D0I:10.13374/i.issm1001053x.1991.04.022 北京科技大学学报 第13卷第4（【)期 Vol.13No.4(1) 1991年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing July 1991 冲天炉熔炼的变步长寻优控制 吴春京·沈定钊*吕述祖·钟雪友·陈卫东·* 捕要：采用模糊方法测得冲天炉的瞬间网状图，用变步长寻优规则控制冲天炉的熔炼。 研究表明，此方法使系统简单，寻优速度快，控侧效果好。 关键词：冲天炉，变风量，寻优控制，培炼铁水 The Change Searching Blast Steps Optimal Control of Cupola Wu Chunjing'Shen Dingzhao Lu Shuzhu Zhong Xueyou Chen Weidong' ABSTRACT:The wink net diagrams of cupola can be measured with fuzzy me- thod,and the cupola was controlled with change searching blast steps.The investigation indicates that the control system is simple,has fast searching speed and good control effect. KEY WORDS:cupola,change blast,optimal control,melt iron 由于铸造焦的缺乏，国内多数冲天炉使用治金焦，使铁水温度低。如果冲天炉熔炼时 风焦不匹配，即使采用优质铸造焦，铁水温度和治金质量也达不到最优状况，只能被迫增加 焦耗和降低熔化率来提高铁水温度和冶金质量。 冲天炉熔炼过程中，由于炉膛和风口尺寸的变化，炉料尺寸、比例和质量的波动，以及 1990-12-16收离 ·治金系(Department of Metallurgy) ··北京市水暖器材二厂 参加研制工作还有李巾柱、厉良德、茶增亮、王德金网志，饰85杨树枫、宋整社网学。 314
第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 。 。 年 月 犷 。 冲天炉熔炼的变步长寻优控制 吴 春京 ， 沈定 钊 ‘ 吕述祖 ， 钟雪 友 ’ 陈卫 东 ， ‘ 摘 要 采用模 糊方法 测得 冲天炉 的瞬间 网状图 ， 用 交步长寻 优规 则控制冲天 炉 的熔炼 。 研究表 明 ， 此方法使 系统简单 ， 寻优速度快 ， 控制效果好 。 关键词 冲天 炉 ， 变 风量 ， 寻优控制 ， 熔炼铁水 牙 ‘ 夕 ， 夕 ， ” 夕之 ， “ 之 “ 不 ” ， ， ， ， ， 由于铸造焦的缺乏 ， 国 内多数冲天护使用 冶金焦 ， 使铁水温度低 。 如果冲天 炉 熔 炼 时 风焦不 匹配 ， 即使采用 优质铸造 焦 ， 铁水温度和冶金质 量也达不到最优状况 ， 只 能被迫增加 焦耗和降低熔化率来提高铁水温度和冶金质 量 。 冲 天炉熔炼过程 中 ， 由于炉 膛和风 口尺 寸的变化 ， 炉料尺寸 、 比例和 质量 的波 动 ， 以及 匀 一 一 收稿 冶金系 北京市水 暖器 材二厂 参加研制工 作还有李 中柱 、 厉 良德 、 蔡增亮 、 王德全 同志 ， 铸 杨树枫 、 宋整社 同学 。 王 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．04．022
操作等因素的变化，使风焦最优匹配点波动和变化。通常以Patterson网状图为根据r1),用 恒风量定值熔炼是焦耗高、铁水温度低和冶金质量差的重要原因，所以应该用瞬间网状图进 行控制.图1为焦耗为a%时，示意的瞬间网状图。图中C:、C2、C3为3个特殊点，C2为铁水 温度最高，C,和C3为满足一定铁水温度时， 1550 Carbon a 熔化率最小和最大。这样，可以开发3种控制。 1500 由于铁水温度普遍偏低，所以最重要的是最高 铁水温度的控制2)。 1450 由于冲天炉熔炼过程的复杂变化，难以用 精确数学模型来描述，这给现有控制理论的应 1400 用造成困难，而模糊控制则能用较小的代价传 1350 14 16182022 24 送足够的信息，对复杂事物作出高效率的判断 Blast volume Q/Nm3.mm-1 和处理。模糊控制不需要知道控制对象的数学 Melting rate S/t.h-1 模型，对参数的变化有较强的适应性3)，适 图1瞬间网状图 用于象冲天炉这类非线性系统的控制。