本發(fā)明涉及冶煉礦熱爐，具體而言，尤其涉及一種直流礦熱爐先進控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、當前，冶煉用直流礦熱爐因其節(jié)能效果明顯且吃粉料適應(yīng)性好，逐漸被采用，新型的直流礦熱爐結(jié)構(gòu)是正負電極均垂直爐膛布置的形式，設(shè)計生產(chǎn)容量巨大，有的容量甚至接近100mva，一般采用數(shù)量與冶煉電極對數(shù)相等的三相整流變壓器和整流柜相連，將交流電整流成直流電后，經(jīng)正負電極將電能量以直流的形式注入礦熱爐內(nèi)，工藝操作人員根據(jù)爐況選定某根電極進行升降操作，在與生產(chǎn)目標偏差較大時通過對整流變壓器進行升檔降檔來完成調(diào)整，綜合來看使用變壓器調(diào)檔實現(xiàn)粗調(diào)而通過電極升降實現(xiàn)微調(diào)，在調(diào)整的過程中力求正負電極電參數(shù)平衡，但由于正負電極焙燒和發(fā)熱效果不同導(dǎo)致實際生產(chǎn)過程中正負電極電氣參數(shù)很難平衡，波動較大，耗電量依工藝操作人員的操作手法不同而迥異，在極度不平衡的情況下還會影響爐體結(jié)構(gòu)，對砌筑耐材和爐底造成破壞，嚴重影響礦熱爐壽命，造成嚴重的經(jīng)濟損失。

2、生產(chǎn)爐況與正負電極插入深度密切相關(guān)，控制電極插深是保證爐況穩(wěn)定的主要手段，電極插入爐料內(nèi)進行埋弧冶煉，電極端頭不斷消耗，實際的插深難以測量，工藝操作人員需根據(jù)電極電流、電壓、有功、爐體溫度、煙氣溫度等很多參數(shù)大致預(yù)估電極插深采用經(jīng)驗法操作，因此為了得到真實的插入深度，生產(chǎn)人員需每隔1～2天停電測量真實插深，有的是通過插鋼釬根據(jù)角度計算有的則是直接將電極全部拔出測量完畢之后再重新插入爐內(nèi)，在生產(chǎn)過程中仍是難以精確測量。綜上所述，有待建立快速準確的軟測量系統(tǒng)，以提供實時電極插深信息，實現(xiàn)礦熱爐穩(wěn)定控制，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種直流礦熱爐先進控制系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有直流礦熱爐正負電極插入深度無法測量的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

3、一種直流礦熱爐先進控制系統(tǒng)，包括傳感器單元、數(shù)據(jù)采集單元、中央處理單元、人機交互單元、模型預(yù)測控制單元、數(shù)控輸出單元和執(zhí)行機構(gòu)單元；

4、所述傳感器單元對直流礦熱爐生產(chǎn)過程中的若干物理數(shù)據(jù)參量進行感知檢測，并將感知到的信息按照一定規(guī)律變換成電信號進行輸出至數(shù)據(jù)采集單元；

5、所述數(shù)據(jù)采集單元按照毫秒級的掃描周期對傳感器單元輸出的電信號進行采集，使用防抖、濾波、鈍化方法對采集到的信號進行數(shù)據(jù)處理，提高數(shù)據(jù)的可利用性，隨后將采集到的數(shù)據(jù)輸出至中央處理單元；

