计算机在冶金中应用-概论

一、冶金过程计算机系统的发展趋势
2、自动化的动向和计算机控制 •
• ⑴ 提高大型设备的生产效率 对于象钢铁工业这种具有大型设备的工业，为了提高投资率，必须提高 设备运行率。而且要求始终在稳定状态下运行。近代设备的理想条件，是要 求设备本身具有自控能力，变化部分可以通过自动化来补偿。可是实际情况 离这种理想条件很远，设备的运行条件在大幅度地、频繁地变动着。 – ① 原料变动（包括：成分变动，到货拖迟，价格变动等） – ② 市场情况变动 – ③ 成品品种尺寸的变化 – ④ 工序的延迟 – ⑤ 设备平衡的变动 – ⑥ 工序中出现薄弱环节 ⑵ 加强质量管理 ⑶ 生产管理的合理化 ⑷ 省力化、无人化
• 人工神经网络
• 人工智能优化的特点
– 与生产过程紧密相关 – 主要通过工艺参数调节 达到优化目的 – 随着生产发展，在积累 新的数据之后，可进行 新一轮优化
– 神经网络基于连接机制的大 规模并行处理的分布式的信 息存储，它是依靠大量神经 元广泛互连所引起的不同的 兴奋状态和系统所表现出的 总体行为进行工作。 – 在冶金过程的在线预报和控 制技术开发应用方面，人工 神经网络技术也具有广阔的 开发和应用前景。
传感器2
计 算 机
显示
传感器3
打 印
传感器4
定时与逻辑控制
样本采集与数据处理
样本采集—收集满足一定要求的生产数据，样本的数据由变量和目标两部分构成
在收集生产数据前，首先确定所要优化的目标；初步估计影响该目标的工艺参数。 1）优化目标的确定： 优化目标 A: 的两种表 示形式 连续量目标—提高产量目标，降低单位能耗目标等， 按照某个数值为界，大于该界线的目标为一类，否则 为另一类； 类型目标—将产品分为合格与不合格两类，优化目标 是增加合格类型的产品 （1）将多目标转化为单目标 B: 多目标问题 处理方法 （2）寻求共同优化区域
一、冶金过程计算机系统的发展趋势
1、冶金过程计算机控制的必要性
3）生产过程状况特点是：
– ①生产过程中物流多种多样； – ②高温下作业。
4）从劳动条件方面看的特点是：
– ①要求熟练工的作业多； – ②多为高温、重体力劳动。
钢铁企业在原料、能量、设备偿还和劳动力费用方面都受到 很大压力，而对如此严酷要求，必须找出有效的对策解决。为了 钢铁工业的现代化，正在经历着种种变革。这些变革必须实行自 动化，或至少以自动化为前提的计算机控制。
计算机在冶金中应用-概论
冶金过程计算机系统的发展趋势 计算机在冶金过程中的应用概况 计算机数据采集与数据处理
一、冶金过程计算机系统的发展趋势
1、冶金过程计算机控制的必要性
– 为什么钢铁生产过程要实行计算机控制。或者说计算机控制 的效果表现在哪里？为了说明这个问题，下面介绍钢铁生产 过程的性质和特点。 – 钢铁生产的性质可概括为以下三点： • ①是大型装置工业； • ②需要复杂的生产过程； • ③是高能耗高污染生产单位。 – 这些性质具体表现为如下特点。 1）设备方面的特点是： • ①单机设备大； • ②多半不是连续过程，而是间歇过程； • ③人工操作仍相当多。 2）生产过程中物流的特点是： • ①原料使用量大； • ②要使用大量的能量和水； • ③物流相当复杂；
四、计算机在冶金过程中的应用
数据采集与处理
生产工艺过程优化
自动化控制
机理型
经验型
反应机理（热力学动力学）
人工智 能优化
收集生产工艺数据 应用数学统计方法
构造数模
特点：1）与生产过程紧密相关； 2）调节工艺参数优化，可离线、可在线； 3）经验积累
四、计算机在冶金过程中的应用概况
2、冶金过程的人工智能优化 人工智能优化是指将模式识别、人工神经网络和专业 系统技术以及其他可以模拟人类思维的算法发展成优 化策略，从而改进生产过程，达到人们预期的目的。
1） 自标准化
m个变量，n 个数据
xij
xij M j Sij
i=1,2,…,n j=1,2,…,m
1 n M j xij n i
1 n 2 1/ 2 Sj [ ( x M ) ] ij ij n 1 i
自标准化后的各变量平均值为零，方差为1，即Sj2=1
2) 范围标准化
三、计算机控制的现状和展望
