摘要：提出了一種混合的動(dòng)態(tài)模型，在高爐煉鐵的過程中考慮流體動(dòng)力學(xué)和混沌特性；并著重講述了其機(jī)理。新的模型將考慮高爐高復(fù)雜性以及模型的主要參數(shù)的影響，而且預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)吻合很好。

關(guān)鍵詞：高爐煉鐵；混合動(dòng)力；智能控制；數(shù)學(xué)模型；混沌控制

   高爐煉鐵是一個(gè)高度復(fù)雜的過程，其運(yùn)行機(jī)制取決于以下特點(diǎn)：非線性，滯后時(shí)間，尺寸大小，噪聲，和分布參數(shù)等。煉鐵過程中每天都產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)。網(wǎng)上收集的資料包括那些對(duì)溫度，流量，壓力，和燃料數(shù)據(jù)，等等。并每2小時(shí)測(cè)定鐵水和爐渣數(shù)據(jù)采樣收集。在不同的時(shí)間和不同位置收集的所有數(shù)據(jù)都被發(fā)送到高爐主控室。他們成為了高爐工長(zhǎng)對(duì)高爐狀態(tài)的判斷依據(jù)。參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)（硅含量）的影響有不同的時(shí)間滯后。高爐煉鐵的控制不是一個(gè)實(shí)時(shí)反饋控制,而是預(yù)測(cè)控制,因此,為了更好地預(yù)測(cè)和控制煉鐵過程,實(shí)時(shí)信息流和虛擬信息獲得的數(shù)學(xué)模型是必要的。

1.      智能控制系統(tǒng)中的混合動(dòng)態(tài)理論

    近年來,一直在努力控制煉鐵過程。提出了幾種方法來建立模型。事實(shí)上,高爐是一種巨大的反應(yīng)堆中,氣體,液體,固體共存,在高爐反應(yīng)非常復(fù)雜。其復(fù)雜性已成為其最優(yōu)控制。然而,考慮流體動(dòng)力的和混亂的屬性方面的機(jī)制可能是一個(gè)方法。

1.1  微分代數(shù)系統(tǒng)的功能模型和功能模型

    煉鐵的過程是一個(gè)流體動(dòng)力學(xué)的過程。固體材料、鐵礦石、焦炭和石灰石被扔進(jìn)爐的頂部和預(yù)熱空氣吹到底部通過風(fēng)量取值。從固體原料到鐵水約的時(shí)間間隔為6小時(shí)。在此期間,下行鐵礦石的減少是通過熱提升氣體,其中包含很大一部分一氧化碳提供還原性氣氛。現(xiàn)在高爐就像一個(gè)固體、液體和氣體共存,和復(fù)雜的反應(yīng)發(fā)生在不同地區(qū)的反應(yīng)堆。

  固體材料向下傾倒，下降過程中減少并逐漸變成固體和液體的混合物。這種混合物稱為“降液”。另一方面，鼓入熱風(fēng)和噴出煤粉產(chǎn)生熱值，熱風(fēng)和煤粉的混合氣體被稱為“提升流體”。

很明顯,提升流體或降序流體遵循流體動(dòng)力學(xué)的三個(gè)功能：

公式（1）是連續(xù)性方程,即流體的質(zhì)量的不變性；公式（2）是流動(dòng)方程；公式（3）是功能狀態(tài)。ρ是流體密度；k是系數(shù)；P是壓力；ν是速度矢量；F是材料爐的重力；t是時(shí)間。

后檢查100多爐內(nèi)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生,8選擇類型的反應(yīng),它們是表1中列出。

表1 主要反應(yīng)顯著影響流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)

8個(gè)反應(yīng)類型進(jìn)行了分析和3個(gè)代數(shù)函數(shù)分類如下：

（1）div（PV）= O，其中氣體的體積保持不變，在完全燃燒反應(yīng)（6）和間接還原反應(yīng)（0）。

(2) div(pv)>O, where gasvolume doubles, as in imperfect combustion reaction (5), reaction ( 3 ) ,directreduction reactions (1) , ( 2 ) , and the reduction reaction of silicon. As thereaction goes on, the solid oxide and carbon are converted into gas.

（2）div（PV）> O，其中氣體的體積增加一倍，在不完全的燃燒反應(yīng)（5），反應(yīng)（3），直接還原反應(yīng)（1），（2），和硅的還原反應(yīng)。隨著反應(yīng)的繼續(xù)，固體氧化物和碳轉(zhuǎn)化成氣體。

( 3 ) div(pv)<O, wheregas volume decreases, as in reaction (4) with the volume halved.