6、所述中央處理單元將從數(shù)據(jù)采集單元收集到的信號按秒級周期循環(huán)執(zhí)行邏輯控制處理，隨后將處理后的實時信息傳送至人機交互單元供工藝操作人員查看，并接收人機交互單元發(fā)過來的控制指令進入中央處理單元的邏輯控制；中央處理單元發(fā)送直流礦熱爐生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)至模型預(yù)測控制單元進行模型預(yù)測控制數(shù)據(jù)計算，隨后模型預(yù)測控制單元將計算結(jié)果信息返送至中央處理單元；中央處理單元將收到的計算結(jié)果信息進行處理并調(diào)整生產(chǎn)工藝控制策略，通過數(shù)控輸出單元將控制信號傳送至執(zhí)行機構(gòu)單元；中央處理單元同時依據(jù)在人機交互單元人工設(shè)定的若干物理數(shù)據(jù)參量上下限保護值對直流礦熱爐設(shè)備進行保護，在超限時進行反向調(diào)節(jié)指令輸出或者嚴重超限時切斷整流變壓器供電主回路指令輸出至數(shù)控輸出單元經(jīng)執(zhí)行機構(gòu)單元，實現(xiàn)保護動作；

7、所述人機交互單元將從中央處理單元接收到的信息進行實時顯示，并將工藝操作人員的控制指令發(fā)送至中央處理單元；

8、所述模型預(yù)測控制單元在中央處理單元中獲取直流礦熱爐生成過程數(shù)據(jù)，進行直流礦熱爐生產(chǎn)過程的模型預(yù)測控制，在單次模型預(yù)測控制計算任務(wù)完成以后，以分鐘級周期將預(yù)測計算成果信息反向傳送回中央處理單元；

9、所述數(shù)控輸出單元實時接收中央處理單元發(fā)出的控制指令，按毫秒級刷新輸出變化控制信息，實時調(diào)節(jié)輸出變化，并將信息轉(zhuǎn)換成若干物理信號傳送至執(zhí)行機構(gòu)單元；

10、所述執(zhí)行機構(gòu)單元接收數(shù)控輸出單元發(fā)來的若干物理信號，完成直流礦熱爐生產(chǎn)過程中的各種設(shè)備動作。

11、進一步地，所述中央處理單元包括：

12、gpc單元，所述gpc單元接收冶煉功率設(shè)定值與實時功率值的偏差值、礦熱爐電極電壓/電流/有功功率、電極插深軟測量值和干擾變量作為輸入變量，所述gpc單元輸出電極插深偏置和檔位偏置量至電極升降/檔位控制器作為輸出變量；

13、電極升降/檔位控制器，所述電極升降/檔位控制器接收電極插深偏置和檔位偏置量，并基于電極插深偏置和檔位偏置量生成相應(yīng)的控制信號發(fā)送至礦熱爐；

14、礦熱爐，所述礦熱爐接收控制信號并執(zhí)行控制，所述礦熱爐將礦熱爐的電氣參數(shù)和工況參數(shù)發(fā)送至pca單元，所述礦熱爐將礦熱爐電極電壓/電流/有功功率發(fā)送至gpc單元；所述礦熱爐輸出實時功率值；

15、將實時功率值與冶煉功率設(shè)定值做差，生成冶煉功率設(shè)定值與實時功率值的偏差值發(fā)送至gpc單元；

16、進一步地，所述模型預(yù)測控制單元包括：

17、pca單元，所述pca單元對接收的電氣參數(shù)和工況參數(shù)進行降維處理，并將低維度數(shù)據(jù)發(fā)送至bpn單元；

18、bpn單元，所述bpn單元接收低維度數(shù)據(jù)并基于低維度數(shù)據(jù)對電極插深進行軟測量計算，生成電極插深軟測量值發(fā)送至gpc單元。

19、進一步地，所述干擾變量包括爐底溫度、煙氣溫度、o2含量和h2含量。

20、進一步地，所述gpc單元的計算方法如下：

21、s1、針對受到隨機干擾的對象，采用最小方差控制中所用的受控自回歸積分滑動平均模型：

22、a(q-1)y(k)＝b(q-1)u(k-1)+c(q-1)ξ(k)/δ

23、式中：a(q-1)＝1+a1q-1+…+anq-n，b(q-1)＝b0+b1q-1+…+bmq-m，c(q-1)取值為1；

24、其中，q-1是后移算子，表示后退一個采樣周期的相應(yīng)的量；δ＝1-q-1為差分算子；ξ(k)是一個不相關(guān)的隨機噪聲序列，表示一類隨機噪聲對系統(tǒng)的影響；y(k)為輸出變量，u(k)為輸入變量，d(k)為干擾變量；通過整流變壓器調(diào)檔實現(xiàn)粗調(diào)而通過電極位置升降實現(xiàn)微調(diào)；