• 现状：1）投资效果 • 2）系统的可靠性 • 3）与自动化有关的诸因索 • 展望：近年来，冶金学知识体系和结构，随着冶金技术 的发展和相关学科的进步，发生了革命性的变化。计算 机技术的发展和在冶金过程中的广泛应用，使冶金学理 论和工艺的研究方法、冶金生产及其控制技术发生了重 大变革。由传统冶金学和传统冶金工艺学所构成的知识 体系和结构，已不能完全满足现代冶金工艺发展和理论 研究的需要。因此，诸如，对微观或宏观过程的认识、 单元过程或现象的定量解析、反应过程的数学物理模拟、 反应和生产速率的预测、反应器的仿真研究和设计、人 工智能技术的应用以及反应器运行和整体生产过程的控 制等等，计算机的应用起着推动冶金工业生产技术不断 进步的重要作用。
• • •
二、冶金过程计算机的主要任务
1）计算机将主要完成下列任务 • ⑴．完成行政管理任务， 以减轻日常管理工作强 度； • ⑵．为企业管理建立信 息系统，以便快速而全 面地掌握企业的定货、 生产和财务情况； • ⑶．使生产过程合理化， 以降低成本和保证质量。
调节和管理级
中央调度和管理系统
调节系统 （生产）
样本标准化
由于原始样本集的变量量纲不同，不同变量数据大小差别很大。如温度可能是 103，而化学成分可能是10-1；同时，数据分布范围也不一样。数据平均值和方差 不一样，会导致夸大某些变量影响目标的作用，掩盖某些变量的贡献，不能有效 地进行统计处理。因此，必须要对原始数据进行标准化(也称数据标度)。
0.8 0.1
行政管理系 统（管理）
计划和执行级
设备控 制系统
质量保 证系统
生产数据 收集系统
管理数据 收集系统
收集和控制级
过程
生产流程
管理
图1.1 计算机系统的联络
二、冶金过程计算机的主要任务
2）生产流程计算机主要完成下述三项任务：
• ①．收集在线数据，作为管理生产和分析 生产经济性的手段 • ②．收集在线数据，作为保证质量的辅助 手段 • ③．收集直接与生产过程连接的在线数据， 作为控制工艺流程的手段，以达到保证质 量和降低成本的目的。
xij
xij x j min x j max x j min
范围标准化的数据从0到1，应用到反传人工神经网络算法 Sigmoid函数，输出数据范围正好是0—1。 有时为了允许预报值在一定范围内超界，使输出值在 0.1—0.9范围内
xij
Hale Waihona Puke Baidu
xij x j min x j max x j min
（3）优化结果得到毫无价值的平庸结 论 例：高炉炼铁降焦比，得到的优化措施 为提高矿石品位，提高风温这种结论看 起来不错，实际上是平庸结论。 （4）优化目标隐藏在变量之中 例：薄板连铸裂纹，氮含量问题
2) 变量确定与数据处理
（1）连续量的合理离散化
（2）排除已知的起决定性作用的工艺参数 （3）排除不可操作的工艺参数 （4）切忌遗漏主要因素 （5）原始数据的可靠性 系统误差，随机误差 （6）训练样本数量 样本数至少是变量的5倍，最好是10倍以上 从统计观点，样本数多多益善。
• 机理型
–从物理化学知识出 发研究反应机理， 推导过程的热力学 和动力学方程，借 助经验参数求解这 些方程，从而达到 指导生产的优化目 的。
• 经验型
–通过收集生产数据， 将工艺参数作为输入， 生产效果作为输出，应 用数学方法研究输入与 输出信息的关系，借以 调整输入而达到最佳输 出的效果。
四、计算机在冶金过程中的应用概况
（3）用多输出的人工神经网络
（1）同一个记录的参数相互不匹配 长流程连续生产，同一时刻记录的各工艺参数之间不对应—时差问 题，同一时刻记录的工艺参数和该时刻产品质量或产量不相对应，后者要 滞后一段时间。
C:
常见难题：
（2）两类样本数目悬殊 例：以排除事故提高正常运转为优化目标，由于事故 出现少，正常生产样本多，造成样本数目悬殊
五、计算机数据采集与数据处理
• 数据采集的基本结构
– 计算机数据采集是用传感器对物理量(如温度、压力、流量或位移） 进行采集、转换为模拟信号，然后把模拟信号由A/D转换为数字信 号，再由计算机进行处理、显示、存储或打印的过程。
模拟多路开关 传感器1 A/D 被 测 物 理 量 采 样 保 持 器 转 换 器