铜闪速熔炼过程操作参数预测模型及应用.pdf
2 0 1 5 年第5 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 5 d o i 1 0 .3 9 6 9 /j .i s s n .1 0 0 7 7 5 4 5 .2 0 1 5 .0 5 .0 0 2 铜闪速熔炼过程操作参数预测模型及应用 谢锴,米沙,严兵,季总 中南大学能源科学与工程学院,长沙4 1 0 0 8 3 摘要基于某厂实际铜闪速熔炼工艺和控制过程,对神经网络模型在铜闪速熔炼过程在线控制进行了研 究。在分析影响溶剂率、熔炼氧单耗、反应塔总风量操作参数因素的基础上,提出一种基于B P 神经网络 的操作参数的预测方法,分别建立了输入向量只包含主要元素和考虑杂质元素的B P 神经网络模型。网 络的训练和测试结果表明,两种神经网络的输出值与实际值的最大相对误差均小于1 .o %,输出值与实 际样本值吻合得较好,模型输入参数中包括杂质元素时具有更高的计算精度。 关键词铜闪速熔炼;在线控制;改进型B P 神经网络;预测模型 中图分类号T F 8 1 1 ;T P l 3 文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 5 ~o 0 0 5 一0 5 P r e d i c t i o nM o d e lo fO p e r a t i n gP a r a m e t e r so fC o p p e rF l a s hS m e l t i n g X I EK a i ,M IS h a ,Y A NB i n g ,L IQ i S c h 0 0 1o fE n e r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ,C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ,C h i n a A b s t r a c t B a s e do np r a c t i c a lc o p p e rf l a s hs m e l t i n ga n dc o n t r o lp r o c e s s ,n e u r a ln e t w o r km o d e lw a ss t u d i e di n c o p p e rf l a s hs m e l t i n gp r o c e s so n l i n ec o n t r 0 1 .B a s e do na n a l y s i so ft h ee f f £c t i n gf a c t o r so ns o l V e n tr a t e , o x y g e nc o n s u m p t i o no fm e l t i n g , a n da i rv o l u m eo fr e a c t i o nt o w e r ,ab a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k p r e d i c t i o nm o d e lw a sp r e s e n t e dt op r e d i c tt h ea b o v ep a r a m e t e r s . B Pn e u r a ln e t w o r km o d e l sw i t hi n p u t v e c t o rc o n t a i n i n go n l ym a i ne l e m e n t sa n di m p u r i t ye l e m e n t si nc o n c e r nw e r ee s t a b l i s h e d .T h es i m u l a t i V e r e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u mr e l a t i v ee r r o rb e t w e e no u t p u tv a l u ea n da c t u a lv a l u ei sl e s st h a n1 .0 %. O u t p u tv a l u ea c c o r d sw i t hp r a c t i c a ld a t av e r yw e l l . T h em o d ei n c l u d i n gi m p u r i t ye l e m e n t si ni n p u t p a r a m e t e r sh a sh i g h e rc a l c u l a t i o na c c u r a c y . K e yw o r d s c o p p e rf l a s hs m e l t i n g ;o n l i n ec o n t r o l ;b a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ;p r e d i c t i o nm o d e l 铜闪速熔炼是一个复杂、非线性时变、强耦合和 大滞后的连续工业过程,在反应塔内发生着激烈迅 速的物理化学反应,各输入输出参数相互影响,变化 频繁,控制的准确性对熔炼产品质量和设备寿命有 重要影响。