冶金過程數(shù)學(xué)模型與人工智能應(yīng)用

前言

鋼鐵工業(yè)屬于混合型流程工業(yè)，兼有連續(xù)型和離散型工業(yè)流程的特點，其生產(chǎn)過程既包括物理過程，也包含化學(xué)過程，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、參數(shù)不確定性等一系列特征?，F(xiàn)代鋼鐵冶金工業(yè)生產(chǎn)的大型化和復(fù)雜化，對過程控制水平提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的優(yōu)化控制技術(shù)依賴于建立過程的精確數(shù)學(xué)模型，但是這對于實際生產(chǎn)過程來說往往難度很大，特別是生產(chǎn)過程控制參數(shù)與生產(chǎn)目標之間的關(guān)系受到種種不可預(yù)測因素的制約，在現(xiàn)場生產(chǎn)中一般依靠經(jīng)驗進行操作，過程參數(shù)、狀態(tài)變量和生產(chǎn)目標之間的關(guān)系是不明確的。由于難以從生產(chǎn)機理上確定過程模型，許多工藝過程參數(shù)無法優(yōu)化獲取，僅靠操作人員的經(jīng)驗設(shè)定。結(jié)果造成生產(chǎn)過程的不良波動和生產(chǎn)指標不佳。在信息化帶動工業(yè)技術(shù)進步受到高度重視的今天，冶金行業(yè)正在努力地利用先進的控制理論、計算機技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。過程控制數(shù)學(xué)模型與人工智能控制系統(tǒng)是冶金信息化最直接、最有效的應(yīng)用領(lǐng)域，它對提高冶金過程的經(jīng)濟技術(shù)指標，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率有著重要的理論意義和巨大的經(jīng)濟價值，是廣大冶金工作者迫切需要學(xué)習(xí)并掌握的一門關(guān)鍵技術(shù)。因此，有必要在高等學(xué)校專業(yè)教育中給予充分的體現(xiàn)。目前，安徽工業(yè)大學(xué)在冶金工程專業(yè)本科教學(xué)中設(shè)置了“冶金過程數(shù)學(xué)模型”、“冶金過程控制”、“冶金仿真軟件應(yīng)用”等課程，還包括相應(yīng)的上機實踐課，經(jīng)過幾年的實踐，取得了較好的效果。通常，冶金工程專業(yè)的學(xué)生對計算機建模、開發(fā)人工智能控制系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，而計算機專業(yè)的學(xué)生缺乏對冶金工程專業(yè)知識的了解，因此，本書以作者多年從事冶金過程數(shù)學(xué)模型與人工智能系統(tǒng)開發(fā)的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，將兩方面的知識融合在一起，系統(tǒng)地介紹了數(shù)學(xué)模型與人工智能的基礎(chǔ)以及常用的模型算法，并結(jié)合冶金流程分別介紹了它們?nèi)绾卧谶@些流程中應(yīng)用并解決現(xiàn)場實際問題。在編寫過程中，作者參考了攻讀博士學(xué)位期間的導(dǎo)師及課題組的工作成果，還有很多從事冶金過程數(shù)學(xué)模型與控制系統(tǒng)開發(fā)與研究的同行們的工作成果。另外，編者還得到了目前所在課題組老師與研究生的幫助、家人的理解與鼓勵，在此一并表示誠摯的謝意！由于作者的學(xué)識及水平所限，書中不妥之處，懇請同行與讀者不吝賜教，并提出寶貴的批評意見。

內(nèi)容概要

本書是關(guān)于冶金過程數(shù)學(xué)模型與人工智能控制系統(tǒng)應(yīng)用的教學(xué)用書。全書共分為5章，主要內(nèi)容包括過程控制數(shù)學(xué)模型與人工智能基礎(chǔ)、冶金主要流程的數(shù)學(xué)模型以及人工智能系統(tǒng)應(yīng)用三大部分。    本書理論知識與應(yīng)用相結(jié)合，書中既有建模、人工智能的基礎(chǔ)理論與方法，又有控制模型與系統(tǒng)的實際應(yīng)用，內(nèi)容深入淺出，通俗易懂，突出冶金工藝技術(shù)與控制理論、計算機技術(shù)交叉融合的特點，對冶金工作者和控制系統(tǒng)研發(fā)人員都有參考價值。    本書可作為冶金工程專業(yè)本科生、研究生的教材，也可供冶金工程設(shè)計與開發(fā)人員、冶金生產(chǎn)現(xiàn)場技術(shù)人員參考。

