CN114277260A - 一种铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制*** - Google Patents

一种铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，包括：配料计算模型、物料平衡模型、热平衡计算模型、知识库、模糊控制模型，配料计算模型实现对侧吹炉投入物料的合理匹配计算，物料平衡模型用于确保配料计算模型中投料物与生成物的质量保持平衡，热平衡模型分用于确保配料计算模型中投料物与生成物的热量保持平衡，知识库包含侧吹熔炼的专家知识和现场操作经验，模糊控制模型基于知识库，对其采用控制规则模型化，使其转变成可用程序代码实现的语言，实现对控制参数的优化调整。本发明在侧吹工艺机理分析的基础上，以侧吹过程目标参数稳定为目标，利用模糊控制模型动态地获得控制参数的最优值，实现侧吹生产过程的智能优化控制。

Description

一种铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***
技术领域
本发明涉及铜富氧侧吹熔炼工艺参数优化技术领域，特别是涉及一种铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***。
背景技术
铜富氧侧吹熔炼是一个复杂、非线性时变、强耦合的连续作业过程，过程中所有的工艺参数、各种扰动因素以及相关操作参数之间具有非线性关系，导致线性计算的准确性较低，难以准确控制炉况，达到稳定生产的要求。
传统控制理论是建立在精确数学模型基础上的，然而针对铜富氧侧吹存在非线性、时变性、不确定性和不完全性的特点，无法获取精确的数学模型。由于缺乏精确的数学模型，根据工艺人员经验设定的操作参数值往往使设定的目标参数达不到目标要求，并且存在较大偏差，而且工艺参数的检测存在滞后，当发现偏差时，侧吹炉已经在非正常工况下生产一段时间。
实际侧吹生产过程中，铜富氧侧吹熔炼过程的控制是建立在基于物料平衡及热平衡的静态机理模型，由于操作人员素质不同，工况条件复杂多样，只考虑熔炼的始末两个状态，不能满足工艺精准控制的需要。同时，机理模型在建立时需要对侧吹熔炼过程进行一些特定的假设及简化处理，进而使得机理模型的计算结果与实际存在一定的偏差。因此如何解决现有技术中存在的计算精度低、质量控制不稳定、经验依赖性高的问题，实现对铜富氧侧吹熔炼过程的工艺参数进行精准调控，对实现长期稳定连续生产具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，克服现有技术的不足，实现对铜富氧侧吹熔炼过程的工艺参数的精准调控。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，该***包括：配料计算模型、物料平衡模型、热平衡计算模型、知识库以及模糊控制模型，所述配料计算模型实现对侧吹炉投入物料的合理匹配计算，所述物料平衡模型用于确保所述配料计算模型中投料物与生成物的质量保持平衡，所述热平衡模型分用于确保所述配料计算模型中投料物与生成物的热量保持平衡，所述知识库包含侧吹熔炼的专家知识和现场操作经验，所述模糊控制模型基于所述知识库，对其采用控制规则模型化，使其转变成可用程序代码实现的语言，实现对控制参数的优化调整，包括对冰铜品位、冰铜温度和Fe/SiO2比率的精准调控并将这些参数稳定在设定的目标值。
进一步的，所述配料计算模型实现对侧吹炉投入物料的合理匹配计算，具体包括：
所述配料计算模型采用前馈和反馈相结合的控制方法，完成对铜富氧侧吹熔炼下料物的精准计算，并跟踪下料执行情况，通过在实际的生产过程中采集到的数据及理论计算值的偏差对系数进行补正计算；
其中，前馈控制根据入炉物料、目标冰铜品位及目标渣中Fe/SiO2调用计算理论熔剂量，从而计算出理论熔剂比率，再加上熔剂比率修正项即为最终所需要的熔剂比率；反馈控制根据实测渣中Fe/SiO2,计算熔剂比率修正项，将计算结果在满足条件后输送到DCS***；侧吹炉中物料的熔剂比率的计算公式如下：
Rf＝【Wf/(Wc+Wy)+△Rf】
其中：Wc为干精矿量；Wy为烟灰量，Wf为熔剂量，△Rf为熔剂比率修正项。
进一步的，所述物料平衡模型用于确保所述配料计算模型中投料物与生成物的质量保持平衡，具体包括：
所述物料平衡模型用于维持加入侧吹炉的各种物料的总量与生产的产品和副产品的总质量相等。
进一步的，所述热平衡模型分用于确保所述配料计算模型中投料物与生成物的热量保持平衡，具体包括：
所述热平衡模型依据能量守恒定律即热支出项之和等于热收入之和的原理，可得：
化合物生成热+分解热+燃烧热+造渣热+工艺风带入热＝生成物存热+气体带走热+损失热+蒸发热+散热。
进一步的，所述知识库由数据库和规则库组成，所述数据库包括所有输入、输出变量的模糊子集的隶属度矢量值，在规则推理的模糊关系方程求解过程中提供数据；所述规则库是基于理论知识和操作人员在工作中积累的实践经验，可存放模糊控制的规则，并在推理过程中提供各种控制规则。