在人工操作模式下,要考虑若干因素间 的相互关联并迅速反应使工艺参数稳定、准确是相 当困难的。目前由于缺乏精确的模型计算,根据经 验设定的操作参数值往往使工艺参数值达不到目标 要求并且存在较大偏差,而且工艺参数值的检测存 在滞后,当发现偏差时,闪速炉已经在非正常工况下 生产一段时间。操作参数的前馈计算不准确和反馈 修正不及时使闪速炉炉况波动频繁,难以达到稳定 生产。为使闪速熔炼生产稳定,关键要控制铜锍温 度、铜锍品位及渣中铁硅比,而这三大工艺参数的控 制是通过分别控制富氧浓度、吨矿氧量、熔剂率操作 参数来实现的口‘3 ] 。因而,智能模型对于闪速熔炼操 作参数的计算成为关键。 彭晓波等[ 4 ‘5 1 建立了闪速熔炼动态T s 递归模 收稿日期2 0 1 4 1 1 ~2 5 基金项目国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 重点项目 2 0 0 9 A A 0 6 4 6 0 3 作者简介谢锴 1 9 7 1 一 ,男,湖南人,副教授,博士. 万方数据 6 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 1 5 年第5 期 糊神经网络 D T R F N N 软测量模型。刘建华等口_ 7 ] 利用投影寻踪回归原理建立铜闪速熔炼过程工艺参 数预测模型。万维汉等[ 8 ] 以能耗成本为优化目标建 立了镍闪速炉自适应模糊神经网络质量控制模型, 对镍闪速炉操作参数进行了稳态优化。汪金良等[ 3 ] 基于已建立的工艺参数神经网络预测模型,采用遗 传算法对操作参数进行仿真优化计算。彭晓波[ 9 3 基 于模式分解理论和弹性粒子群遗传算法 G A R P S 0 开发了铜闪速熔炼过程操作模式优化系统。 G o T o 等[ 10 ‘1 1 ] 基于物料衡算和热量衡算开发了完全 符合热力学反应条件的操作参数优化模型。桂卫华 等n 2 ] 提出了将模糊C 均值聚类与混沌伪并行遗传 算法相结合的匹配算法。文献中智能模型在铜闪速 熔炼控制中的研究主要集中在针对三大工艺参数的 预测计算,而智能模型用于铜闪速熔炼在线控制过 程中对操作参数进行前馈计算的研究比较少,而且 对于冶金控制模型的研究主要都是对只包含几种主 要元素的模型研究,并未考虑杂质元素,由于杂质元 素的含量对余热锅炉清灰、收尘及阳极板、阴极铜的 质量、对熔炼反应热平衡都有较大影响。因此本文 以工业数据为基础,在M a t l a b 软件上进行仿真分 析,采用智能模型对闪速熔炼过程操作参数进行前 馈计算,分别建立了输入向量只包含主要元素和考 虑杂质元素的神经网络模型,以对铜闪速熔炼过程 在线控制的研究提供理论基础和技术支持。 1 操作参数的神经网络预测模型 1 .1 模型的确定 在铜闪速熔炼在线控制过程中,引起操作参数 变更的主要影响因素为工艺参数目标值改变、混合 干精矿量和成分改变等。根据某冶炼厂的现场情 况,用z 表示影响操作参数的因素,了表示操作参数 石英溶剂率、熔炼氧单耗、反应塔总风量,z 和y 的 关系可表示为 y 厂 z 1 其中厂是z 和y 的非线性映射函数,且z 使y 改变的比重是不同的。B P 神经网络模型中各输入 变量对输出变量的比重通过各神经元之间的权值反 应,其自学习和自调整功能能够使模型实际输出不 断逼近目标输出,具有稳定可靠的网络性能和较好 的泛化能力。由于标准B P 算法存在收敛速度慢、 陷入局部极小值等缺点,因此采用引入动量项和自 适应调整学习速率相结合的改进型B P 神经网络算 法建立铜闪速熔炼神经网络在线控制模型。图1 给 出了B P 神经网络模型的结构图。 误差反传 z l ,2 z 3 Z Ⅳ 输 出 模 式 叮 输入层隐含层输出层 图1B P 神经网络结构模型图 F i 昏1 S t r u c t u r ef i g u r eo fB Pn e u r a ln e t w o r k B P 学习算法包含正向传播和反向传播两个阶 段。在正向传播过程中,输入信息从输入层经过隐 含层处理后传向输出层,每一层神经元的状态只影 响下一层神经元状态。