書籍目錄

1  概述  1.1  冶金生產(chǎn)過程簡述    1.1.1  煉鐵    1.1.2  煉鋼  1.2  冶金過程的特點與控制方法    1.2.1  冶金過程的特點    1.2.2  冶金過程的控制方法  1.3  冶金過程數(shù)學(xué)模型與人工智能的研究進展2  冶金過程檢測和自動控制基礎(chǔ)  2.1  冶金過程信息檢測    2.1.1  冶金過程自動化體系結(jié)構(gòu)    2.1.2  冶金過程檢測  2.2  冶金過程基礎(chǔ)自動化    2.2.1  可編程控制器(PLC)    2.2.2  基礎(chǔ)自動化級通信    2.2.3  人機界面技術(shù)    2.2.4  分布式計算機控制系統(tǒng)3  過程控制數(shù)學(xué)模型與人工智能基礎(chǔ)  3.1  數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)    3.1.1  數(shù)學(xué)模型及其特點    3.1.2  數(shù)學(xué)模型在冶金中的作用    3.1.3  數(shù)學(xué)模型的建立方法及步驟  3.2  人工智能基礎(chǔ)    3.2.1  人工智能概述    3.2.2  專家系統(tǒng)    3.2.3  人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)    3.2.4  模糊控制  3.3  過程控制常用模型及其算法    3.3.1  基于時間序列的預(yù)報模型    3.3.2  基于BP算法的預(yù)報模型    3.3.3  基于遺傳算法的最優(yōu)化模型4  冶金過程數(shù)學(xué)模型  4.1  燒結(jié)過程數(shù)學(xué)模型    4.1.1  燒結(jié)配料模型    4.1.2  燒結(jié)工藝參數(shù)優(yōu)化模型    4.1.3  燒結(jié)過程熱狀態(tài)模型    4.1.4  燒結(jié)礦性能預(yù)報模型  4.2  高爐數(shù)學(xué)模型    4.2.1  高爐無料鐘布料模型    4.2.2  軟熔帶模型    4.2.3  高爐爐缸爐底侵蝕模型    4.2.4  鐵水硅含量預(yù)報模型    4.2.5  熱風(fēng)爐蓄熱室內(nèi)溫度場模型  4.3  轉(zhuǎn)爐數(shù)學(xué)模型    4.3.1  靜態(tài)控制模型    4.3.2  動態(tài)控制模型    4.3.3  合金模型  4.4  電爐數(shù)學(xué)模型    4.4.1  電弧爐煉鋼合金成分控制模型    4.4.2  電弧爐冶煉能量結(jié)構(gòu)模型  4.5  爐外精煉數(shù)學(xué)模型    4.5.1  LF爐鋼包精煉合金加料與鋼水成分預(yù)報模型    4.5.2  LF爐鋼包精煉能量損耗預(yù)報模型  4.6  連鑄數(shù)學(xué)模型    4.6.1  中間包鋼液溫度模型    4.6.2  結(jié)晶器溫度場模型    4.6.3  板坯連鑄二冷仿真模型5  冶金過程人工智能控制系統(tǒng)  5.1  燒結(jié)人工智能控制系統(tǒng)    5.1.1  燒結(jié)配礦專家系統(tǒng)    5.1.2  燒結(jié)過程操作優(yōu)化指導(dǎo)系統(tǒng)    5.1.3  燒結(jié)礦化學(xué)成分控制專家系統(tǒng)  5.2  高爐人工智能控制系統(tǒng)    5.2.1  高爐爐況診斷與報警專家系統(tǒng)    5.2.2  高爐綜合智能控制專家系統(tǒng)    5.2.3  熱風(fēng)爐燃燒智能控制系統(tǒng)  5.3  轉(zhuǎn)爐人工智能控制系統(tǒng)    5.3.1  基于輻射信息分析的轉(zhuǎn)爐終點預(yù)測    5.3.2  轉(zhuǎn)爐煉鋼智能控制系統(tǒng)  5.4  電爐人工智能控制系統(tǒng)    5.4.1  交流電弧爐智能集成計算機控制系統(tǒng)    5.4.2  電爐煉鋼專家系統(tǒng)  5.5  爐外精煉人工智能控制系統(tǒng)    5.5.1  基于故障樹的RH-KTB大型真空系統(tǒng)智能故障診斷系統(tǒng)    5.5.2  智能LF控制系統(tǒng)  5.6  連鑄人工智能控制系統(tǒng)    5.6.1  結(jié)晶器液位智能控制系統(tǒng)    5.6.2  連鑄二次冷卻動態(tài)智能優(yōu)化控制系統(tǒng)參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：2.2.4分布式計算機控制系統(tǒng)2.2.4.1 概述 分布式（集散型）計算機控制系統(tǒng)（DCS）是在20世紀70年代中期發(fā)展起來的，它是一種以集成處理器為核心的控制系統(tǒng)。