进一步的，所述冰铜温度的精准调控具体包括：
设给定的冰铜温度为Td，实际温度为T，则温度误差e＝Td-T，取其语言变量为E，论域X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，论域上模糊子集是Ai(i＝1，2，…，7)，相应语言值为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZO，负小NS，负中NM，负大NB}，分别对应当前实际冰铜温度T相对于设定温度Td为：“极低”、“较低”、“正好”、“稍高”、“较高”和“极高”；
***误差前后两次采样值的变化量ec＝e1-e2，取其语言变量为EC，论域Y＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，论域上模糊子集是Bj(j＝1,2，…，7)，相应语言值为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZO，负小NS，负中NM，负大NB}，分别对应当前温度的变化(T2-T1)为：“快速升高”、“平稳升高”、“缓慢升高”、“不变”、“平稳降低”、“缓慢降低”和“快速降低”；
模型输出控制量，取其语言变量为U，论域Z＝{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}，论域上模糊子集是Ck(k＝1，2，…，7)，相应语言值为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZO，负小NS，负中NM，负大NB}，分别表示执行机构的动作为：“发温度上限报警，并全关闭燃气阀门”、“燃气阀门开度大幅度减小”、“燃气阀门开度小幅度减小”、“燃气阀门开度不变”、“燃气阀门开度大幅度增大”、“发温度上限报警，并将阀门开度设置为最大”。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，1)通过前馈以及反馈控制回路，调控操作变量发生变化，将控制变量稳定在设定的目标值，解决了现有技术中存在的原料配比不当的问题，实现在满足生产工艺需要的同时，又能降低生产成本；2)为了弥补机理模型的不足，将机理模型和模糊控制模型进行结合，对侧吹熔炼相关参数进行在线实时控制，具有较好的全局拟合能力；3)可对操作参数进行实时调整，使参数波动对侧吹熔炼过程的影响降低到最小；4)可根据侧吹炉炉况的变化对控制规则进行调整，进一步改善模糊控制的性能，并结合机理模型，对炉况的变化进行监控，实现侧吹在线自动调整控制；5)本发明结合侧吹工艺专家知识及现场操作经验，深度挖掘生产大数据库中的信息价值，实现对生产过程的优化控制；6)本发明能较好地反应铜富氧侧吹熔炼实际生产过程，可以精准预测该冶炼过程和优化工艺参数的能力，可有效指导铜富氧侧吹熔炼的生产实践。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，根据侧吹炉炉况的变化对控制规则进行调整，进一步改善模糊控制的性能，并结合机理模型，对炉况的变化进行监控，实现侧吹在线自动优化调整控制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明实施例提供的铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，包括：配料计算模型、物料平衡模型、热平衡计算模型、知识库和模糊控制模型；
所述配料计算模型实现对侧吹炉投入物料的合理匹配计算，采用前馈和反馈相结合的控制方法，完成对铜富氧侧吹熔炼下料物的精准计算，并跟踪下料执行情况，通过在实际的生产过程中采集到的数据及理论计算值的偏差对系数进行补正计算；所述配料计算模型通过计算机***与自动化仪表和化验分析室进行数据交互联动，实现熔炼过程的实时在线闭环控制。配料计算模型能够解决现有技术中存在的原料配比不当的问题，实现在满足生产工艺需要的同时，又能降低生产成本。
其中，前馈控制根据入炉物料、目标冰铜品位及目标渣中Fe/SiO2调用计算理论熔剂量，从而计算出理论熔剂比率，再加上熔剂比率修正项即为最终所需要的熔剂比率；反馈控制根据实测渣中Fe/SiO2,计算熔剂比率修正项，将计算结果在满足条件后输送到DCS***；侧吹炉中物料的熔剂比率的计算公式如下：
Rf＝【Wf/(Wc+Wy)+△Rf】
其中：Wc为干精矿量；Wy为烟灰量，Wf为熔剂量，△Rf为熔剂比率修正项。
所述物料平衡模型用于确保所述配料计算模型中投料物与生成物的质量保持平衡，具体指加入侧吹炉的各种物料的总量与生产的产品和副产品的总质量相等。
所述热平衡模型分用于确保所述配料计算模型中投料物与生成物的热量保持平衡。所述热平衡计算模型包括整体热平衡和局部区域热平衡，所述整体热平衡是以整个侧吹炉为对象的热平衡计算，所述局部区域热平衡是以侧吹炉局部区域为对象的热平衡计算。所述热平衡模型依据能量守恒定律即热支出项之和等于热收入之和的原理，可得：
