燒結(jié)生產(chǎn)過程控制專家系統(tǒng).ppt

1、燒結(jié)生產(chǎn)過程控制專家系統(tǒng)許 滿 興,北京科技大學冶金研究中心 2005.6,一、前言 在燒結(jié)生產(chǎn)過程系統(tǒng)中，存在復雜的物理化學變化，既有燃料的燃燒，熱量的傳質(zhì)傳導，碳酸鈣等新相的生成及再結(jié)晶長大，各種桿欖石（鐵桿欖石，鈣鐵桿欖石等）的生成，既有固相反應(yīng)，又有液相反應(yīng)，形成燒結(jié)過程工藝參數(shù)多變量，影響燒結(jié)礦的產(chǎn)質(zhì)量因素多因子全方位，各參數(shù)和變量間關(guān)聯(lián)也密切復雜，存在著非線性，時超越時滯后，分布參數(shù)特性及種類繁多的干擾，加上參數(shù)測量的不精確性及系統(tǒng)動力學的不穩(wěn)定性，造成基于傳統(tǒng)定量方法的數(shù)學模型的應(yīng)用受到了一定的限制。總之一句話，由于燒結(jié)過程的復雜難以用數(shù)學模型方法實現(xiàn)優(yōu)化控制的目的。借助智能控制

2、（人工智能）系統(tǒng)實現(xiàn)對燒結(jié)過程的優(yōu)化控制，已是現(xiàn)代燒結(jié)過程電腦控制技術(shù)的發(fā)展方向。,智能控制方法可分為規(guī)劃控制，模糊控制，人工智能與數(shù)學模型相結(jié)合的智能控制、人機智能結(jié)合系統(tǒng)等九大類，在燒結(jié)過程中，人工智能系統(tǒng)主要有模糊控制和專家系統(tǒng)兩大類，而最主要是專家系統(tǒng)1。 早在八十年代初期，2日本已將人工智能技術(shù)用于燒結(jié)生產(chǎn)領(lǐng)域，1980年，日本川崎千葉廠就開發(fā)了燒結(jié)操作指導系統(tǒng)（OGS），經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，OGS燒結(jié)操作指導系統(tǒng)已發(fā)展成由一個主系統(tǒng)（能識別與透氣性，設(shè)備保護，產(chǎn)質(zhì)量有關(guān)的條件）和四個子系統(tǒng)組成的專家系統(tǒng)，其四個子系統(tǒng)分別為操作自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，燒結(jié)能量控制系統(tǒng)，給料閘門控制系統(tǒng)和化學成

3、分控制系統(tǒng)。1990年川崎水島廠也開發(fā)了診斷型專家系統(tǒng)，可進行燃結(jié)終點控制，設(shè)備保護和產(chǎn)質(zhì)量控制，該系統(tǒng)共有500條規(guī)則，1100步FORTRAN程序，應(yīng)用效果良好。目前日本燒結(jié)廠大多數(shù)都開發(fā)了適合于本廠燒結(jié)控制的人工智能系統(tǒng)。,1990年澳大利亞的紐卡斯爾和肯布拉港燒結(jié)廠也應(yīng)用專家系統(tǒng)開發(fā)工具，建立了專家系統(tǒng)并付諸應(yīng)用。 在我國燒結(jié)生產(chǎn)采用計算機控制開始于1982年，首鋼燒結(jié)廠首先采用美國貝利公司的N-90網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，建立了原料、配料、燒結(jié)、除塵及篩分系統(tǒng)、報表及生產(chǎn)管理五個控制沾，投入使用后穩(wěn)定可靠3，此后，1985年9月和1991年7月相繼投產(chǎn)的寶鋼一燒和二燒工程，分別采用了日本橫河YOD

4、IC-1000小型過程控制計算機和日本三菱MELCOM-350/50-A2200型計算機，前者與儀表組成SPC控制系統(tǒng)，后者儀表和電氣采用三菱公司的MACTUB-620分散控制系統(tǒng)，組成一個多級計算機系統(tǒng)，不僅對燒結(jié)生產(chǎn)過程能進行管理與控制，還能外圍進行數(shù)據(jù)通訊，制表和CR-顯示，并且還能作最優(yōu)控制和適應(yīng)控制計算，以及對燒結(jié)模型的開發(fā)。八十年代末即1988-1989年，我國太鋼、武鋼和鞍鋼新建的大型燒結(jié)機(180-393m2）也先后采用了美國貝利公司的N-90網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對燒結(jié)過程實現(xiàn)控制和監(jiān)控，,重鋼1988年新建的105m2燒結(jié)機則采用了德國的兩門子公司T-M系統(tǒng)對配料和燒結(jié)進行控制和監(jiān)控。以