25、s2、對輸出變量y(k)、輸入變量u(k)和控制增量δu(k)進行控制約束，δu(k)為當前采樣周期的輸入變量與上一個采樣周期的差值，ymin(k)≤y(k)≤ymax(k)，umin(k)≤u(k)≤umax(k)，δumin(k)≤δu(k)≤δumax(k)；

26、s3、假定預(yù)測長度為j，則該系統(tǒng)在k+j時刻的輸出預(yù)測模型為：

27、a(q-1)y(k+j)＝b(q-1)u(k+j-1)+ξ(k+j)/δ

28、采用diophantine方程獲得k+j時刻的系統(tǒng)輸出預(yù)測值ym(k+j)，diophantine方程如下：

29、1＝a(q-1)δej(q-1)+q-jfj(q-1)

30、式中，ej(q-1)，fj(q-1)是由a(q-1)和預(yù)測長度j唯一確定的多項式，取e1＝1，作為ej，fj的初值，則經(jīng)公式推導(dǎo)可得：

31、

32、ej+1＝ej+ej+1,jq-1＝ej+fj,0q-1

33、

34、其中，

35、s4、設(shè)k時刻被控量設(shè)定值為sp，實際跟蹤的是柔化后的設(shè)定值wk，對象輸出期望值采用如下的參考軌跡：

36、w(k)＝y(tǒng)(k)

37、w(k+j)＝αw(k+j-1)+(1-α)sp

38、其中，0＜α＜1；

39、s5、使k+j時刻的預(yù)測輸出盡量接近參考軌跡w(k+j)，則k時刻優(yōu)化目標為：

40、

41、其中，e為數(shù)學(xué)期望；w為輸出的期望值；n1,n2為優(yōu)化時域的始值和終值；nu為控制時域；λ(j)為控制加權(quán)系數(shù)，一般取常數(shù)λ；

42、s6、對二次型目標函數(shù)j(k)進行極小化，令得到控制律如下：

43、δu＝(gtg+λi)-1gt(w-h)

44、其中，i為單位矩陣；

45、

46、其中，gj,i＝gi+1(i＜j)是階躍響應(yīng)系數(shù)；w＝[w(k+1)…w(k+n)]t；

47、h＝[h1…h(huán)n]t，其中：

48、h1(t)＝[g1(q-1)-g1,0]δu(t)+f1y(t)

49、h2(t)＝q[g2(q-1)-q-1g2,1-g2,0]δu(t)+f2y(t)

50、

51、hn(t)＝qn-1[gn(q-1)-q-(n-1)gn,n-1-…-gn,0]δu(t)+fny(t)

52、s7、設(shè)gt為(gtg+λi)-1gt的第一行，則k時刻的即時控制增量為：

53、δu(k)＝gt(w-h)

