轉爐人工智能靜態模型與自動加料系統的開發
1 轉爐靜態控制數學模型的開發
靜態控制是轉爐動態控制的基礎，其控制精度直接影響到動態控制的效果。目前普遍采用的靜態模型有3種，即理論模型、統計模型和增量模型，3種模型各有特點，理論模型從煉鋼反應的原理出發，根據冶金反應過程的物料平衡和能量平衡建立吹煉過程的冷卻劑方程和氧耗方程，計算出為達到終點目標碳含量和溫度所需的冷卻劑加入量和耗氧量及各種造渣劑的加入量。理論模型是煉鋼過程自動控制的基礎，但由于吹煉過程中各種隨機因素對吹煉終點結果會產生很大的影響，這些隨機因素很難用數學方程進行準確的描述，因此理論模型與實際情況往往存在很大的偏差，目前已很少單獨使用，而是與其他模型結合使用。統計模型是根據對大量生產實驗數據進行統計分析，建立經驗和半經驗型的統計方程。統計模型具有很強的針對性，能夠描述某一具體鋼廠或者轉爐在某一段時期內的反應變化規律，但對臨時性變化因素很難及時作出反應，而且模型通用性很差。增量模型是目前應用最廣泛的轉爐靜態控制模型，但增量模型中的系數主要是根據理論計算或統計分析方法或經驗確定的，而且一旦系數確定，模型在使用過程中很難再進行修改，使得增量模型也存在一定的誤差。
經過對3種靜態模型的分析對比，決定以增量模型為基礎，建立轉爐吹煉過程靜態控制模型。由于常規增量模型克服了由于原材料波動、計量誤差、爐容變化等對模型計算結果造成的影響，較好地解決了轉爐生產過程中連續變化因素對冶煉結果可能造成的影響，但對實際煉鋼生產過程中可能出現的各種隨機變化和突發性變化因素的處理能力卻不夠，如生產過程中補爐情況的變化、生產班次的變換、造渣劑的批量改變時可能會造成本爐和上爐之間冶煉過程和終點情況差別很大，此時如果采用常規增量模型將會造成較大的計算誤差，使得本爐終點控制與目標值偏離較遠。
為了克服常規增量模型的不足，提出通過改進參考爐選取方法，提高增量模型對冶煉過程中可能出現的隨機變化因素的適應能力和處理能力，增強增量模型的容錯能力，提高增量模型的控制精度。
同時，由于生產過程中存在一些難以用準確的數學方程進行描述的復雜影響因素如爐齡的變化、槍齡的變化、空爐時間的變化等，這些因素的變化將會影響到吹煉過程和吹煉結果，但靜態模型很難對這些因素進行處理，造成了靜態模型的計算誤差。靜態模型在使用過程中存在的另外一個問題是：一旦靜態模型投入使用，很難在線對模型參數進行修改和調整，即模型只能進行短期的在線學習，但對使用過程可能發生的系統因素的變化如廢鋼種類的改變、造渣劑的改變等，常規模型卻不能進行及時的調整和修改，以適應新的條件。上述缺陷由于是常規靜態模型自身所固有的，所以在常規靜態模型中很難解決。為了解決上述問題，探索將人工神經網絡技術應用到轉爐煉鋼控制中，與常規靜態模型相結合，開發人工智能靜態控制模型，以克服常規靜態模型的不足，進一步提高靜態模型的控制精度和終點碳溫命中率。
1．1 常規增量模型
利用增量模型可以建立吹煉過程冷卻劑方程和氧耗方程，計算出為滿足本爐吹煉終點碳含量和溫度要求所需的冷卻劑加入量和吹氧量。
(1)冷卻劑方程。為了達到本爐目標終點溫度所需的冷卻劑加入量，可根據參考爐冷卻能及本爐與參考爐所需冷卻能之差計算。
(2)氧耗方程。為了達到本爐終點目標碳含量所需的吹氧量可根據參考爐的耗氧量及本爐與參考爐氧耗之差計算。
1．2 增量模型的改進
常規增量模型的參考爐選取辦法是選取本爐的上一爐或上兩爐。這種方法在正常吹煉情況下是比較合理的，但是當生產過程中發生隨機因素變化時，可能會使該方法產生較大的計算誤差。為了克服常規增量模型的不足，本設計對常規增量模型進行了改進，提出了一種新的參考爐選取方法。
提出的改進參考爐選取方法是選取兩類參考爐。一類參考爐是與本爐冶煉時間最接近的爐次，即常規增量模型的參考爐選取方法。另一類參考爐為標準參考爐，選取與本爐冶煉條件相接近的爐次，包括冶煉鋼種、原料條件、鐵水溫度等與本爐相接近的爐次作為本爐的參考爐。通過采用選取兩類參考爐進行加權平均，提高增量模型對隨機變化因素的適應能力和處理能力。
對參考爐的選取采取下面3條原則：
(1)兩類參考爐都應選取吹煉情況正常的爐次，即選用的參考爐在吹煉過程中不應發生較大噴濺；
(2)普通參考爐選取與本爐吹煉時間最接近的爐次；
(3)標準參考爐選取鐵水和造渣劑等初始原料條件以及冶煉終點要求等與本爐接近的爐次。
根據上述原則，本文對參考爐的選取采用了如下方法：每爐采用3個參考爐，1個為標準參考爐，另外兩個為普通參考爐。
普通參考爐的選取方法是：選取吹煉情況正常，吹煉過程沒有大噴等異常現象發生的本爐前面兩爐作為參考爐。如果本爐冶煉情況正常，模型將自動作為下一爐的參考爐，否則不做替換。
標準參考爐的選取方法是：對相同的冶煉鋼種，將鐵水溫度和廢鋼裝入量分為5～8個級別，每個級別存儲一個標準參考爐。鐵水溫度和廢鋼裝入量的級別劃分根據實際情況確定，如鐵水溫度可按20～30℃劃分為一個級別，廢鋼裝入量可按廢鋼總裝入量的20％劃分為一個級別。標準參考爐必須是吹煉終點碳溫同時合格，而且吹煉過程沒有發生大噴等異常現象的爐次。不同的冶煉鋼種分別存儲各自的標準參考爐。標準參考爐在每爐吹煉結束時由程序自動進行判斷和更新，保證為最新爐次。
模型對3個參考爐進行加權平均處理，根據每個參考爐的初始條件與本爐的差值大小決定其加權系數。
1．3 造渣劑加入量計算
吹煉過程造渣劑加入量和爐渣量的計算如下：
(1)石灰加入量計算；
(2)鎂球加入量計算；
(3)螢石加入量計算；
(4)爐渣量計算。
根據上面可計算出為達到本爐吹煉終點碳溫目標值所需的吹氧量、冷卻劑加入量和各種造渣劑加入量。