本發(fā)明涉及高爐布料過(guò)程布料制度中布料矩陣的優(yōu)化求解問(wèn)題，涉及復(fù)雜系統(tǒng)的建模、優(yōu)化與控制，涉及冶金學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、運(yùn)籌學(xué)和控制科學(xué)等各學(xué)科間的交叉和融合。

背景技術(shù)：

高爐布料是高爐操作中一個(gè)重要操作制度，是高爐穩(wěn)定順行、高爐穩(wěn)產(chǎn)、降低事故率和減少燃料消耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多年的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)告訴我們，高爐布料不僅僅影響初始料面形狀和溫度場(chǎng)的分布，同時(shí)亦是高爐穩(wěn)產(chǎn)，高爐穩(wěn)定順行，高爐事故率和高爐燃料消耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)(劉云彩，高爐布料規(guī)律[m]，冶金工業(yè)出版社，2012)。布料矩陣是高爐布料操作中最重要的操作變量，與常規(guī)系統(tǒng)相比布料矩陣的特殊性在于溜槽傾角向量和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)向量分屬于不同數(shù)域，由于缺少高爐布料過(guò)程的有效模型，高爐布料制度的制定、優(yōu)化和調(diào)整仍由經(jīng)驗(yàn)豐富的工長(zhǎng)執(zhí)行。

專(zhuān)利授權(quán)文件201410336893.7提供了一種高爐布料過(guò)程徑向礦焦比的控制方法，建立了高爐布料控制參數(shù)對(duì)料面的模型關(guān)系，對(duì)于描述高爐布料模型，下料過(guò)程模型有一定的積極作用，由于缺少布料矩陣和料層厚度輸出分布的有效描述，并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)操作參數(shù)布料矩陣的優(yōu)化。專(zhuān)利申請(qǐng)文件201510586609.6提供了一種描述料面輸出形狀和操作變量之間的模型關(guān)系，但并沒(méi)有給出布料制度中操作變量布料矩陣的優(yōu)化方案。針對(duì)現(xiàn)行的高爐布料制度，本發(fā)明以高爐布料過(guò)程徑向料層厚度分布為優(yōu)化目標(biāo)，以布料矩陣為優(yōu)化參數(shù)，描述了一類(lèi)高爐布料過(guò)程的整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題,在積分約束下給出了料層徑向厚度目標(biāo)分布g(y)的分段函數(shù)表達(dá)形式，并能夠手動(dòng)調(diào)節(jié)分布目標(biāo)g(y)，并給出了一種基于多模型pso的高爐布料過(guò)程布料矩陣的優(yōu)化策略。本發(fā)明對(duì)于推進(jìn)高爐工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化的進(jìn)程，改善面向高性能冶煉的高爐操作，以及更大限度的實(shí)現(xiàn)高爐冶煉過(guò)程的節(jié)能、減排以及性能指標(biāo)優(yōu)化具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

由于現(xiàn)行高爐布料制度的制定和調(diào)整仍由經(jīng)驗(yàn)豐富的工長(zhǎng)執(zhí)行，缺乏有效的理論支撐，給高爐穩(wěn)定生產(chǎn)帶來(lái)較多負(fù)面影響。針對(duì)人工布料操作模式存在的問(wèn)題，本發(fā)明專(zhuān)利在專(zhuān)利申請(qǐng)文件201510586609.6的基礎(chǔ)上，給出了高爐布料過(guò)程一類(lèi)以徑向料層厚度分布為優(yōu)化目標(biāo)，以布料矩陣為優(yōu)化操作變量的整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的描述，并給出了一種積分約束下料層徑向厚度目標(biāo)分布的設(shè)定方法和一種基于多模型pso的高爐布料過(guò)程布料矩陣的優(yōu)化策略。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明首先給出一種積分約束下料層徑向厚度目標(biāo)分布的設(shè)定方法，焦炭層徑向厚度目標(biāo)分布gc(y)和礦石層徑向厚度目標(biāo)分布go(y)分別由線性分段函數(shù)描述如下：

并且，所述焦炭層和礦石層的徑向厚度目標(biāo)分布gc(y)和go(y)滿足柱形積分約束：

其中，vt^c和vt^o分別為焦炭層和礦石層的體積，kc和ko分別為焦炭層和礦石層的徑向厚度目標(biāo)分布的手動(dòng)調(diào)節(jié)斜率，yct為焦炭層徑向厚度目標(biāo)分布最高點(diǎn)位置的手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，yot和yol分別為礦石層徑向厚度目標(biāo)分布最高點(diǎn)和最低點(diǎn)位置的手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，本案中焦炭層徑向厚度目標(biāo)分布最低點(diǎn)位置的手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)由yot表示，但不僅僅限制與此，亦可單獨(dú)設(shè)定，hc和ho為符合積分約束的待估參數(shù)。