5、上情況說明計算機在我國燒結(jié)生產(chǎn)中有了應(yīng)用，但與世界先進水平比，差距還很大，我國還僅停留在單個環(huán)節(jié)的控制，整個生產(chǎn)工藝過程還沒有形成控制過程。在我國采用人工智能控制燒結(jié)過程的研究，1992年才起步，中南工大和北科大開始這方面的研究工作，“八五”期間，中南工大與鞍鋼合作，較成功地將專家系統(tǒng)應(yīng)用于燒結(jié)生產(chǎn)控制。 二、燒結(jié)生產(chǎn)過程控制專家系統(tǒng)的組成 中南工業(yè)大學與鞍鋼聯(lián)合開發(fā)的IEGS專家系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上主要包括智能接口、知識庫管理系統(tǒng)和過程控制指導系統(tǒng)三部分。其中智能接口包括智能網(wǎng)絡(luò)接口和智能人機接口兩部分。 專家系統(tǒng)的核心是知識庫和推理機兩個部分，下面對該兩部分作概括和必要介紹：,1、知識庫 燒結(jié)過程

6、控制的知識包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)、事實、數(shù)學模型、啟發(fā)性知識和元知識（元知識主要確定各 任務(wù)的求解順序），專家系統(tǒng)知識庫的各組成分述如下： 1.1數(shù)據(jù)庫 它存信者實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)是燒結(jié)過程控制的出發(fā)點，有的推量過程需要多個時刻的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如堿度（R）、燒結(jié)終點（BTP）等，有的只需要現(xiàn)在時刻的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，臺分壓（），料層原質(zhì)（H）等，均采用謂詞邏輯統(tǒng)一表達，例如：2小時等的堿質(zhì) 動值為0.06，表示為data-befove（R、I、0.06）；又如：料層原質(zhì)為550mm表示為 data（H，550）。實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集后直接存儲在內(nèi)部動態(tài)數(shù)據(jù)庫-里板中，慢時變和定常數(shù)據(jù)存儲在外部數(shù)據(jù)庫中，因

7、此建主動態(tài)數(shù)據(jù)庫和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫便于調(diào)用。,1.2事實庫 它存儲反映生產(chǎn)狀況的動態(tài)實和工藝特點，生產(chǎn)要求（初始狀態(tài)，中間結(jié)果和目標結(jié)果）以及為系統(tǒng)推理服務(wù)靜態(tài)事實，也采用謂詞邏輯表達。例如：石灰混量大表示為fact（石灰石混量大），又如增加中和料流量，調(diào)用第2個數(shù)學換型來計算，調(diào)整系數(shù)為0.75,表示為：measure（增加中和料流量2，0.75）。隨時變化的動態(tài)事實存儲在黑板中，以便于推理。靜態(tài)事實則存儲在獨立于程序的事實庫中，也可根據(jù)需要調(diào)用，專家系統(tǒng)專門在內(nèi)存中單獨開辟了一段緩沖區(qū)存放程序運行中產(chǎn)生的事實，并劃分為兩種形式：（1）控制型：用于激活規(guī)則，它由接口文件讀入，或在程序初始化時設(shè)定，

8、或在運行時由某一規(guī)則產(chǎn)生。 （2）臨時型：它在程序進行中產(chǎn)生，用于在規(guī)則之間傳達過程數(shù)據(jù)。 1.3模型序 它存儲本系統(tǒng)中的各種數(shù)學模型，數(shù)學模型和元知識均采用過程表出，在啟發(fā)式知識規(guī)則中，存儲了模型的代碼，,在問題求解過程中，啟動相應(yīng)的數(shù)學模型進行計算，隨時辨認的時變模型，存儲在動態(tài)模型庫中，定常模型則存儲在靜態(tài)模型庫中。 1.4規(guī)則庫 它存儲啟發(fā)性知識，是專家系統(tǒng)的專業(yè)知識和經(jīng)驗，主要用于判斷生產(chǎn)情況、分析原因和確定控制指導。每條規(guī)則都是一個精練的知識模塊，可對其進行修改或替換而不影響其它規(guī)則。規(guī)則庫中的知識是由產(chǎn)生式規(guī)則、謂詞邏輯和過程三者綜合表示的。例如：若負壓太高，燒結(jié)終點預報太滯后和