化合物生成热+分解热+燃烧热+造渣热+工艺风带入热＝生成物存热+气体带走热+损失热+蒸发热+散热。
所述知识库由数据库和规则库组成，所述数据库包括所有输入、输出变量的模糊子集的隶属度矢量值，在规则推理的模糊关系方程求解过程中提供数据；所述规则库是基于理论知识和操作人员在工作中积累的实践经验，可存放模糊控制的规则，并在推理过程中提供各种控制规则。知识库结合侧吹工艺专家知识及现场操作经验，深度挖掘生产数据库中的信息价值，有利于实现对侧吹熔炼生产过程的优化控制。
所述模糊控制模型基于所述知识库，对其采用控制规则模型化，使其转变成可用程序代码实现的语言，实现对控制参数的优化调整，包括对冰铜品位、冰铜温度和Fe/SiO2比率的精准调控并将这些参数稳定在设定的目标值。
建立的模糊控制规则如下所示：利用计算机预先计算好控制量u，制成如表1所示的控制表，将其作为文件存贮在计算机中。当进行实时控制时，便于根据输出的信息，从文件中查询所需采取的控制策略。
表1
Figure BDA0003438665640000061
以侧吹炉冰铜温度控制为例：
设给定的冰铜温度为Td，实际温度为T，则温度误差e＝Td-T，取其语言变量为E，论域X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，论域上模糊子集是Ai(i＝1，2，…，7)，相应语言值为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZO，负小NS，负中NM，负大NB}，分别对应当前实际冰铜温度T相对于设定温度Td为：“极低”、“较低”、“正好”、“稍高”、“较高”和“极高”；
***误差前后两次采样值的变化量ec＝e1-e2＝T2-T1，取其语言变量为EC，论域Y＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，论域上模糊子集是Bj(j＝1,2，…，7)，相应语言值为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZO，负小NS，负中NM，负大NB}，分别对应当前温度的变化(T2-T1)为：“快速升高”、“平稳升高”、“缓慢升高”、“不变”、“平稳降低”、“缓慢降低”和“快速降低”；
模型输出控制量，取其语言变量为U，论域Z＝{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}，论域上模糊子集是Ck(k＝1，2，…，7)，相应语言值为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZO，负小NS，负中NM，负大NB}，分别表示执行机构的动作为：“发温度上限报警，并全关闭燃气阀门”、“燃气阀门开度大幅度减小”、“燃气阀门开度小幅度减小”、“燃气阀门开度不变”、“燃气阀门开度大幅度增大”、“发温度上限报警，并将阀门开度设置为最大”。
所述模糊控制模型不需要考虑控制精确的数学模型，是依据操作人员经验和专家知识所制定的操作规则，所述模糊控制模型鲁棒性强，可解决常规控制难以解决的非线性、时变性及大滞后等问题，在侧吹工艺机理分析的基础上，采用模糊控制模型获取控制参数的最优值，对侧吹过程进行优化控制。
本发明提供的铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，将专家知识和操作人员长期实践积累的经验用控制规则模型化，运用推理便可对操作参数实现最佳优化调整；通过机理和专家知识确定模糊控制模型的输入量和输出量，利用模糊控制规则进行模糊推理，根据***设计人员积累的经验知识决策出输出模糊量；把模糊控制规则及有关信息作为知识存入知识库中，然后根据实时检测到的运行参数和化验分析结果，运用模糊推理，实现对操作参数的最佳调整。
本发明在侧吹工艺机理分析的基础上，利用物料平衡模型和热平衡计算模型，以侧吹过程目标参数稳定为目标，利用模糊控制模型动态地获得控制参数的最优值，用于侧吹生产过程的智能优化控制。
本发明可对操作参数进行实时调整，使参数波动对侧吹过程的影响达到最小。本发明在传统的静态模型中加入化验结果和实时检测运行参数，进一步提高配料计算的准确性，消除人为因素的主观性和不确定性对侧吹生产过程产生的不良影响。
本发明将机理模型和模糊控制模型进行结合，对侧吹相关参数进行在线实时控制，具有较好的全局拟合能力。
本发明可根据侧吹炉炉况的变化对控制规则进行调整，进一步改善模糊控制的性能，并结合机理模型，对炉况的变化进行监控，实现侧吹熔炼过程在线自动调整控制。
本发明所构建模型能较好地反应铜富氧侧吹熔炼过程实际生产过程，可以精准预测该冶炼过程和优化工艺参数的能力，可有效指导铜富氧侧吹熔炼的生产实践。