当输出层没有达到期望输出 时,根据网络输出值与生产实际输出值的差值,修改 各层神经元的权值和阀值,通过方向传播学习算法 实现[ 1 。 动量法降低了网络对于误差曲面局部细节的敏 感性,能有效抑制网络陷入局部极小,改善了收敛 性。采用动量法调整权值,其调整算法公式如式 2 所示。 E J £ 1 一c £, £ 让 1 一口 D £ 扣 £一1 ] 2 式中,c c , £ 为神经元连接权值;D £ 一 一a J /a ∞ £ 为£时亥6 的负梯度;D } 1 是} 1 时刻的负 梯度;叩为学习速率,刁 o ;a 为动量因子,o ≤口 1 。 对学习速率采用自适应调整算法 ∞ £ 1 一∞ £ 刀 £ [ 1 一a D £ 扣 £一1 ] 3 r 驴矗配水£ ,M 、E f 1 .0 4 奄E O 一1 I 永£ ,其它 4 当£时刻的训练误差小于上一次的训练误差 时,表明梯度变化平缓,将学习速率增大以加快网络 收敛速度;当£时刻的训练误差大于上一次训练误 差的1 .0 4 倍时,表明此时的梯度变化波动较大,将 学习速率降低以减小网络收敛过程的振荡。 1 .2B P 神经网络及节点数的确定 通过对实际铜熔炼生产过程分析,选取目标控 万方数据 2 0 1 5 年第5 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l - b g r i m m .c n 7‘ 制参数和波动较频繁、对结果影响较大的人料参数 作为神经网络模型的输入量 1 输入参数只选取主要元素目标冰铜品位 上。,% 、目标渣中铁硅比 z 。 、目标冰铜温度 z 。,℃ 、反应塔中央油量 z 。,k g /h 、精矿投入量 z ;,t /h 、烟灰投入量 z 。,t /h 、精矿中铜量 z ,, t /h 、精矿中铁量 z 。,t /h 、精矿中硫量 z 。,t /h 、 精矿中S i 0 2 量 z 。。,t /h 。 2 输入参数考虑杂质元素精矿中C a O 、M g O 总量 z ⋯t /h 、精矿中N i 、P b 、Z n 、A s 、S b 、B i 总量 T 1 2 ,t /h 。 神经网络模型输出量石英溶剂率 y 。,% 、吨 矿熔炼氧单耗 y 。,m 3 、反应塔总风量 y 。,m 3 /h 。 神经网络模型的输出参数与熔炼过程操作参数 的关系为 y l 一塑1 0 0 % 5 j l f t 观。 y 22 %.,2 1 % 功i 。2 1 % 弘。2 1 % 计。9 9 .6 % ‰9 9 .6 % Ⅲ1 T 1 i x 6 2 f 1 9 零1 8 赢1 7 囊M y 3 口。., u 。。。 7 式中,m 。。为石英溶剂量;m 。k 为混合精矿量;%, 为工艺空气量、‰。为工艺氧气量、可抵为分散风量、 口。.。为中央氧量、u 。为雾化风量。 H o r n i k 等在理论上证明了具有~个隐含层的 B P 神经网络能以任意精度逼近闭区间内的任一连 续函数[ 】2 1 。因此,研究中采用一个隐含层,用试凑 法确定隐含层神经元数,逐渐增加隐含层节点数。 对于只包含主要元素的1 0 输入、3 输出B P 神经网 络模型,最终确定隐层节点数为3 0 ,得到B P 网络结 构为1 0 一3 0 一3 。对于输入向量考虑杂质元素的1 2 输 入、3 输出B P 神经网络模型,最终确定隐层节点数 为2 6 ,得到B P 网络结构为1 2 2 6 3 。仿真过程中, 隐含层、输出传递函数分别为s i g m o i d 和 t a n s i g [ 】引。取生产数据中5 0 组作为训练样本, 选取4 8 组作为测试样本。 2 仿真结果及分析 2 .1输入只包含主要元素的B P 网络模型 1 0 输入时,对模型训练的结果如图2 所示。 图21 0 输入时训练结果 F i g .2T r a i n i n gr e s u I t sw i t h1 0i n p u t 熔剂率、熔炼氧单耗和反应塔总风量训练的最 小绝对误差分别为o .0 0 07 6 、o .0 4 8 、o .3 9 9 ,最小相 对误差分别为0 .0 0 5 %、o .0 2 5 %、O .o o l %,最大绝 对误差分别为o .0 1 45 、1 .3 9 6 、2 2 9 .4 9 ,最大相对误 差分别为o .8 1 5 %、o .7 8 9 %、o .9 4 6 %,相对误差平 均值分别为o .3 4 3 %、o .2 7 3 %、o .4 3 5 %。 图3 示出了1 0 输人时的测试结果。 熔剂率、熔炼氧单耗和反应塔总风量计算的最 小绝对误差分别为O .0 0 05 2 、O .0 0 2l 、4 0 .2 8 6 ,对误 差分别为1 6 .9 6 9 %、1 0 .7 4 %、1 2 .0 3 5 %,相对误差 平均值分别为3 .9 5 9 %、2 .4 5 2 %、3 .0 9 9 %。