尤其是 Fig.1 The wink net diagrams 开发具有学习功能的冲天炉的模糊控制系统， 用变步长寻优，对使用原材料质量差和操作等因素波动的冲天炉有着特殊意义。 1控制系统 图2为系统的主要硬件组成。软件采用汉字菜单式编程。主要功能：①冲天炉熔炼最高 铁水温度控制：②满足给定铁水温度下，熔化率最小或最大的控制；③炉料的最低成本计 算，④炉前热分析；⑤测试系统的自动或手动标定等8项。 1。热分析样杯2。过桥湖温3.冲天炉4。调节阀 4 5,温度变送器6.计算机2867.温度变送器 8。A/D、D/A接口 图2冲天炉微机控横系统 Fig.2 Microprocessor control system of cupola 控制规则采用模糊控制规则，并赋予学习经验和修改规则功能。阀位和寻优步长启始值 为最新设定值，通过采样得到冲天炉的参数，判断冲天炉隶属于风量过小、合适或过大状 态，调节过程处于寻优阶段、走出死区、伪优化区或优化控制区，根据以前新积累的经验 315
操作等因 素的变化 ， 使风焦最优匹配 点波动和 变化 。 通 常以 网状图 为根据 〔 ’ 〕 ， 用 恒风 量定值熔炼是焦耗高 、 铁水温度低和冶金质量差 的重要原 因 ， 所以应 该用 瞬间网状图进 行控制 。 图 为焦耗 为 时 ， 示意 的瞬 间网 状图 。 图 中 、 、 为 个 特殊点 ， 为铁 水 尸卜洲。︸ 温度最高 ， 和 为满足 一定铁水温 度 时 ， 熔化率最小和最大 。 这样 ， 可 以开 发 种控制 。 由于铁水温度普遍偏低 ， 所 以最重 要的是最高 铁水温度 的控制 〔 “ 。 由于冲天炉熔炼过程 的复杂 变化 ， 难 以用 精确数学模型来描述 ， 这给现有控制理论的应 用造成困难 ， 而模糊控制则能用较小 的代价传 送足够 的信息 ， 对复杂事物作 出高效率的判断 和 处 理 。 模糊控制不需要知道控制对象 的数学 模型 ， 对参数 的变化有较强 的适 应 性 〔 “ ’ ， 适 用于象冲天炉 这类非线性系统 的控制 。 尤其是 开 发具有学 习功能 的冲天 炉 的模糊控制系 统 ， 亘 。 。 写 二〕 二 一 一翻 、 、 」 一一 一 一 门 一 － 口， 弓。 · 一 ， 夕 卜 一 久 图 瞬间网状 图 用变步 长寻优 ， 对使用原 材料质量差和操作等因 素波动 的冲天护有着特殊意义 。 控 制 系 统 图 为系统 的主要硬件组成 。 软件采 用 汉字菜单式编程 。 主要功 能 ①冲天炉熔炼最高 铁 水温度控制 ②满足给定铁水温度下 ， 熔化率最小或最大的控制 ③炉料 的 最 低 成 本计 算 ， ④炉前热分析 ⑤测试 系统 的 自动或手 动标定等 项 。 。 热分析样杯 。 过桥 测温 冲天 护 温度变送器 计算机 。 温度变送器 图 冲天 炉微机 控制系统 。 调节阀 。 、 接口 控制规则采 用模糊控制规则 ， 并赋予学 习经验和修改规则功能 。 阀位和 寻优步长启始值 为最新设 定值 ， 通过采 样得到 冲天 炉 的参 数 ， 判断冲天炉隶属 于风 量过小 、 合适 或 过 大 状 态 ， 调节过程处 于寻优阶段 、 走出死区 、 伪优化 区或优化控制区 ， 根据以前新积 累 的 经 验
值，选择加速或减速。为了避免速度过大或过小，采用限幅、跟踪调整最佳阀位和最佳寻优 步长。 最高铁水温度的变步长寻优控制规则： (1)当调风后温差绝对值|△TI>2℃时，处于寻优阶段。 IF△T>0 THEN Q。=QAND△Q=2*△Q IF△T0),基准阀位向前跨一步(Q。=Q),同时寻优步长加 倍于以前的值（△Q=2*△Q)。反之则寻优步长反向缩小。 (2)当|△T|0℃时，处于伪优化区。 Q。=QAND△Q=2*△Q 即基准阀位等于原阀位，寻优步长加倍。 (4)当1≤|△T|≤2℃和△T<0℃时，处于优化控制阶段。 Q=Q。THEN△Q=-△Q 即阀位等于基准阀位，然后寻找最优控制点是否变化，并作调整。控制程序略2]。 2控制效果 由于每次修炉的尺寸都略有差别，为了保证可比条件尽量相同，设计成同一炉子，在耐 1600 1500 1400 1300 Contro]le Hanual 1200L 020 4060 80100120 Time/min 图3过桥铁水温度与时间的关系 Fig.3 Relation between the melt temperature and time 316