進(jìn)一步提出一種存在整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的高爐布料過(guò)程布料矩陣的優(yōu)化方法，以焦炭層和礦石層的徑向厚度目標(biāo)分布gc(y)和go(y)為優(yōu)化目標(biāo)，以布料矩陣為優(yōu)化操作變量，基于多模型粒子群優(yōu)化方法(pso)對(duì)高爐布料過(guò)程的布料矩陣進(jìn)行優(yōu)化，具體步驟如下：

1)操作變量布料矩陣u中溜槽傾角序列和布料圈數(shù)序列分屬于不同數(shù)域，由此帶來(lái)整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，其數(shù)學(xué)描述為：

u＝[α,κ]，

α＝[α1,…,αm]^t∈r^m×1,αi∈[αmin,αmax]，

其中αmin和αmax表示溜槽傾角可調(diào)節(jié)的邊界，m表示最大布料環(huán)數(shù)，溜槽傾角序列α屬于實(shí)數(shù)域，而布料圈數(shù)序列κ屬于自然數(shù)域；

2)根據(jù)布料圈數(shù)序列κ所遵循的約束確定m個(gè)備選布料圈數(shù)序列κj所構(gòu)成的集合：k＝{κ1,κ2,…κm}；

3)根據(jù)目標(biāo)分布gc(y)或go(y)，定義布料圈數(shù)序列κj對(duì)應(yīng)的性能準(zhǔn)則函數(shù)，并采用粒子群優(yōu)化方法(pso)確定當(dāng)前布料圈數(shù)序列κj所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)決策

4)根據(jù)比較布料圈數(shù)序列κj的性能指標(biāo)選擇布料圈數(shù)序列κ所對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則函數(shù)的最小值根據(jù)最小化的性能指標(biāo)給出相應(yīng)料層(礦石或者焦炭)的優(yōu)化參數(shù)變量α和κ。

本發(fā)明取得了顯著的技術(shù)效果，具體如下：

(1)本發(fā)明創(chuàng)新地提出一種積分約束下料層徑向厚度目標(biāo)分布的設(shè)定方法，該方法對(duì)于料層徑向厚度目標(biāo)分布的設(shè)定給出了理論依據(jù)。

(2)本發(fā)明以高爐布料過(guò)程徑向料層厚度分布為優(yōu)化目標(biāo)，以布料矩陣為優(yōu)化參數(shù)的整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，并給出了一種基于多模型的pso優(yōu)化策略，替代了以往依賴(lài)人工經(jīng)驗(yàn)的操作。本發(fā)明為布料制度中布料矩陣的調(diào)整和優(yōu)化提供了理論依據(jù)，給出了手動(dòng)調(diào)節(jié)料層厚度分布的具體措施，有利于對(duì)于推進(jìn)高爐布料過(guò)程優(yōu)化與控制的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)本專(zhuān)利分布參數(shù)控制的思想也可用于解決其他復(fù)雜對(duì)象的優(yōu)化與控制。

附圖說(shuō)明：

圖1為高爐布料過(guò)程礦石和焦炭層的實(shí)際厚度分布：

圖2為用分段函數(shù)所描述的礦石和焦炭層的目標(biāo)厚度分布；

圖3為高爐布料過(guò)程中一類(lèi)以徑向料層厚度分布為優(yōu)化目標(biāo)，以布料矩陣為優(yōu)化參數(shù)的整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的求解流程圖；

圖4為焦炭層優(yōu)化厚度分布和目標(biāo)厚度分布的對(duì)比圖；

圖5為礦石層優(yōu)化厚度分布和目標(biāo)厚度分布的對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式：

一種存在整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的高爐布料過(guò)程布料矩陣的優(yōu)化方法：

步驟1：獲取高爐布料過(guò)程高爐本體參數(shù)，包括爐喉半徑、料線高度、溜槽長(zhǎng)度、喉管高度、溜槽傾動(dòng)距、溜槽摩擦系數(shù)、爐料堆角、爐料堆密度、料批批重，并給出操作變量布料矩陣的向量描述：

α＝[α1,…,αm]^t∈r^m×1,αi∈[αmin,αmax]，(1)

u＝[α,κ]，(3)

其中αmin和αmax表示溜槽傾角可調(diào)節(jié)的邊界，m表示最大布料環(huán)數(shù)，溜槽傾角向量α屬于實(shí)數(shù)域，而旋轉(zhuǎn)圈數(shù)向量κ屬于自然數(shù)域。

步驟2：獲取高爐布料過(guò)程料線徑向分布γ(y)，即布料過(guò)程底部分布形狀，其中y表示距離高爐中心的距離。

步驟3：根據(jù)料批批重和爐料堆密度計(jì)算爐料體積vt，并假定爐料堆密度恒定，根據(jù)質(zhì)量守恒原則，爐料在料倉(cāng)中的體積和爐料在高爐爐喉處分布的體積相等，于是我們提出高爐布料過(guò)程爐料等體積原則：

其中，f(y,u)表示爐料分布在料線γ(y)的基礎(chǔ)上所形成的徑向頂部輪廓，u表示布料矩陣，由溜槽傾角向量α和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)向量構(gòu)成κ構(gòu)成。