它是把計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、測量技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、圖形顯示技術(shù)及人機接口結(jié)合在一起，利用計算機技術(shù)對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)測、操作、管理和分散控制的一種控制系統(tǒng)。DCS已經(jīng)歷了三代，1975年Honeywell公司推出的TDC 2000集散控制系統(tǒng)是一個具有多處理器的分級控制系統(tǒng)，以分散的控制設(shè)備來控制分散的過程對象，并通過數(shù)據(jù)高速公路將它們相連接相協(xié)調(diào)起來。實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的功能分散和負荷分散，從而危險性也分散。第二代產(chǎn)品在原來產(chǎn)品基礎(chǔ)上，進一步采用模塊化、標準化設(shè)計，提高了系統(tǒng)可靠性和可擴充性，它能實現(xiàn)過程控制、數(shù)據(jù)采集、順序控制和批量控制功能、開放化發(fā)展，一方面向上增加了更高層次的信息管理級，另一方面，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，以微處理器為基礎(chǔ)的智能設(shè)備相繼出現(xiàn)，如智能變送器、智能調(diào)節(jié)器，再結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)，DCS向下形成一種新的、全分布式的控制系統(tǒng)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強了互聯(lián)性，提高了可靠性。DCS類分布式控制器的基本特點如下：（1）DCS控制器能夠獨立自主地完成自己的任務(wù)，是一個能獨立運行的控制站；（2）DCS控制器在硬件和軟件設(shè)計上具有一定的容錯能力，具有很高的可靠性；（3）DCS控制器采用模塊化、標準化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以靈活地進行組態(tài)和配置，并可以擴充（4）在DCS系統(tǒng)中設(shè)置圖形化人機接口；（5）通過DCS系統(tǒng)中的人機接口還可以對過程數(shù)據(jù)進行實時采集和分析，并可進行在線排障和程序的在線修改；（6）DCS控制器之間，與上級和下級網(wǎng)絡(luò)之間能夠通過通信網(wǎng)絡(luò)連接，進行必要的控制信息交換，通信實時可靠。2.2.4.2 DCS系統(tǒng)實例 以目前國內(nèi)較先進的某鋼廠二期燒結(jié)機（495 m）DCS系統(tǒng)為例，介紹整個基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的功能構(gòu)成、軟硬件系統(tǒng)及其特點。A系統(tǒng)概述及其特點二期燒結(jié)三電控制系統(tǒng)采用DCS+PLC+I）ata Server的配置方式，整個三電控制系統(tǒng)功能如圖2-5所示。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為兩層次，即信息層和控制層。信息層包括過程服務(wù)器（Proeess server ）、數(shù)據(jù)服務(wù)器（data servet）、E-SERVER、操作站以及冗錯的以太網(wǎng)?？刂茖影―CS、PLC、ACE（application controller environment，）以及開放的Control Net網(wǎng)。過程服務(wù)器以實時數(shù)據(jù)庫核心采集并處理DCS、PLC、ACE和數(shù)據(jù)服務(wù)器的實時信息，以滿足工藝操作、監(jiān)視的需要。E-SERVER作為防火墻使生產(chǎn)、設(shè)備能進行遠程管理和維護。數(shù)據(jù)服務(wù)器主要負責(zé)收集和處理來自包括二期燒結(jié)生產(chǎn)和設(shè)備狀況數(shù)據(jù)、各種分析成分數(shù)據(jù)、臨近區(qū)域（原料和高爐）生產(chǎn)和設(shè)備狀況數(shù)據(jù)。

編輯推薦

《冶金過程數(shù)學(xué)模型與人工智能應(yīng)用》是高等學(xué)校規(guī)劃教材。

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