最小相 对误差分别为o .0 0 3 5 %、o .0 0 1 2 %、o .1 6 1 %,最大 绝对误差分别为2 .5 4 5 、2 1 .0 5 、3 3 9 2 .1 8 6 ,最大相对 误差分别为1 6 .9 6 9 %、1 0 .7 4 %、1 2 .0 3 5 %,相对误 差平均值分别为3 .9 5 9 %、2 .4 5 2 %、3 .0 9 9 %。 2 .2 输入考虑杂质元素的B P 网络模型 1 2 输入时,对模型训练的结果如图4 所示。 熔剂率、熔炼氧单耗和反应塔总风量训练的最 小绝对误差分别为O .0 0 03 4 、O .0 0 87 、2 .1 0 5 ,最小 相对误差分别为O .0 0 2 %、O .0 0 4 7 %、O .0 0 7 5 %,最 大绝对误差分别为o .1 3 4 、1 .1 8 1 、2 4 4 .9 9 ,最大相对 误差分别为o .7 4 5 %、o .6 5 8 %、o .8 7 6 %,相对误差 平均值分别为o .2 4 9 %、o .2 7 6 %、o .4 1 6 %。 图5 示出了1 2 输入时的测试结果。 ∞甜I 蛊 懂脚舯点聪筋样应0 采反 2 ∞ 万方数据 8 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 1 5 年第5 期 鲞脚姒萋 珥鋈 采样点 a 熔剂率 b 熔炼氧单耗 图31 0 输入时测试结果 F i g .3T e s t i n gr e s u I t sw i t h1 0i n p u t a 熔剂率 J 51 1I S2 } 2 53 03 S 4 0 4 55 I 采样点 b 熔炼氧单耗 5I 1 52 02 53 0 3 S4 04 55 0 采样点 c 反应塔总风量 弱妒V { 割2 .2 } 皑2lL 一 图41 2 输入时训练结果 F i g .4T r a i n i n gr e s u l t s w i t h1 2i n p u t 51 01 52 02 53 0 3 S 4 0 4 55 l 采样点 a 熔剂率 5l 【 1 52 { l2 53 j 54 04 55 I 采样点 b 熔炼氧单耗 图51 2 输入时测试结果 F i g .5T e s t i n gr e s u I t sw i t h1 2i n p u t 熔剂率、熔炼氧单耗和反应塔总风量预测的最 小绝对误差分别为o .0 0 11 、0 .0 9 5 、3 3 .2 1 ,最小相对 误差分别为o .0 0 7 5 %、o .0 5 %、o .1 2 3 %,最大绝对 误差分别为2 .4 2 、1 0 .9 7 5 、28 3 8 .4 ,最大相对误差分 别为1 4 .0 7 3 %、5 .8 0 6 %、9 .4 6 1 %,相对误差平均值 分别为3 .4 2 2 %、1 .7 1 9 %、2 .7 5 2 %,最大相对误差 分别为1 4 .0 7 3 %、5 .8 0 6 %、9 .4 6 1 %,相对误差平均 值分别为3 .4 2 2 %、1 .7 1 9 %、2 .7 5 2 %。 2 .3 仿真结果对比分析 通过对铜闪速熔炼在线控制神经网络模型的训 采样点 c 反应塔总风量 51 01 52 0 2 53 3 S4 ‘l4 S5 0 采样点 c 反应塔总风量 练,两种输入情况下的神经网络模型均已经挖掘出 了训练样本输入输出数据间隐含的内在规律,训练 完成后网络训练输出值与样本目标输出值具有很小 的误差。两种神经网络模型的测试值输出值相对误 差平均值均小于4 %,在整体上B P 神经网络模型应 用于铜闪速熔炼在线控制过程具有较好的精确度。 通过对两种输入模式的铜闪速熔炼B P 神经网 络模型采用相同的训练样本和测试样本进行训练和 测试,两种输入模式时的神经网络模型均已具有一 定的泛化能力。表1 给出了网络的测试结果。 ●0 9 8 r .6 5 4 3 2 ● 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1.亍t荽一一x朝匿蹈按倒呕 ●9 8 7 6 I 4 3 2 , 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2。