（3）div（PV）＜O，氣體體積減小，在反應(yīng)（4）與體積減半。

  體積的變化帶來的密度和壓力的變化。這是一個(gè)直接的推論，壓力的變化導(dǎo)致滲透率的改變，以及高爐透氣性指數(shù)直接影響化學(xué)反應(yīng)類型的變化。

   因此，煉鐵過程的混合動(dòng)力機(jī)制可以通過一個(gè)非線性模型相結(jié)合的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，流體動(dòng)力學(xué)和代數(shù)函數(shù)微分函數(shù)表示。降液和上升的流體動(dòng)力學(xué)密切相關(guān)。流體下行加快意味著加速化學(xué)反應(yīng)，反之亦然。在此僅下降流體動(dòng)力學(xué)的考慮。微分函數(shù)具有復(fù)雜的非線性由于代數(shù)函數(shù)的變化

   更細(xì)致的分析表明，有不同的爐條件下不同反應(yīng)鏈和反應(yīng)鏈可以提取到不同的“代數(shù)群”。例如，在反應(yīng)的鏈（6），（3），（0）可導(dǎo)致代數(shù)組第一類（4C ,202，4fe0）→（4Fe，4c02，）而在反應(yīng)鏈（6），（5），（0）導(dǎo)致的代數(shù)集團(tuán)的第二類，等等。之間有顯著性差異（生產(chǎn)力的鐵還原率）不同的反應(yīng)鏈下。這是很難通過煤氣成分檢驗(yàn)判斷反應(yīng)鏈。兩個(gè)代數(shù)群之間的關(guān)鍵區(qū)別是它們的不同組合爆破風(fēng)和注入煤，帶來能量和質(zhì)量不同的傳輸模式。

  以上分析表明，混合動(dòng)力的機(jī)制下，化學(xué)反應(yīng)和滲透指數(shù)的速度是密切相關(guān)的，所以是反應(yīng)速度和下降的液體。這也適用于密度和壓力。連鎖反應(yīng)的不同組合與爐條件不斷變化。因此，不同的反應(yīng)鏈可分為不同的模式。這種形式的模式識(shí)別的基礎(chǔ)。

1.2混沌特性和統(tǒng)計(jì)規(guī)律煉鐵

  流體動(dòng)力學(xué)方程和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程反映了煉鐵過程的定性規(guī)律。作為一個(gè)定性的保守系統(tǒng)，它包括物料平衡，熱平衡，能量平衡，控制等。這種系統(tǒng)稱為定性控制。焦炭負(fù)荷和堿度控制是質(zhì)量控制措施之一。

  另一方面，考慮的影響因素眾多，這些因素的隨機(jī)波動(dòng)，煉鐵過程同樣遵循隨機(jī)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的規(guī)則。許多研究人員利用時(shí)間序列，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，和小波分析預(yù)測(cè)高爐鐵水硅含量和某些進(jìn)展。其結(jié)果反映了鐵水硅含量的變化及化學(xué)成分。其原因在于硅含量的發(fā)展的隨機(jī)動(dòng)力學(xué)。在煉鐵過程中，狀態(tài)變量（如透氣性指數(shù)）隨機(jī)變化，高爐工長(zhǎng)必須采取相應(yīng)的措施，如改變風(fēng)量和煤粉噴吹使硅含量的穩(wěn)定性。因此，偶然波動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可以反映。

  同時(shí)，如果流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化劇烈，波動(dòng)的機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)化為確定性的波動(dòng)。在這樣的條件下，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)，由于控制變量的劇烈變化的失敗。

  所以混沌動(dòng)力學(xué)的方法控制冶煉過程的介紹。Lyapunov指數(shù)，Kolmogorov熵，和其他參數(shù)的高爐從萊蕪鋼鐵和林鋼進(jìn)行了測(cè)定。通過從兩個(gè)高爐在線采集數(shù)據(jù)的計(jì)算，證明了熱風(fēng)爐是一個(gè)混沌系統(tǒng)，并存在混沌吸引子的煉鐵工藝。反應(yīng)鏈在1.1節(jié)討論的是那些吸引子。