值 ， 选择加速或减速 。 为了避免速度过 大或过小 ， 采 用限 幅 、 跟踪调整 最佳 阀位和最佳寻优 步长 。 最高铁水温度的变步长寻优控制规则 当调风后温差绝对值 △ ℃ 时 ， 处于寻优阶段 。 △ 。 △ 。 △ △ 二 △ 一 一万 任 一 △ 即如 果寻优方向正确 △ ， 基准 阀位向前跨 一步 。 ， 同时寻优 步 长 加 倍于以前的值 △ 二 △ 。 反之则 寻优步长反 向缩小 。 当 △ ℃ 时 ， 处于走 出死 区阶段 。 。 。 二 专 · 。 。 一 △ 定 △ 士 △ 】 即基准阀位为原 基堆 阀位和原阀 位的平 均值 ， 同时阀位处于基准阀位 。 如果走 出死 区方 向正确 ， 则在原 基础上增大寻优步长 。 反 之则在原 基础上反 向增大寻优步长 。 为取△ 符号 。 当 △ 石 ℃ 和△ ℃ 时 ， 处于伪优化 区 。 。 △ 二 · △ 即基准阀位等于原阀位 ， 寻优步长加 倍 。 当 镇 △ ℃ 和△ 。 ℃ 时 ， 处于优化控制阶段 。 。 即 阀位等于 基准阀位 ， △ 二 一 △ 然后寻找 最优控制点是否 变化 ， 并作 调整 。 控制程序略 ‘ ” 。 控 制 效 果 由于每次修炉 的尺寸都略有差别 ， 为了保证可 比条件尽量相 同 ， 设计成 同一炉子 ， 在耐 一 一一于一 了一价宁 屯千井二 … 厅 一 】日 旧 门 仁 卜 】 门幻厂‘曰︵﹄︹曰 知如邓 ﹃门飞刁飞二 目 。执 江 图 过桥铁水温度与时间的关 系
火炉衬被侵蚀不大时进行比较。焦耗、炉料等前后几乎相同。得到图3过桥铁水温度变化曲 线。图左半边为变步长寻优进行最高铁水温度的控制，右半边为原操作工艺。从相应的数据 输出中统计得： (1)在相同可比条件下，变步长寻优控制使铁水温度明显提高，平均提高31,6℃。 (2)铁水温度波动小，稳定性好，波动范围为27℃，原操作工艺为44℃。 3分析讨论 冲天炉的每一瞬间有其铁焦比，铁焦消耗比，炉料分布状况、尺寸和质量，炉膛、风 口、出铁口尺寸，这使图1中C2点在熔炼过程中不断变化，采用变步长寻优实现快速跟踪 C2点的变化。不同时刻C2点处的曲率半径不同，因而找到最佳控制点C2时，此时的最佳 寻优步长也是不同，采用变步长寻优实现在最佳控制点上最佳寻优。同样图1中C:和C3 点及其曲率半径也在变化，并且和前者有较大差别，变步长寻优则能自动调整。正因为变步 长寻优具有迅速跟踪，寻找最佳寻优步长和适应性好的特点，使图3左半边曲线没有大的波 动，温度较高。小波动增多说明为了克服炉温大波动和下降作了迅速调整。 4结 论 (1)变步长寻优控制使寻优速度快，寻优质量高，适应性广。 (2)变步长寻优在进行最高铁水温度控制时，可使铁水温度平均提高约30℃，铁水温度 波动减小约15℃。 参考文献 1 Creese R C.AFS Transactions,1982,90:665 2吴春京.北京科技大学治金系硕士论文，1988 3 Goguen J A.International Journal of Man-Machince Studies,1974, 16:513 317
火炉 衬被侵蚀不大时进行比较 。 焦耗 、 护料等前后 几乎相 同 。 得到 图 过桥铁水温度 变化 曲 线 。 图左半边为变步长寻优进行最高铁水温度的控制 ， 右半边 为原操作工艺 。 从相应 的数据 输 出中统计得 在相 同可 比条件下 ， 变步长寻优控制使铁水温度明显提高 ， 平均 提高 。 ℃ 。 铁水温度波 动小 ， 稳定性好 ， 波动范围 为 ℃ ， 原操作工艺为 ℃ 。 分 析 讨 论 冲天炉 的每一瞬 间有其铁焦比 ， 铁焦消耗比 ， 炉料分布状况 、 尺 寸 和 质 量 ， 炉 膛 、 风 口 、 出铁 口尺 寸 ， 这使图 中 点在熔炼过程 中不断 变化 ， 采用 变步 长寻优 实现快速跟 踪 点 的变化 。 不 同时刻 点处 的 曲率半径不同 ， 因而找 到最佳控制点 时 ， 此时 的最佳 寻优步长也是不 同 ， 采 用 变步长寻优实现在最佳控制点上 最 佳 寻 优 。 同 样 图 中 ， 和 点及其曲率半径也在 变化 ， 并且和 前者有较大差别 ， 变步长寻优则 能 自动调整 。 正 因 为变步 长寻优具有迅速跟踪 ， 寻找 最佳寻 优步长和适应性好 的特点 ， 使图 左半边 曲线没 有大 的波 动 ， 温度较高 。 小波 动增 多说明 为了 克服炉温大波动和下 降作 了迅速 调整 。 结 论 变步长寻优控制使寻优速度快 ， 寻 优质量高 ， 适应性广 。 变步长寻优在进行最高铁 水温度控 制时 ， 可 使铁水温 度平均 提高约 ℃ ， 铁水温度 波 动减小 约 ℃ 。 参 考 ， 献 吴春 京 。 北京科技 大 学冶金系 硕 士论文 ， 。 一
