高爐冶煉過程的混沌性問題解決策略探究

盛天亮

摘 要：鐵的生產分為高爐冶煉、直接還原和熔融還原三種方式。目前，高爐冶煉被使用的頻率最高，其特點為生產效率高、自動化程度高，且可實現大規模生產。高爐系統是一種混沌系統，混沌是非線性系統中產生的一種不規則的現象。以唐山鋼鐵的高爐為樣本，對高爐冶煉過程中的混沌性問題的解決策略進行了研究，并分析了采用關聯積分法計算Kolmogorv熵以及測量可預測時間尺度的過程。

關鍵詞：高爐；混沌性；非線性動力學；Kolmogorv熵

中圖分類號：TF325 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.113

自1963年美國氣象學家首次發現混沌現象以來，其迅速成為了國內外研究的熱點問題。混沌研究的基礎是對混沌系統的辨識，并從混沌系統的特性出發，研究高爐冶煉的過程。高爐還原鐵的方法為用焦炭還原鐵氧化物中的鐵。高爐冶煉是一個相對復雜的過程，其特性包括非線性、時滯、高維和噪聲大等。一直以來，相關研究人員都將高爐冶煉的過程視為隨機過程進行過程控制，但根據非線性動力學的研究結果，該過程具有混沌性。本文選取河北唐山鋼鐵的高爐為樣本，分析了高爐冶煉過程中的混沌性辨識問題，闡述了混沌性問題的解決策略，并計算了高爐冶煉過程中Kolmogorv熵的數值，測量了高爐的可預測時間尺度。

1 高爐冶煉過程的混沌性辨識

高爐冶煉的過程就是讓燃料在高爐內經過物理、化學反應完成鐵的還原和融化的過程。高爐的操作要求為安全、穩定和均衡。高爐冶煉的過程十分復雜，且處于密閉、高溫的狀態，因此，想要準確掌握爐內的溫度分布情況較為困難。一般情況下，高爐內的溫度通過高爐爐缸熱狀態指示燈顯示，并通過鐵水的含硅量反映爐缸的熱狀態。在此情況下，高爐操作技術的核心是對鐵水含硅量的測量和優化控制。具體而言，對鐵水含硅量的測量和優化控制分為以下2步：①滯后時間的確定。重構相空間時，通常會考慮到系統信息的丟失問題。因此，應先確定滯后時間，但實際重構相空間的滯后時間非常長，不相關誤差、冗余誤差較大，無法反映細節情況。在實際操作中，需要確定最佳的滯后時間，而確定滯后時間的方法較多，本文主要采用相關函數法。采用相關函數法能確定時間序列不同取值之間的依賴性，但為了確保重構相空間的矢量點能保持獨立，這種依賴性不可過強。②飽和關聯維數的確定。高爐冶煉的過程中存在很多不同結構的混沌吸引子。在對高爐冶煉系統優化的計算中可看出，不同混沌吸引子在冶煉過程中的焦比相差較大。通過飽和關聯維數能反映混沌吸引子結構的復雜性，也能反映混沌吸引子的數量。因此，飽和關聯維數不僅對混沌信號相空間的重構有重要影響，還為工作人員描繪混沌吸引子的結構特征提供了方便。

2 混沌性問題的解決策略

高爐本身是一個開放的體系，因此，從混沌動力學的角度分析高爐冶煉的過程是一個不錯的方法。混沌作為自然界中的普遍現象，其特性包括不可預測、不可分解、周期點稠密和對初值極端敏感等。高爐冶煉的混沌性問題解可采用關聯積分法計算Kolmogorv熵的數值和測量可預測時間尺度兩種方法解決。Kolmogorv熵的計算方法包括最大似然估計法和關聯積分算法，本文主要分析了關聯積分算法。

在關聯積分算法中，對Kolmogorv熵的定義為：對于自由度為F的動力系統，如果F維的相空間可以用尺度為E的盒子劃分，則可解決動力系統奇異吸引子的軌道問題。在計算Kolmogorv熵的數值時，通常選取近似值，這樣不僅能保持K的主要性質，還能區分周期運動、混沌運動和隨機運動。利用Kolmogorv熵的計算結果，并采用唐山鋼鐵高爐鐵水硅含量時間序列樣本（采樣間隔為2 h），經分析得出了最佳的滯后時間，且通過Kolmogorv熵的數值了解了高爐冶煉過程具有的混沌性，從而為混沌理論在高爐冶煉中的應用奠定了基礎。此外，基于Kolmogorv熵下限值中為正的Lyapunov指數可估計高爐鐵水硅含量的可預測時間尺度和采樣時間間隔。

3 結束語

本文根據Kolmogorv熵的計算方法，以唐山鋼鐵高爐的鐵水硅含量為樣本，得出了在高爐冶煉過程中Kolmogorv熵的數值，并基于Kolmogorv熵的有限值分析了高爐冶煉過程具有的混沌性。Kolmogorv熵作為混沌系統的度量標準，在不同動力系統、時間序列中的數值不同。因此，可根據Kolmogorv熵的數值確定系統的狀態，從而幫助工作人員采取有效的措施來降低高爐發生異常的概率。

參考文獻

[1]安通鑒.高爐煉鐵的狀態空間模型辨識與迭代學習控制[D].杭州：浙江大學，2014.

[2]褚艷旭.數據驅動的多尺度建模、控制及其在高爐冶煉過程中的應用[D].杭州：浙江大學，2013.

[3]王義康.高爐冶煉復雜性分析及支持向量機擴展建模預測研究[D].杭州：浙江大學，2012.

[4]李軍.多尺度熵在高爐煉鐵復雜性研究中的應用[D].杭州：浙江大學，2011.

〔編輯：張思楠〕