基于pca與rbf的焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型
雷琪，劉君賢，何勇，吳敏
中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083
摘 要：針對(duì)煉焦生產(chǎn)過(guò)程焦炭質(zhì)量難于實(shí)時(shí)測(cè)量的問(wèn)題，建立一種主元分析( pca)和徑向基函數(shù)( rbf)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的預(yù)測(cè)模型。通過(guò)機(jī)理分析確定焦炭質(zhì)量的影響因素包括配合燥指標(biāo)和煉焦過(guò)程操作參數(shù)；采用主元分析減少?gòu)较蚧瘮?shù)網(wǎng)絡(luò)的輸入；最后采用k-均值聚類算法確定徑向基函數(shù)隱含層的參數(shù)，并用最小二乘法確定線性輸出層參數(shù)。采用煉焦生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，該模型具有學(xué)習(xí)速度快、跟蹤性能好以及泛化能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了qa焦炭質(zhì)量的在線預(yù)測(cè)。
關(guān)鍵詞：煉焦生產(chǎn)過(guò)程；焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型；主元分析：徑向基函數(shù)
中圖分類號(hào)：tp 27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a
1、引言
蕉炭是煉焦生產(chǎn)過(guò)程的主要產(chǎn)品，廣泛用于高爐煉鐵、鑄造、電石、氣化等方面。焦炭質(zhì)量的好壞直接影響企業(yè)的生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益。但在線質(zhì)量分析儀存在價(jià)格昂貴、維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜以及可靠性差等缺點(diǎn)。難以對(duì)焦炭質(zhì)量進(jìn)行在線檢測(cè)，從而嚴(yán)重影響了煉焦生產(chǎn)過(guò)程的控制和優(yōu)化。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是解決工業(yè)過(guò)程中普遍存在的一類難以在線測(cè)量變量預(yù)測(cè)問(wèn)題的有效方法，常用的有bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。例如，文獻(xiàn)[3[建立燒結(jié)塊質(zhì)量產(chǎn)量bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，文獻(xiàn)[4]建立可性比值的多神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，文獻(xiàn)[5]采用bp網(wǎng)絡(luò)建立焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型。但bp網(wǎng)絡(luò)屬于全局逼近網(wǎng)絡(luò)，收斂速度慢，訓(xùn)練過(guò)程中容易陷入局部極小值。與bp網(wǎng)絡(luò)相比，rbf網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法不存在局部****問(wèn)題，而且rbf網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)調(diào)整是線性的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、收斂速度快、非線性逼近能力強(qiáng)以及推廣能力強(qiáng)等特點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于模式分類、函數(shù)遁近和過(guò)程建模等許多領(lǐng)域。
本文以煉焦生產(chǎn)過(guò)程為例，建立一種基于pca和rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型，解決焦炭質(zhì)量在線檢測(cè)問(wèn)題。首先通過(guò)機(jī)理分析確定焦炭質(zhì)量的主要影響為配合煤指標(biāo)和煉焦過(guò)程操作參數(shù)，在此基礎(chǔ)上采用主元分析降低配合煤指標(biāo)的維數(shù)，減少rbf網(wǎng)絡(luò)的輸入；然后分別采用a。均值聚類法和最小二乘法算法確定rbf網(wǎng)絡(luò)的隱含層參數(shù)和權(quán)值；最后對(duì)焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)模型的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證方法的有效性。
2機(jī)理分析和基本建模思想
煉焦生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程，影響焦炭質(zhì)量的因素眾多，既包括配合煤的性質(zhì)，又包括煉焦過(guò)程的操作參數(shù)。本文首先通過(guò)機(jī)理分析確定焦炭質(zhì)量的主要影響因素，采用關(guān)聯(lián)性確定焦炭質(zhì)量預(yù)測(cè)的總體結(jié)構(gòu)，并采用主元分析降低配合煤的維數(shù)，提高rbf網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度。
1)機(jī)理分析配煤是根據(jù)煉焦生產(chǎn)過(guò)程對(duì)焦炭質(zhì)量的要求，將各種品質(zhì)的單種煤按照一定的比例混合，得到符合標(biāo)準(zhǔn)的配合煤。配合煤經(jīng)皮帶運(yùn)送到焦?fàn)t頂部的煤塔后，在一定的時(shí)刻由裝煤車送入炭化室；加熱用煤氣在燃燒室內(nèi)燃燒后產(chǎn)牛的熱量以輻射、對(duì)流的方式傳給炭化室；配合煤在炭化室中經(jīng)過(guò)約20個(gè)小時(shí)的高溫干餾，冷卻后形成焦炭。
從上述配煤一煉焦過(guò)程來(lái)看，影響焦炭質(zhì)量的因素主要是配合煤指標(biāo)和煉焦生產(chǎn)過(guò)程。配合煤的性質(zhì)是焦炭質(zhì)量的決定因素，既影響焦炭的灰分、硫分等化學(xué)組成，又影響機(jī)械強(qiáng)度和反應(yīng)特性。煉焦過(guò)程的操作參數(shù)是焦炭質(zhì)量的重要因素，主要影響機(jī)械強(qiáng)度和反應(yīng)特性。
灰分和硫分是配合煤的主要化學(xué)組成。在煉焦生產(chǎn)過(guò)程中，灰分全部轉(zhuǎn)入焦炭，既影響配合煤的粘結(jié)性，又降低焦炭的抗碎強(qiáng)度，使焦炭的反應(yīng)性升高，反應(yīng)后強(qiáng)度降低，從而影響焦炭在高爐冶煉中的透氣性。硫分能破壞配合煤的粘結(jié)性，降低焦炭的機(jī)械強(qiáng)度。配合煤含硫量大時(shí)，對(duì)高爐操作影響很大，通常配含煤的硫分每增加百分之0 1，高爐生產(chǎn)能力將會(huì)降低百分之1. 6~2．0。
配合煤的揮發(fā)分和粘結(jié)性是影響焦炭質(zhì)量的關(guān)鍵因素。較高的揮發(fā)分既使焦炭的收縮度變大，影響焦炭的機(jī)械特性，義使氣7l壁變薄和氣孔率增大，影響焦炭的反應(yīng)特性：粘結(jié)指數(shù)和膠質(zhì)層厚度反應(yīng)了配合煤的粘結(jié)性。過(guò)高的粘結(jié)指數(shù)將會(huì)導(dǎo)致焦炭變脆，強(qiáng)度降低。膠質(zhì)層厚度是配合煤中膠質(zhì)體的含量，如果膠質(zhì)體過(guò)量，將會(huì)影響結(jié)焦過(guò)程中揮發(fā)物的溢出，從而影響焦炭機(jī)械特性和反應(yīng)特性。
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