54、s8、將控制量u(k)＝u(k-1)+δu(k)作用于系統(tǒng)，完成本步的控制。

55、進一步地，s2具體包括：

56、根據(jù)正負電極升降驅(qū)動液壓缸行程的3％和97％位置點設(shè)定為電極位置的下限和上限；以正負電極位置的平均值為基準，設(shè)定正負電極的不平衡度上限為35％，在正負電極位置值完全相等時不平衡度數(shù)值為0，不做下限設(shè)定；正負電極位置單次調(diào)整量上限設(shè)定為12mm，不做下限設(shè)定；根據(jù)整流變壓器二次側(cè)的檔位配置設(shè)定整流變壓器檔位的下限和上限，當檔位為最低檔和最高檔時，不再向邊界調(diào)節(jié)只能向檔位保護限內(nèi)調(diào)節(jié)；整流變壓器單次調(diào)整量上限設(shè)定為1檔，不做下限設(shè)定；以整流變壓器二次側(cè)整流后的額定電流作為電極電流的上限，額定電流的30％設(shè)定為電極電流的下限，判定為電極斷裂，程序控制退出mpc電極自動調(diào)節(jié)改至工藝手動操作；以整流變壓器二次側(cè)整流后的額定電壓的2/3倍數(shù)值作為電極電壓的上限，額定電壓的20％設(shè)定為電極電壓的下限，直流礦熱爐生產(chǎn)過程異常情況出現(xiàn)，程序控制退出mpc電極自動調(diào)節(jié)改至工藝手動操作；以正負電極的電壓平均值為基準，設(shè)定正負電極的電壓不平衡度上限為30％，在正負電極電壓值完全相等時不平衡度數(shù)值為0，不做下限設(shè)定；以整流變壓器二次側(cè)額定功率的70％倍數(shù)值作為電極功率的上限，不做下限設(shè)定；以正負電極的功率平均值為基準，設(shè)定正負電極的功率不平衡度上限為30％，在正負電極功率值完全相等時不平衡度數(shù)值為0，不做下限設(shè)定；爐底溫度和煙氣溫度的上限分別設(shè)定為550℃和850℃，不做下限設(shè)定；煙氣中氧氣含量和煙氣中氫氣含量上限分別設(shè)定為0.5％和8％，不做下限設(shè)定。

57、進一步地，所述gpc單元的程序執(zhí)行流程如下：

58、t1、初始化程序；

59、t2、根據(jù)最新的輸入輸出數(shù)據(jù)，用遞推最小二乘法估計模型參數(shù)，得到a(q-1)和b(q-1)；

60、t3、根據(jù)得到的a(q-1)，按遞推公式計算e(q-1)和f(q-1)；

61、t4、根據(jù)b(q-1)、e(q-1)和f(q-1)計算g(q-1)的元素gi，并計算h；

62、t5、計算出gt，并計算控制作用偏差δu(k)；

63、t6、將控制量u(k)＝u(k-1)+δu(k)作用于控制系統(tǒng)，本周期輸出調(diào)節(jié)完畢，跳轉(zhuǎn)至t2循環(huán)執(zhí)行。

64、進一步地，所述pca單元的降維處理步驟如下：

65、獲取電氣參數(shù)和工況參數(shù)，組成原始矩陣；

66、對電氣參數(shù)和工況參數(shù)進行特征維度數(shù)據(jù)零均值化處理，即將每個特征維度的數(shù)據(jù)減去該特征的均值，得到采樣特征；

67、求取采樣特征的協(xié)方差矩陣；

68、計算協(xié)方差矩陣的特征值及其對應(yīng)的單位特征向量；

69、將特征向量按特征值從大到小排序；

70、選取對整體特征貢獻率較大的前k個特征值所對應(yīng)的特征向量；

71、按照前k個主成分累積方差貢獻率＞0.85截??；之后將這k個特征向量作為行向量組成降維矩陣；

72、將降維矩陣左乘原始矩陣，降維完畢。

73、進一步地，bpn單元中，用bp反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對主元變量建立軟測量模型；

74、bp反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層a、隱含層b、輸出層c，bp反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層的傳遞函數(shù)采用線性函數(shù)，隱含層、輸出層的激活函數(shù)采用leakyrelu函數(shù)；采用廣義δ算法進行訓(xùn)練，誤差采用標準誤差，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的初始分布采用正態(tài)分布。

75、進一步地，bpn單元的軟測量計算方法如下：

76、p0、初始化程序；

77、p1、在-1～+1之間給權(quán)重vij和wij隨機賦值，在廣義6規(guī)則中，所有隱含層與輸出層的閾值必須為1，即t(2，j)＝t(3，k)＝1；