9、垂直燒結(jié)速度較低，而且臺車速度2.6m/min，那么判斷為：“透氣性差，機速快?！边@個知識表示為：Rule(3.13fact(“負壓太高”)，fact(燒結(jié)終點預報太滯后)，fact(“垂直燒結(jié)速度較低”)，fact(“臺車速度2.6m/min)”) ,fact(“透氣性差，機速快”)。用這種方法表示知識，具有簡捷性、模塊性、描述性和過程性等特點，既靈活地適應(yīng)實際情況的變化，又能達到解決復雜問題的目的，目前，規(guī)則庫的容量已接近1000條規(guī)則。,2、推理機 專家系統(tǒng)的推理機是多級目標推理機，總目標推理機負責各級目標之間的推理，級目標推理機負責各級目標的自身推理，它們之間通過黑板進行信息交換。推理

10、機的作用是負責將事實與知識庫規(guī)則中的條件內(nèi)容通過搜索進行模式匹配，若匹配成功，則根據(jù)規(guī)則的動作部分的表達去工作。當系統(tǒng)從已有的知識出發(fā)無法作出推理或作出推理有限時，系統(tǒng)進入隨時動態(tài)學習過程。 專家系統(tǒng)是在實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過狀態(tài)判斷、原因分析和控制指導等過程來實現(xiàn)。專家系統(tǒng)的總目標推理采用過程化推理，而每個級目標推理所需的前提條件是已知且充分，所以各級目標推理采用同一正向推理機。為了提高系統(tǒng)的搜索效率，研究和應(yīng)用了有限廣度優(yōu)先搜索策略。燒結(jié)過程控制專家系統(tǒng)的推理機結(jié)構(gòu)如圖。,推理機 3、智能燒結(jié)過程狀態(tài)控制（IPC） 燒結(jié)過程的狀態(tài)控制，主要是控制熱狀態(tài)（也稱溫度狀態(tài)）和透氣性狀態(tài)，由于

11、它們與工藝參數(shù)之間的關(guān)系很難用數(shù)學模型來描述，因此需要依靠燒結(jié)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗知識去實現(xiàn)對燒結(jié)過程的狀態(tài)控制。它包括燒結(jié)終點（BTP）預測和熱狀態(tài)控制，混合料透氣性狀態(tài)判斷和控制，以堿度（R）為中心的化學成分控制。,元 知 識,確定各小任務(wù)的求解順序,黑板（內(nèi)部動態(tài)數(shù)據(jù)庫）,狀態(tài)判斷 原因分析 控制指導,正向推理機,過程化推理機,知 識 庫,數(shù)據(jù)庫 事實庫 模型庫 規(guī)則庫,三、以堿度為中心的化學成分控制專家系統(tǒng) 八十年代初，日本住友金屬公司開發(fā)的根據(jù)物料平衡原理建立的燒結(jié)礦化學成分預報模型，存有運算工作量大和成分控制的準確性不夠不足。自適應(yīng)預報方法是根據(jù)大量隨時間變化的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，用系統(tǒng)知識方法建

12、立的模型，并利用這些數(shù)據(jù)通過不斷修正模型的參數(shù)來適應(yīng)系統(tǒng)隨時間的變化，它既避免了機理建模的復雜性，又能反映系統(tǒng)的動態(tài)特性。 專家系統(tǒng)是一個基于知識的智能推理系統(tǒng)，它具有在燒結(jié)領(lǐng)域?qū)＜壹壦焦ぷ鞯闹R，經(jīng)驗和能力，通過推理作出智能決策，因此這樣建立起來的專家系統(tǒng)，可以解決用數(shù)學模型難以解決的問題。將自適應(yīng)預報模型與專家系統(tǒng)相結(jié)合的燒結(jié)礦化學成分控制專家系統(tǒng)，既簡明又準確，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。 1、專家系統(tǒng)控制方案 燒結(jié)礦化學成分的控制具有如下特點：,（1）化學成分（FeO、S除外）的穩(wěn)定性主要受原料參數(shù)的影響，與狀態(tài)參數(shù)關(guān)系甚微。 （2）從配礦到成品礦的化學成分化驗出結(jié)果，需要長達幾個小時，

13、存在著相當長的時間滯后。 （3）工藝過程具有動態(tài)復雜性和時變特性。 （4）化學成分之間有很大的相關(guān)性，某一成分發(fā)生變化會引起其它成分的改變，形成某一成分不能滿足要求，不一定是由于該成分本身變化引起的，往往是從其它方面去找原因，這就構(gòu)成了控制燒結(jié)礦化學成分的復雜性。 特點（1）說明可通過物料平衡建立它們之間的數(shù)學模型；特點（2）和（3）說明所建數(shù)學模型應(yīng)具有修正滯后性和動態(tài)變化特性，應(yīng)采用現(xiàn)代控制理論，建立自適應(yīng)預報模型，對燒結(jié)礦的化學成分提前預報；特點（4）說明燒結(jié)礦的化學成分難以用數(shù)學模型的方法解決，需要依靠專家的經(jīng)驗知識，因此需采用數(shù)學模型與知識模型相結(jié)合的控制方法，建立基于自適應(yīng)預報化學