步驟4：根據(jù)高爐布料過(guò)程徑向底部和頂部的分布形狀計(jì)算料層厚度分布:

h(y,u)＝f(y,u)-γ(y)。(5)

步驟5：分別在積分約束下給出了礦層和焦炭層徑向厚度目標(biāo)分布go(y)和gc(y)的分段函數(shù)表達(dá)形式：

其中kc和ko為手動(dòng)調(diào)節(jié)斜率,yct,yot和yol為手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)，hc和ho為符合積分約束的待估參數(shù)，可通過(guò)積分(8)和(9)計(jì)算得到。

步驟6：根據(jù)布料圈數(shù)的約束條件(2)，確定m個(gè)備選布料圈數(shù)序列κj所構(gòu)成的集合：

k＝{κ1,κ2,…κm}，(10)

其中m表示集合的基數(shù)。

步驟7：根據(jù)設(shè)定的料層厚度分布的目標(biāo)g(y)，定義有限可數(shù)集中布料圈數(shù)向量κj的性能指標(biāo)函數(shù)：

其中uj＝[α,κj]，目標(biāo)g(y)為相應(yīng)的焦炭層厚度分布目標(biāo)gc(y)或礦石層厚度分布目標(biāo)go(y)。

步驟8：在溜槽傾角向量α的約束條件下，本專(zhuān)利利用粒子群優(yōu)化方法(pso)求解使得性能指標(biāo)最小的溜槽傾角向量α：

其中(k)表示粒子迭代學(xué)習(xí)的次數(shù)，vi和αi分別表示第i個(gè)粒子的速度和位置，表示單個(gè)粒子的最優(yōu)值，α^best表示全局最優(yōu)值。

步驟9：設(shè)定粒子維數(shù)、粒子最大迭代學(xué)習(xí)次數(shù)和迭代終止條件，根據(jù)已經(jīng)確定的整數(shù)域布料圈數(shù)向量κ的有限可數(shù)集依次計(jì)算布料圈數(shù)向量κj的性能指標(biāo)

并從中選擇向量κ所對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則函數(shù)的最小值根據(jù)最小化的性能指標(biāo)中給出相應(yīng)料層(礦石或者焦炭)的優(yōu)化參數(shù)變量α和κ。

下面結(jié)合附圖1-3，根據(jù)本發(fā)明在具體實(shí)際實(shí)踐中應(yīng)用的實(shí)例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的描述。

針對(duì)圖1所示的2500m³并罐無(wú)鐘式某鋼鐵廠高爐，爐喉半徑4.3m，礦石和焦炭爐料體積vt^c和vt^o均為30m³，根據(jù)布料圈數(shù)的約束條件，給出備選有限可數(shù)集為：

γ(y)由現(xiàn)場(chǎng)給定數(shù)據(jù)擬合獲得。

針對(duì)上述具體的高爐布料過(guò)程，該專(zhuān)利的具體實(shí)施方法如下：

(1)按照步驟5手動(dòng)設(shè)置kc＝0.25和ko＝0.35，三個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)分別為yct＝1.1m，yot＝3.2m和yol＝2.4m，設(shè)定gc(y)和go(y)：

需要說(shuō)明的是，目標(biāo)分布的斜率和調(diào)節(jié)點(diǎn)由高爐布料專(zhuān)家依經(jīng)驗(yàn)給出，而與期望目標(biāo)最接近的優(yōu)化操作變量布料矩陣的計(jì)算方法則由以下方法計(jì)算。

(2)根據(jù)料流軌跡模型計(jì)算高爐爐料落點(diǎn)位置(劉云彩，高爐布料規(guī)律[m]，冶金工業(yè)出版社，2012)，根據(jù)專(zhuān)利申請(qǐng)文件201510586609.6計(jì)算f(y,u)，并根據(jù)本專(zhuān)利步驟4計(jì)算厚度分布h(y,u)。

(3)設(shè)定種群數(shù)為10，最大迭代次數(shù)為100，根據(jù)圖3所示的控制流程圖實(shí)時(shí)計(jì)算決策變量和準(zhǔn)則函數(shù)并根據(jù)步驟9計(jì)算最終的優(yōu)化操作變量α和κ。

(4)分別給出焦炭層和礦石層厚度分布的目標(biāo)分布與優(yōu)化結(jié)果的對(duì)比關(guān)系，如圖4和圖5所示，本發(fā)明的高爐布料過(guò)程布料矩陣的優(yōu)化方法對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是可以實(shí)施的，并且能夠取得顯著的技術(shù)效果。

本發(fā)明給出了手動(dòng)調(diào)節(jié)料層厚度分布的具體操作辦法，從優(yōu)化的礦石和焦炭層厚度分布看本專(zhuān)利給出的基于多模型的pso優(yōu)化策略可以實(shí)現(xiàn)料層目標(biāo)厚度分布的操作變量布料矩陣的優(yōu)化計(jì)算，具有可視性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)，對(duì)于布料操作優(yōu)化和布料過(guò)程控制的實(shí)現(xiàn)都具有十分重要的指導(dǎo)意義。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。