    有焦率在不同的時(shí)間收集從“智能控制專家系統(tǒng)”的萊蕪鋼鐵數(shù)據(jù)之間的顯著差異。所以確實(shí)有不同的反應(yīng)鏈在煉鐵過程稱為混沌吸引子在這里。在每一個(gè)混沌吸引子，高爐運(yùn)行平穩(wěn)，但能源消耗（焦率）有顯著性差異。

  因此，根據(jù)不同的混沌吸引子,很有可能引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律。也有可能得到的鐵和不同過程的最優(yōu)控制規(guī)則的減少率更好。因此，熱平衡和能量平衡是不是線性的，固定的，非線性的，動(dòng)態(tài)的。它是很容易得到的混沌控制和優(yōu)化結(jié)果后的理論結(jié)果。這也是動(dòng)力學(xué)機(jī)制提高利用率，通過系統(tǒng)優(yōu)化，降低焦比。

1.3煉鐵智能控制功能

  一種基于煉鐵不同模式的智能控制模型可以在以上分析后建立起來的。針對(duì)過程控制和領(lǐng)班經(jīng)驗(yàn)的可觀測(cè)性和可操作性，推導(dǎo)了狀態(tài)變量和控制變量的微分方程：

ω是硅含量；l料速度下降；f是透氣性指數(shù)；q風(fēng)量；S噴煤指數(shù)；L（t），F（t），Q（t），和S（t）的系數(shù)，與初始條件的變化而變化；ε其他的隨機(jī)干擾的影響作用，并可以寫成如下：

    這里0是焦炭負(fù)荷變化率；t1時(shí)間滯后；R為堿性材料；D是熔煉時(shí)間；C是與時(shí)間延遲t2時(shí)間差；T是高爐風(fēng)溫。D的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間是120分鐘，而標(biāo)準(zhǔn)的滯后時(shí)間C是一批鐵冶煉時(shí)間。五個(gè)參數(shù)的影響，硅含量在特定條件下，有必要考慮修訂

2 預(yù)測(cè)和控制功能的應(yīng)用

  在實(shí)際生產(chǎn)中，爐長(zhǎng)將q和s作為主要的控制變量，同時(shí)與l和f做耦合控制。因此硅含量的控制功能是通過離散化公式（7）：

  其中n是離散的次數(shù)。該函數(shù)是非線性的。系數(shù)L（t），F（t），Q（t），和S（t）是通過分段線性化的確定。表2給出了128個(gè)控制模式。

  在每個(gè)模式中，成功的條件是：abs{△ω[si](n)-△ω’[si](n)}≤0.1，在這里ω[si]是真正的硅含量。使用實(shí)際數(shù)據(jù)的模式識(shí)別方法，指出一些模式是不可行的，在所有不包含數(shù)據(jù)。大約有30種常見模式（有足夠的數(shù)據(jù)模式）。

    利用上述模型對(duì)預(yù)測(cè)樣本獲得的數(shù)據(jù)從智能控制專家系統(tǒng)在高爐萊蕪鋼鐵股份有限750 m3的內(nèi)部體積，得到的時(shí)間序列，如圖1所示。

    50連續(xù)數(shù)據(jù)的命中率可高達(dá)92%。圖2是該模型的結(jié)果。的命中率在圖中高爐不同狀態(tài)下可高達(dá)98%。應(yīng)當(dāng)指出的是，從36 216 到36 219數(shù)據(jù)，對(duì)ω[Si]波動(dòng)+ O 37，0。36，和0.20。事實(shí)上，耦合控制功能可以達(dá)到成功的激烈波動(dòng)下充分表明，控制功能可以很好地反映煉鐵的非線性。

表2獲得的模式，根據(jù)變化的狀態(tài)變量和控制變量

3結(jié)論

  基礎(chǔ)自動(dòng)化和信息網(wǎng)絡(luò)化保證了獲得原始數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)，這場(chǎng)理論研究為實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。混合動(dòng)力機(jī)制的理論依據(jù)和實(shí)用的因素的改善通過降低焦比提供智能控制。

  預(yù)測(cè)和硅含量控制模型是基于混合動(dòng)力學(xué)機(jī)理的基礎(chǔ)上。系統(tǒng)優(yōu)化的方法，并在模型。實(shí)踐充分證明，它是實(shí)現(xiàn)煉鐵智能控制的自動(dòng)化的有效途徑。

圖1輸入變量的時(shí)間序列圖

圖2 從預(yù)測(cè)模型得到的結(jié)果