ΔР），料层原质（H）等， 均采用谓词逻辑统一表达，例如：2小时等的碱质 动值 为0.06，表示为data-befove（R、I、0.06）；又如：料 层原质为550mm表示为 data（H，550）。

实时生产数据采 集后直接存储在内部动态数据库-里板中，慢时变和定常 数据存储在外部数据库中，因此建主动态数据库和静态数 据库便于调用1.2事实库它存储反映生产状况的动态实和工艺特点，生产要求（ 初始状态，中间结果和目标结果）以及为系统推理服务静态 事实，也采用谓词逻辑表达例如：石灰混量大表示为fact （石灰石混量大），又如增加中和料流量，调用第2个数学 换型来计算，调整系数为0.75″,表示为：measure（增加中 和料流量[2]，0.75）随时变化的动态事实存储在黑板中 ，以便于推理静态事实则存储在独立于程序的事实库中， 也可根据需要调用，专家系统专门在内存中单独开辟了一段 缓冲区存放程序运行中产生的事实，并划分为两种形式：（ 1）控制型：用于激活规则，它由接口文件读入，或在程序 初始化时设定，或在运行时由某一规则产生 （2）临时型：它在程序进行中产生，用于在规则之间传达过程 数据1.3模型序它存储本系统中的各种数学模型，数学模型和元知识均 采用过程表出，在启发式知识规则中，存储了模型的代码，在问题求解过程中，启动相应的数学模型进行计算， 随时辨认的时变模型，存储在动态模型库中，定常模型则 存储在静态模型库中。

1.4规则库它存储启发性知识，是专家系统的专业知识和经验， 主要用于判断生产情况、分析原因和确定控制指导每条 规则都是一个精练的知识模块，可对其进行修改或替换而 不影响其它规则规则库中的知识是由产生式规则、谓词 逻辑和过程三者综合表示的例如：若负压太高，烧结终 点预报太滞后和垂直烧结速度较低，而且台车速度＞ 2.6m/min，那么判断为：“透气性差，机速快这个知识 表示为：Rule(3.13[fact(“负压太高”)，fact(烧结终点预报太 滞后)，fact(“垂直烧结速度较低”)，fact(“台车速度＞ 2.6m/min)”]) ,fact(“透气性差，机速快”)用这种方法表示 知识，具有简捷性、模块性、描述性和过程性等特点，既 灵活地适应实际情况的变化，又能达到解决复杂问题的目 的，目前，规则库的容量已接近1000条规则2、推理机专家系统的推理机是多级目标推理机，总目标推理机 负责各级目标之间的推理，级目标推理机负责各级目标的 自身推理，它们之间通过黑板进行信息交换推理机的作 用是负责将事实与知识库规则中的条件内容通过搜索进行 模式匹配，若匹配成功，则根据规则的动作部分的表达去 工作。

当系统从已有的知识出发无法作出推理或作出推理 有限时，系统进入随时动态学习过程专家系统是在实时生产数据的基础上，经过状态判 断、原因分析和控制指导等过程来实现专家系统的总目 标推理采用过程化推理，而每个级目标推理所需的前提条 件是已知且充分，所以各级目标推理采用同一正向推理 机为了提高系统的搜索效率，研究和应用了有限广度优 先搜索策略烧结过程控制专家系统的推理机结构如图推理机3、智能烧结过程状态控制（IPC）烧结过程的状态控制，主要是控制热状态（也称温度 状态）和透气性状态，由于它们与工艺参数之间的关系很 难用数学模型来描述，因此需要依靠烧结领域专家的经验 知识去实现对烧结过程的状态控制它包括烧结终点（ BTP）预测和热状态控制，混合料透气性状态判断和控制 ，以碱度（R）为中心的化学成分控制元知识确定各小任务的求解顺序黑板（内部动态数据库）状态判断原因分析控制指导正 向 推 理 机过程化推理机知识库数据库 事实库 模型库 规则库三、以碱度为中心的化学成分控制专家系统八十年代初，日本住友金属公司开发的根据物料平衡 原理建立的烧结矿化学成分预报模型，存有运算工作量大 和成分控制的准确性不够不足。