14、成分的專家系統(tǒng)，實現(xiàn)對燒結(jié)礦化學成分的控制。,2、以堿度為中心的控制方針 2.1控制方針的提出：堿度（R）是燒結(jié)礦化學成分的基礎(chǔ)，也是影響燒結(jié)礦產(chǎn)質(zhì)量的基本因素。對任何企業(yè)的燒結(jié)礦而言，只要堿度不同，燒結(jié)礦的化學成分均會發(fā)生變化，因此控制燒結(jié)礦的化學成分應(yīng)圍繞堿度這個中心。同時高爐的爐料結(jié)構(gòu)和高爐冶煉爐渣的特性也是基于堿度這個基本因素的，燒結(jié)礦堿度產(chǎn)生波動，就必然會影響爐料組成和爐料質(zhì)量直至波及冶煉效果。 建立的堿度為中心的方針，是指燒結(jié)礦的化學成分控制以堿度為主，優(yōu)先滿足堿度的指標要求，當堿度滿足要求，其它成分未滿足要求時，可暫不作調(diào)整，若其它成分滿足要求，堿度未滿足要求時，必須要進行調(diào)整。

15、 2.2控制方針的實施： 燒結(jié)礦堿度的波動主要由以上兩方面原因引起的：（1）由CaO含量的波動引起，無論一次配料還是兩次配料CaO含量的波動都是由于熔劑的下料量波動引起的。,（2）由SiO2含量波動引起，對于一次配料的系統(tǒng)主要由于精礦和富礦的流量波動所引起；對于兩次配料的系統(tǒng)，一種情況是由于一次配料的抓料、配料不準及混勻效果差等原因引起的，另一種情況是由于二次配料的混勻料下料量波動所引起的。但無論哪種情況的波動都會引起TFe含量的波動。 精礦和富礦流量的波動及混勻料流量的波動都會引起FeO和MgO含量的波動，F(xiàn)eO還受燃料配加量的影響，MgO含量受菱鎂石（白云石）流量的影響。以兩次配料系統(tǒng)為例

16、，燒結(jié)礦化學成分的影響因素及相互關(guān)系如下圖所示：,燒結(jié)礦化學成分的影響因素及相互關(guān)系,堿度按以下原則控制：當堿度波動是由一次配料波動所引起時，通過調(diào)整二次配料的石灰石配比實現(xiàn)對堿度的控制；當堿度波動是由二次配料的混勻料量或石灰石流量波動引起時，相應(yīng)地調(diào)整混勻料配比或石灰配比，實現(xiàn)堿度的穩(wěn)定控制。 實現(xiàn)以堿度為中心的控制方針，采取以堿度的狀態(tài)及其變化趨勢（由過去值、現(xiàn)在值和將來值決定）為調(diào)整依據(jù)，以“保證合格品，力爭一級品”為調(diào)整原則的控制方法。具體做法： （1）預報堿度是一級品時，不作任何調(diào)整； （2）預報堿度為合格品時，根據(jù)堿度的過去值、現(xiàn)在值和將來值的變化趨勢，決定調(diào)整與否和調(diào)整幅度； （

17、3）預報堿度為出格品時，不論變化趨勢是否一致，必須進行調(diào)整。調(diào)整的幅度根據(jù)堿度過去值，現(xiàn)在值和將來值所表現(xiàn)的變化趨勢來決定。,過程化推理,3、燒結(jié)礦化學成分控制專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)根據(jù)成分預報系統(tǒng)的預報信息，以及現(xiàn)在實測值和過去值，根據(jù)專家的經(jīng)驗知識進行狀態(tài)判斷、原因分析和控制指導。 專家系統(tǒng)的知識庫采用了產(chǎn)生式規(guī)則、謂詞邏輯和過程表示相結(jié)合的知識表示模式，以及多庫結(jié)構(gòu)與多層次結(jié)構(gòu)相結(jié)合的組織形式；推理機采用過程化推理、正向推理和黑板相結(jié)合的混合推理控制策略以及有限廣度優(yōu)先搜索策略，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。,成 分 預 報 系 統(tǒng),黑 板,元 知 識,狀態(tài)判斷,原因分析,控制指導,正向推理,知 識 庫

