高炉炼铁的状态空间模型辨识与迭代学习控制

摘要

高炉炼铁是钢铁工业的上游主体工序，是整个钢铁工业中能耗最大的环节，高炉冶炼过程的优化控制将对钢铁工业的节能减排起到重要的作用。本文在大数据时代的背景下，以高炉现场采集的数据为基础，结合高炉生产工艺的特点，从运筹学和控制论的角度交叉探索了高炉冶炼过程的炉温建模、预测和控制规律，为高炉冶炼过程的闭环自动控制提供了新的思路和途径，具有一定的理论价值和应用前景。
　　迭代学习控制适用于控制重复运行的难以精确机理楚模的系统。本文第二章将迭代学习控制应用在两个复杂工业过程的控制系统——机器人系统和伺服系统中，验证了迭代学习控制在完成复杂工业系统跟踪控制任务方面的有效性。高炉也是复杂工业过程中具有代表性的系统，共难以精确机理建模的特点和系统的跟踪控制要求决定了送代学习控制在高炉冶炼过程的炉温控制中有应用潜力。
　　为设计针对高炉炉温的控制算法，本文第三章应用子空间辨识得到了高炉的线性状态空间模型，并应用灰模型辨识得到了高炉的非线性状态空间模型。通过比较5种不同阶数模型的预测精度，得到了最优的线性状态空间模型阶数为3阶。为了后续设计控制算法的实际可操作性，将模型的输入限制为高炉生产操作的实际控制输入，并通过比较不同时滞模型的预测精度，选取了最优的输入时滞组合，最终得到了只包含控制变量且包含时滞的线性状态空间模型。
　　第三章进一步参数化包含混沌环节的非线性状态空间模型，采用两种经典优化算法（LM算法和共轭梯度法）以及两种智能优化算法（遗传算法和粒子群优化算法）估计模型参数，预测结果表明智能优化算法对解决高炉炉温建模这种复杂的非线性优化问题更有效。后续设计的控制算法也以本章得到的两个模型作为被控系统。
　　高炉的冶炼工艺特点决定了其数据中包含大量的观测噪声和过程噪声，此外不精确的建模也会引入误差。第四章针对高炉的这种大噪声特点，设计了基于噪声分离的迭代学习控制算法，相比标准P型算法，该算法对系统中的非重复噪声有更好的鲁棒性，但对系统中重复噪声的抵抗效果不佳。进一步提出改进算法，将标准P型算法和噪声分离算法结合，相比这两种算法，改进的算法在系统噪声种类未知时总能获得更为稳健的跟踪效果。在系统既包含重复噪声又包含非重复噪声时，改进的算法可以获得最优的跟踪效果。在系统存在噪声的情况下，高炉炉温的跟踪控制实验结果证明了该算法适用于控制高炉冶炼过程。
　　高炉的炉温控制具有“点到点”跟踪的特点，即虽然工长每隔20分钟调整一次控制输入，但工长更注重出铁时的炉温是否符合要求，而高炉的出铁时间间隔是2小时，这种生产工艺就导致了需要跟踪的目标值和控制输入的采样间隔不同。因此第五章设计了闭环点到点的迭代学习控制，并结合了轨迹更新算法从而利用了点到点控制的灵活性。轨迹更新算法通过插值法调整目标轨迹使目标轨迹主动靠近系统输出，因此基于轨迹更新的闭环迭代学习控制算法既可以获得比固定轨迹算法更快的收敛速度，也可以获得比开环算法更好的鲁棒性和更广泛的收敛域。针对现有炉级数据的特点，应用冶金传输理论中的相似性原理，将实际中20分钟一次的输入调整近似为2小时一次的输入调整，也将实际中每炉都需要跟踪一次的炉温近似为每6炉跟踪一次，以此为基础设计的实验证明了算法可以跟踪控制具有“点到点”跟踪特点的高炉炉温。
　　本文最后一章总结了全文的研究结果并展望了后续的重要研究工作内容。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状和进展

1．2．1 高炉冶炼过程的复杂性机理研究

1．2．2 高炉冶炼过程的炉温预测模型研究

1．2．3 国内高炉炼铁专家系统的创新开发与推广应用进展

1．3 大数据时代对高炉炼铁技术进步的启示

1．4 本文研究内容

第二章 迭代学习控制及其在工业控制中应用

2．1 迭代学习控制技术及发展概况

2．2 迭代学习控制原理及理论研究内容

2．2．1 迭代学习控制的基本原理

2．2．2 迭代学习控制理论研究现状

2．3 迭代学习控制技术在工业控制中的应用

2．3．1 机器人系统的迭代学习控制

2．3．2 伺服系统的迭代学习控制

2．4 本章小结

第三章 高炉冶炼过程的状态空间辨识

3．1 高炉冶炼过程的线性状态空间辨识

3．1．1 线性系统的状态空间描述

3．1．2 几何投影理论

3．1．3 子空间辨识算法

3．1．4 仿真结果

3．2 高炉冶炼过程的非线性状态空间辨识

3．2．1 非线性状态空间描述

3．2．2 参数辨识算法

3．2．3 仿真结果

3．3 本章小结

第四章 基于噪声分离的高炉炉温迭代学习控制

4．1 处理噪声的送代学习控制算法

4．2 迭代学习控制中的噪声分离算法

4．2．1 噪声分离算法

4．2．2 改进的噪声分离算法

4．3 改进的噪声分离算法的收敛性及鲁棒性

4．3．1 针对线性系统的收敛性及鲁棒性

4．3．2 针对非线性系统的收敛性及鲁棒性

4．4 数值仿真和高炉数据实验

4．4．1 数值仿真

4．4．2 高炉数据实验

4．5 本章小结

第五章 高炉炉温的点到点迭代学习控制

5．1 点到点迭代学习控制

5．2 有轨迹更新的点到点闭环迭代学习控制

5．2．1 问题提出

5．2．2 轨迹更新算法

5．3 算法的收敛性及鲁棒性

5．3．1 针对线性系统的算法收敛性和鲁棒性

5．3．2 针对非线性系统的算法收敛性和鲁棒性

5．4 数值仿真和高炉数据实验

5．4．1 数值仿真

5．4．2 高炉数据实验

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文研究获取主要结论

6．2 后续研究展望

参考文献