综上，本发明提供了一套离线仿真***，可进行离线仿真模拟计算，为工艺人员优化工艺参数提供指导。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，其特征在于，包括：配料计算模型、物料平衡模型、热平衡计算模型、知识库以及模糊控制模型，所述配料计算模型实现对侧吹炉投入物料的合理匹配计算，所述物料平衡模型用于确保所述配料计算模型中投料物与生成物的质量保持平衡，所述热平衡模型分用于确保所述配料计算模型中投料物与生成物的热量保持平衡，所述知识库包含侧吹熔炼的专家知识和现场操作经验，所述模糊控制模型基于所述知识库，对其采用控制规则模型化，使其转变成可用程序代码实现的语言，实现对控制参数的优化调整，包括对冰铜品位、冰铜温度和Fe/SiO2比率的精准调控并将这些参数稳定在设定的目标值。
2.根据权利要求1所述的铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，其特征在于，所述配料计算模型实现对侧吹炉投入物料的合理匹配计算，具体包括：
所述配料计算模型采用前馈和反馈相结合的控制方法，完成对铜富氧侧吹熔炼下料物的精准计算，并跟踪下料执行情况，通过在实际的生产过程中采集到的数据及理论计算值的偏差对系数进行补正计算；
其中，前馈控制根据入炉物料、目标冰铜品位及目标渣中Fe/SiO2调用计算理论熔剂量，从而计算出理论熔剂比率，再加上熔剂比率修正项即为最终所需要的熔剂比率；反馈控制根据实测渣中Fe/SiO2,计算熔剂比率修正项，将计算结果在满足条件后输送到DCS***；侧吹炉中最终所需要的熔剂比率的计算公式如下：
Rf＝【Wf/(Wc+Wy)+△Rf】
其中：Wc为干精矿量；Wy为烟灰量，Wf为熔剂量，△Rf为熔剂比率修正项。
3.根据权利要求1所述的铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，其特征在于，所述物料平衡模型用于确保所述配料计算模型中投料物与生成物的质量保持平衡，具体包括：
所述物料平衡模型用于维持加入侧吹炉的各种物料的总量与生产的产品和副产品的总质量相等。
4.根据权利要求1所述的铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，其特征在于，所述热平衡模型分用于确保所述配料计算模型中投料物与生成物的热量保持平衡，具体包括：
所述热平衡模型依据能量守恒定律，即热支出项之和等于热收入之和的原理，可得：
化合物生成热+分解热+燃烧热+造渣热+工艺风带入热＝生成物存热+气体带走热+损失热+蒸发热+散热。
5.根据权利要求1所述的铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，其特征在于，所述知识库由数据库和规则库组成，所述数据库包括所有输入、输出变量的模糊子集的隶属度矢量值，在规则推理的模糊关系方程求解过程中提供数据；所述规则库是基于理论知识和操作人员在工作中积累的实践经验，可存放模糊控制的规则，并在推理过程中提供各种控制规则。
6.根据权利要求1所述的铜富氧侧吹熔炼过程在线优化控制***，其特征在于，所述冰铜温度的精准调控具体包括：
设给定的冰铜温度为Td，实际温度为T，则温度误差e＝Td-T，取其语言变量为E，论域X＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，论域上模糊子集是Ai(i＝1，2，…，7)，相应语言值为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZO，负小NS，负中NM，负大NB}，分别对应当前实际冰铜温度T相对于设定温度Td为：“极低”、“较低”、“正好”、“稍高”、“较高”和“极高”；
***误差前后两次采样值的变化量ec＝e1-e2，取其语言变量为EC，论域Y＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1,0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，论域上模糊子集是Bj(j＝1,2，…，7)，相应语言值为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZO，负小NS，负中NM，负大NB}，分别对应当前温度的变化(T2-T1)为：“快速升高”、“平稳升高”、“缓慢升高”、“不变”、“平稳降低”、“缓慢降低”和“快速降低”；
模型输出控制量，取其语言变量为U，论域Z＝{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7}，论域上模糊子集是Ck(k＝1，2，…，7)，相应语言值为：{正大PB，正中PM，正小PS，零ZO，负小NS，负中NM，负大NB}，分别表示执行机构的动作为：“发温度上限报警，并全关闭燃气阀门”、“燃气阀门开度大幅度减小”、“燃气阀门开度小幅度减小”、“燃气阀门开度不变”、“燃气阀门开度大幅度增大”、“发温度上限报警，并将阀门开度设置为最大”。
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