£.Im,tJI摒匿蜘、辫目魁 万方数据 2 0 1 5 年第5 期有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 9 表1 T a b I e1 不同输入模式时测试结果对比 C o m p a r i s o no ft 姻tr 鹤u l t sw i t h d i f f e 他n ti n p u tm O d e 熔剂率3 .9 5 9 % 3 .4 2 2 % 熔炼氧单耗相对误差平均值2 .4 5 2 % 1 .7 1 9 % 反应塔总风量3 .0 9 9 %2 .7 5 2 % M S E 测试均方误差 o .0 4 62O .0 3 48 由表1 可见,1 2 输入模式B P 神经网络模型其 输出参数的测试最大绝对误差、最大相对误差、相对 误差平均值和测试均方误差均小于1 0 输入B P 神 经网络模型,由此可以得出,在铜闪速熔炼在线控制 B P 神经网络模型设计过程中输入参数包括杂质元 素能提高计算精度。 模型测试输出的最大绝对误差和最大相对误差 与实际生产过程中操作参数的调整变化规律有较大 的偏差,产生偏差的原因主要有两点; 1 在铜闪速熔炼实际操作过程中,影响三大工 艺参数变化的因素很多,而目标控制主要通过操作 参数调节,控制过程是一个动态过程,因此在从历史 生产数据中提取训练样本和测试样本时,无法准确 找到输入参数与输出参数之间完全对应的稳态数 据,使得B P 神经网络模型挖掘输入输出参数问的 映射关系与实际情况的拟合度还不够。 2 由于训练样本数有限,并不能包含所有的工 况,当测试样本中的输入参数工况与训练样本具有 较大区别时,神经网络测试计算结果就可能产生较 大的波动。 3结论 1 两种神经网络模型输出与实际样本输出吻合 较好,网络输出值与实际值的最大相对误差均小于 1 %,均已经挖掘出了生产数据间隐含的内在规律。 2 1 2 输入模式B P 神经网络模型其输出参数的 测试最大绝对误差、最大相对误差、相对误差平均值 和测试均方误差均小于1 0 输入B P 神经网络模型, 铜闪速熔炼在线控制B P 神经网络模型设计过程中 输入参数包括杂质元素能提高计算精度。 3 由于实际工况不稳定,无法找到输入参数与 输出参数之间完全对应的稳态数据。且有限的训练 样本未能包括所有的工况,使得模型测试输出的最 大绝对误差和最大相对误差与实际生产过程中操作 参数的调整变化规律有较大的偏差。 参考文献 [ 1 ] 曾青云,汪金良,张传福.基于自适应模糊神经网络的 铜闪速熔炼渣含F e /S i 0 模型研究[ J ] .有色金属科学 与工程,2 0 1 1 ,2 1 5 7 . 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[ 5 ] G u iw e i h u a ,w a n gL i n g y u n ,Y a n gc h u n _ h u a ,e ta 1 .I n t e l l i g e n tp r e d i c t i o nm o d e lo fm a t t e rg r a d ei nc o p p e rf l a s h s m e l t i n gp r o c e s s [ J ] .T r a n s a c t i o no fN o n f e r r o u sM e t a l s S o c i e t yo fC h i n a ,2 0 0 7 ,1 7 5 1 0 7 5 1 0 8 1 . [ 6 ] 刘建华,桂卫华,谢永芳.基于投影寻踪回归的铜闪速 熔炼过程关键工艺指标预测[ J ] 。中国有色金属学报, 2 0 1 2 ,2 2 1 1 3 2 5 5 3 2 6 0 . [ 7 ] Q Ix i a o n i ,L I uz h e n - y a n ,L ID a n d a n .P r e d i c t i o no ft h e p e r f o r m a n c eo fas h o w e rc o o l i n gt o w e rb a s e do np r o j e c t i o np u r s u i tr e g r e s s i o n [ J ] . A p p l i e dT h e r m a lE n g i n e e r i n g ,2 0 0 8 ,2 8 8 /9 1 0 3 1 1 0 3 8 . [ 8 ] w a nw e i h a n ,w a nB a i w u ,Y a n gJ i n _ y i .N e u r a ln e t w o r k m o d e l i n ga n ds t e a d y 。s t a t eo p t i m i z i n gc o n t r o lo fn i c k e l f l a s hf u r n a c ei ns m e l t i n gp l a n t [ C ] //P r o co f1 4 t hI F A C . 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