自适应预报方法是根据大 量随时间变化的生产数据，用系统知识方法建立的模型， 并利用这些数据通过不断修正模型的参数来适应系统随时 间的变化，它既避免了机理建模的复杂性，又能反映系统 的动态特性专家系统是一个基于知识的智能推理系统，它具有在 烧结领域专家级水平工作的知识，经验和能力，通过推理 作出智能决策，因此这样建立起来的专家系统，可以解决 用数学模型难以解决的问题将自适应预报模型与专家系 统相结合的烧结矿化学成分控制专家系统，既简明又准确 ，具有广泛的推广应用价值1、专家系统控制方案烧结矿化学成分的控制具有如下特点：（1）化学成分（FeO、S除外）的稳定性主要受原料参数的影 响，与状态参数关系甚微2）从配矿到成品矿的化学成分化验出结果，需要长达几个 小时，存在着相当长的时间滞后3）工艺过程具有动态复杂性和时变特性4）化学成分之间有很大的相关性，某一成分发生变化会引 起其它成分的改变，形成某一成分不能满足要求，不一定是 由于该成分本身变化引起的，往往是从其它方面去找原因， 这就构成了控制烧结矿化学成分的复杂性特点（1）说明可通过物料平衡建立它们之间的数学模 型；特点（2）和（3）说明所建数学模型应具有修正滞后性 和动态变化特性，应采用现代控制理论，建立自适应预报模 型，对烧结矿的化学成分提前预报；特点（4）说明烧结矿 的化学成分难以用数学模型的方法解决，需要依靠专家的经 验知识，因此需采用数学模型与知识模型相结合的控制方法 ，建立基于自适应预报化学成分的专家系统，实现对烧结矿 化学成分的控制。

2、以碱度为中心的控制方针2.1控制方针的提出：碱度（R）是烧结矿化学成分的基础 ，也是影响烧结矿产质量的基本因素对任何企业的烧结 矿而言，只要碱度不同，烧结矿的化学成分均会发生变化 ，因此控制烧结矿的化学成分应围绕碱度这个中心同时 高炉的炉料结构和高炉冶炼炉渣的特性也是基于碱度这个 基本因素的，烧结矿碱度产生波动，就必然会影响炉料组 成和炉料质量直至波及冶炼效果建立的碱度为中心的方针，是指烧结矿的化学成分控 制以碱度为主，优先满足碱度的指标要求，当碱度满足要 求，其它成分未满足要求时，可暂不作调整，若其它成分 满足要求，碱度未满足要求时，必须要进行调整2.2控制方针的实施：烧结矿碱度的波动主要由以上两方面原因引起的：（ 1）由CaO含量的波动引起，无论一次配料还是两次配料 CaO含量的波动都是由于熔剂的下料量波动引起的2）由SiO2含量波动引起，对于一次配料的系统主要由于精 矿和富矿的流量波动所引起；对于两次配料的系统，一种 情况是由于一次配料的抓料、配料不准及混匀效果差等原 因引起的，另一种情况是由于二次配料的混匀料下料量波 动所引起的但无论哪种情况的波动都会引起TFe含量的波 动。

精矿和富矿流量的波动及混匀料流量的波动都会引起 FeO和MgO含量的波动，FeO还受燃料配加量的影响，MgO含 量受菱镁石（白云石）流量的影响以两次配料系统为例 ，烧结矿化学成分的影响因素及相互关系如下图所示：烧结矿化学成分的影响因素及相互关系RMgO燃料FeO熔剂CaOSiO2一配TFe菱镁 石混合 料碱度按以下原则控制：当碱度波动是由一次配料波动 所引起时，通过调整二次配料的石灰石配比实现对碱度的 控制；当碱度波动是由二次配料的混匀料量或石灰石流量 波动引起时，相应地调整混匀料配比或石灰配比，实现碱 度的稳定控制实现以碱度为中心的控制方针，采取以碱度的状态及 其变化趋势（由过去值、现在值和将来值决定）为调整依 据，以“保证合格品，力争一级品”为调整原则的控制方 法具体做法：（1）预报碱度是一级品时，不作任何调整；（2）预报碱度为合格品时，根据碱度的过去值、现在 值和将来值的变化趋势，决定调整与否和调整幅度；（3）预报碱度为出格品时，不论变化趋势是否一致， 必须进行调整调整的幅度根据碱度过去值，现在值和将 来值所表现的变。