[發明專利]一種高爐布料過程布料矩陣優化方法及系統

有效

• 申請號: 201710003901.X
• 申請日: 2017-01-04
• 公開（公告）號: CN106801114B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發明（設計）人: 周平;劉記平;尤磊
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C21B5/00
• 分類號: C21B5/00;C21B7/20;G06N3/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 胡曉男

1.一種高爐布料過程布料矩陣優化方法，包括：

設定理想料面形狀；

以最小化下一批爐料的料面形狀與理想料面形狀的偏差為目標，優化布料矩陣；

優化得到的最優布料矩陣作為下一批爐料的布料矩陣；

采用粒子群算法優化布料矩陣：隨機產生的布料矩陣作為種群中粒子的初始位置，粒子當前位置所對應的布料矩陣所形成的料面形狀與理想料面形狀之間的偏差的平方和作為適應值，迭代優化粒子位置，求得的種群最優位置即下一批爐料的最優布料矩陣；

所述采用粒子群算法優化布料矩陣，包括：

隨機產生的布料矩陣作為種群中粒子的初始位置；

獲取下一批爐料的布料過程參數、爐料參數和粒子當前位置所對應的布料矩陣；

計算下一批爐料根據粒子當前位置所對應的布料矩陣所形成的料面形狀；

以粒子當前位置所對應的布料矩陣所形成的料面形狀與理想料面形狀之間的偏差的平方和作為適應值，迭代優化粒子位置，求得的種群最優位置即下一批爐料的最優布料矩陣；

所述計算下一批爐料根據粒子當前位置所對應的布料矩陣所形成的料面形狀，包括：

根據下一批爐料的布料過程參數計算爐料離開節流閥的初始速度；

根據爐料離開節流閥的初始速度計算爐料在中心喉管末端的速度；

根據爐料在中心喉管末端的速度計算爐料到達溜槽時的速度；

根據爐料到達溜槽時的速度計算爐料在溜槽末端的速度；

根據爐料在溜槽末端的速度計算粒子當前位置所對應的布料矩陣中的各溜槽傾角檔位下爐料所形成料堆堆尖點橫坐標；

計算粒子當前位置所對應的布料矩陣中的最后一個溜槽傾角下的料面形狀，即下一批爐料在粒子當前位置所對應的布料矩陣下的料面形狀；

其特征在于，所述高爐為串罐無鐘式高爐；

以最小化下一批爐料的料面形狀與理想料面形狀的偏差為目標，優化布料矩陣，具體設定的目標函數為：

約束條件為：

其中，ψ(x,α_i,m_i)為料面形狀函數，α_i為第i個溜槽傾角，m_i為第i個溜槽傾角所對應的旋轉圈數；i＝1,2，……n，其中n為布料過程中設定的布料檔位數；

計算粒子當前位置所對應的布料矩陣中的最后一個溜槽傾角下的料面形狀的公式如下：

第二個及第n個溜槽傾角下的料面形狀分別為：

式中，溜槽傾角α＝[α₁,α₂,...,α_i,...α_n]，每個溜槽傾角所對應的旋轉圈數m＝[m₁,m₂,...,m_i,...m_n]，α_i為第i個溜槽傾角，m_i為第i個溜槽傾角所對應的旋轉圈數；為爐料的內堆角，R為爐喉半徑，r_L2、r_R2為第二個溜槽傾角下爐料形成的左右料面與第一個溜槽傾角下料面的交點；(x_n2,y_h2)為第二個溜槽傾角下爐料所形成料堆堆尖點坐標，(x_ni,y_ni)為第i個溜槽傾角下所形成料堆堆尖點坐標，γ_i(x)為第i個溜槽傾角下的料面形狀；r_Li、r_Ri為第i個溜槽傾角下所布爐料與上一料面γ_i-1(x)在堆尖點(x_ni,y_ni)左右兩側交點的橫坐標；

最終輸出的料面形狀γ(x)與最后一個溜槽傾角下的料面形狀γ_n(x)相同；

迭代優化粒子位置時，利用式(15)對粒子的速度進行更新，利用式(16)對粒子的位置進行更新：

式中，為k+1時刻粒子的位置，為k時刻粒子的位置，為k+1時刻粒子的速度，為k時刻粒子的速度，ξ₁與ξ₂均為[0,1]范圍內的隨機數，為粒子在k時刻個體最優位置，為粒子在k時刻種群最優位置。