78、p2、將輸入矢量ii送入神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)下式計算1層的輸出：

79、xi＝ii-t1i＝ii-0＝ii

80、

81、其中，γ取值為0.001進行初始測試；

82、p3、已知1層的輸出，用下式計算2層的輸出：

83、

84、其中，f()為leaky?relu函數(shù)；

85、p4、已知2層的輸出，根據(jù)下式計算輸出層的結(jié)果：

86、

87、p5、對于送入輸出層的m個訓(xùn)練模式繼續(xù)p1～p4，根據(jù)下式計算總的平方誤差e：

88、

89、其中m為送入輸出層的訓(xùn)練模式數(shù)，n為輸出層的處理單元數(shù)，為第m個訓(xùn)練模式在第k個處理單元上的期望輸出值；

90、

91、其中，f()為leaky?relu函數(shù)：

92、

93、leaky?relu函數(shù)的偏微分為：

94、

95、xk是輸出層第k個節(jié)點輸入的加權(quán)和，即對于第m次訓(xùn)練過程：

96、

97、對于第m個訓(xùn)練模式，是隱含層第j個元素的輸出值，是輸出層的閾值；

98、p6、已知第m個模式，用下式計算即前隱含層第j個處理單元的梯度下降項：

99、

100、

101、leaky?relu函數(shù)的偏微分為：

102、

103、p7、已知隱含層的和輸出層的用下式計算權(quán)重變化：

104、

105、

106、其中，η為學(xué)習(xí)速率，為動量系數(shù)；α在0＜α＜1的范圍內(nèi)；因此，動量項和是前次迭代權(quán)重變化的分數(shù)值；

107、p8、已知權(quán)重變化，根據(jù)下式計算權(quán)重：

108、

109、

110、其中，是輸入層第一個i元素與隱含層次第j個元素之間第m次迭代訓(xùn)練的連接權(quán)重；是隱含層第j個元素與輸出層第k個元素之間第m次迭代訓(xùn)練的連接權(quán)重，對所有訓(xùn)練模式，重復(fù)步驟p2～p8，直至平方誤差為0或者小于規(guī)定值為止。

111、較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

112、本發(fā)明bp網(wǎng)絡(luò)隱含層、輸出層的激活函數(shù)采用leakyrelu函數(shù)。leakyrelu函數(shù)相比于標準應(yīng)用的sigmoid函數(shù)，不存在在輸入值很大或者很小時其梯度極其接近于0的問題，可以避免梯度消失問題，有助于訓(xùn)練深層網(wǎng)絡(luò)。leakyrelu函數(shù)的計算相對簡單，只需要判斷輸入是否大于0，因此在實際應(yīng)用中的計算速度較快，同時函數(shù)的導(dǎo)數(shù)在正區(qū)間上是常數(shù)，這使得梯度下降更加穩(wěn)定和快速。leakyrelu函數(shù)會使一部分神經(jīng)元的輸出為0，增加了網(wǎng)絡(luò)的稀疏性，有助于減少過擬合。leakyrelu為負輸入賦予一個小幅度的斜率，不存在負輸入導(dǎo)致的梯度消失問題，這對于深度網(wǎng)絡(luò)特別有用，因為它可以防止某些神經(jīng)元在整個訓(xùn)練過程中始終處于關(guān)閉狀態(tài)。leaky?relu確保了即使輸入為負，也有一定的梯度，這有助于改善網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效率和穩(wěn)定性。

113、本發(fā)明基于最小方差控制中的受控自回歸積分滑動模型，但對模型的要求不高；本發(fā)明采用滾動優(yōu)化策略，在有限時域內(nèi)滾動計算，以局部優(yōu)化取代全局最優(yōu)；本發(fā)明利用實測信息在線估計模型參數(shù)進行反饋校正，增強控制的魯棒性；本發(fā)明軟儀表技術(shù)的應(yīng)用解決了電極插深檢測難題，不需要精心維護，動態(tài)響應(yīng)迅速，對過程輸出或不可測擾動之外的干擾不敏感，能夠連續(xù)的給出指示數(shù)值。