18、,燒結(jié)礦化學成分控制專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),四、以透氣性為中心的燒結(jié)過程控制專家系統(tǒng) 長期以來，燒結(jié)生產(chǎn)在很大程度上是由操作工藝經(jīng)驗控制的，但由于操作者經(jīng)驗和知識的差導、判斷能力的高低，責任感的強弱以及心理和環(huán)境眾多因素的影響，人工操作不可避免地會導致操作狀態(tài)的波動，對燒結(jié)的產(chǎn)質(zhì)量造成不利影響，尤其燒結(jié)設(shè)備大型化后，這種影響就更為嚴重，因此，研究和開發(fā)燒結(jié)生產(chǎn)過程狀態(tài)控制專家系統(tǒng)，對于實現(xiàn)燒結(jié)過程的自動化和規(guī)范化，達到燒結(jié)過程的最優(yōu)化，是極為重要和必要的。 1、燒結(jié)狀態(tài)控制專家系統(tǒng)方案 燒結(jié)過程的狀態(tài)主要包括熱狀態(tài)（也稱溫度狀態(tài)）和透氣性狀態(tài)，其具有如下特點： （1）燒結(jié)過程熱狀態(tài)和透氣性狀態(tài)密切相關(guān)

19、，且它們都是影響燒結(jié)礦產(chǎn)、質(zhì)量指標的主要因素。,（2）影響燒結(jié)過程狀態(tài)的因素多且相互制約，原料條件、操作參數(shù)和設(shè)備參數(shù)等工藝參數(shù)都影響燒結(jié)過程狀態(tài)。 特點:（1）決定了燒結(jié)過程狀態(tài)控制必須采取熱狀態(tài)和透氣性狀態(tài)綜合控制；（2）說明燒結(jié)過程狀態(tài)控制難以用數(shù)學模型描述，需要依靠燒結(jié)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗知識實現(xiàn)對燒過程的狀態(tài)控制。綜上分析，燒結(jié)過程狀態(tài)控制應(yīng)以知識模型為主，建立熱狀態(tài)和透氣性狀態(tài)相結(jié)合的燒結(jié)過程狀態(tài)控制專家系統(tǒng)。 2、透氣性為中心控制方針 2.1控制方針的提出： 燒結(jié)料層的溫度變化是料層物理化學變化的基礎(chǔ)，因此熱狀態(tài)是影響燒結(jié)過程的重要因素。描述和表達熱狀態(tài)最常用的參數(shù)是燒結(jié)終點。 透氣性

20、是燒結(jié)過程氣體通過料層的難易程度。氣體在燒結(jié)料層內(nèi)的運動狀況及變化規(guī)律，決定著燒結(jié)過程的傳熱、傳質(zhì)和物理化學反應(yīng)，因此料層透氣性是燒結(jié)過程順利的決定因素，它直接影響燒結(jié)的產(chǎn)質(zhì)量。,透氣性好壞影響著燒結(jié)終點的穩(wěn)定：透氣性過好，燒結(jié)終點超前；透氣性差，燒結(jié)終點滯后。因此，只有改善和穩(wěn)定料層透氣性，才能穩(wěn)定燒結(jié)終點，進行穩(wěn)定燒結(jié)過程，實現(xiàn)燒結(jié)過程優(yōu)化（產(chǎn)量、質(zhì)量和能耗），所以燒結(jié)過程狀態(tài)控制應(yīng)以透氣性為中心。 以透氣性為中心的控制方針就是燒結(jié)過程控制以透氣性為主，即透氣性好時穩(wěn)定控制燒結(jié)終點；當透氣性差時，首先改善透氣性，同時考慮穩(wěn)定燒結(jié)終點。 2.2控制方針的實施 根據(jù)燒結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗，當垂直燒結(jié)速度（VI）較高，燒結(jié)終點（BTP）預報值超前和主管負壓（P）較低時，透氣性好；當VI較低，BTP預報值滯后和P較高時，透氣性差。基于這些，建立通過VI，BTP和P綜合判斷透氣性的規(guī)則庫。,當透氣性好時，主要通過調(diào)整臺車速度和料層厚度來穩(wěn)定燒結(jié)終點；當透氣性差時，一方面通過控制混合料水分（改變制粒狀態(tài)）、混合料溫度和焦粉配比（改變熱狀態(tài)）改善料層透氣性，同時要調(diào)整臺車速度和料層厚度穩(wěn)定燒結(jié)終點。 3、燒結(jié)過程狀態(tài)控制專家系統(tǒng) 3.1知識表述和知識庫組織 燒結(jié)過程狀態(tài)控制的知識包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)、事實、數(shù)學模型，啟發(fā)性知識和元知識等五類知識，這些知識的多樣性和復雜性以及不同類型知識表示