2.一種高爐布料過程布料矩陣優化系統，包括：

設定單元：設定理想料面形狀；

優化單元：以最小化下一批爐料的料面形狀與理想料面形狀的偏差為目標，優化布料矩陣；

輸出單元：優化得到的最優布料矩陣作為下一批爐料的布料矩陣輸出；

所述優化單元，采用粒子群算法優化布料矩陣：隨機產生的布料矩陣作為種群中粒子的初始位置，粒子當前位置所對應的布料矩陣所形成的料面形狀與理想料面形狀之間的偏差的平方和作為適應值，迭代優化粒子位置，求得的種群最優位置即下一批爐料的最優布料矩陣；

所述優化單元，包括：

初始化模塊：隨機產生的布料矩陣作為種群中粒子的初始位置；

獲取模塊：獲取下一批爐料的布料過程參數、爐料參數和粒子當前位置所對應的布料矩陣；

料面形狀計算模塊：計算下一批爐料根據粒子當前位置所對應的布料矩陣所形成的料面形狀；

迭代優化模塊：以粒子當前位置所對應的布料矩陣所形成的料面形狀與理想料面形狀之間的偏差的平方和作為適應值，迭代優化粒子位置，求得的種群最優位置即下一批爐料的最優布料矩陣；

所述料面形狀計算模塊，包括：

第一計算模塊：根據下一批爐料的布料過程參數計算爐料離開節流閥的初始速度；

第二計算模塊：根據爐料離開節流閥的初始速度計算爐料在中心喉管末端的速度；

第三計算模塊：根據爐料在中心喉管末端的速度計算爐料到達溜槽時的速度；

第四計算模塊：根據爐料到達溜槽時的速度計算爐料在溜槽末端的速度；

第五計算模塊：根據爐料在溜槽末端的速度計算粒子當前位置所對應的布料矩陣中的各溜槽傾角檔位下爐料所形成料堆堆尖點橫坐標；

第六計算模塊：計算粒子當前位置所對應的布料矩陣中的最后一個溜槽傾角下的料面形狀，即下一批爐料在粒子當前位置所對應的布料矩陣下的料面形狀；

其特征在于，以最小化下一批爐料的料面形狀與理想料面形狀的偏差為目標，優化布料矩陣，具體設定的目標函數為：

約束條件為：

其中，ψ(x,α_i,m_i)為料面形狀函數，α_i為第i個溜槽傾角，m_i為第i個溜槽傾角所對應的旋轉圈數；i＝1,2，……n，其中n為布料過程中設定的布料檔位數；

第六計算模塊中，計算粒子當前位置所對應的布料矩陣中的最后一個溜槽傾角下的料面形狀的公式如下：

第二個及第n個溜槽傾角下的料面形狀分別為：

式中，溜槽傾角α＝[α₁,α₂,...,α_i,...α_n]，每個溜槽傾角所對應的旋轉圈數m＝[m₁,m₂,...,m_i,...m_n]，α_i為第i個溜槽傾角，m_i為第i個溜槽傾角所對應的旋轉圈數；i＝1,2，……n，其中n為布料過程中設定的布料檔位數，為爐料的內堆角，R為爐喉半徑，r_L2、r_R2為第二個溜槽傾角下爐料形成的左右料面與第一個溜槽傾角下料面的交點；(x_n2,y_h2)為第二個溜槽傾角下爐料所形成料堆堆尖點坐標，(x_ni,y_ni)為第i個溜槽傾角下所形成料堆堆尖點坐標，γ_i(x)為第i個溜槽傾角下的料面形狀；r_Li、r_Ri為第i個溜槽傾角下所布爐料與上一料面γ_i-1(x)在堆尖點(x_ni,y_ni)左右兩側交點的橫坐標；

最終輸出的料面形狀γ(x)與最后一個溜槽傾角下的料面形狀γ_n(x)相同；

所述迭代優化模塊迭代優化粒子位置時，利用式(15)對粒子的速度進行更新，利用式(16)對粒子的位置進行更新：

式中，為k+1時刻粒子的位置，為k時刻粒子的位置，為k+1時刻粒子的速度，為k時刻粒子的速度，ξ₁與ξ₂均為[0,1]范圍內的隨機數，為粒子在k時刻個體最優位置，為粒子在k時刻種群最優位置。