基于案例的实时控制器及其在热风炉燃烧控制中的应用外文翻译资料

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在智能控制与自动化第六届世界大会的论文集，2006年6月21日至23日，中国大连。

基于案例的实时控制器及其在热风炉燃烧控制中的应用

摘要

在过去的几年中，所有供求使用都是基于案例推理（CBR）这个强大的方法，它已经在不同的工业应用方面证明它了的潜力。然而，相关的应用目前为止主要集中在非实时的目标中。而在我们的工作中，我们是基于新的CBR实时控制器，提出并命名为CBR（基于案例的实时控制器）。CBRTC可以被看作是一种直接的专家控制器，但它适用于基于案例推理，而不是用规则推理的方法来做出控制决策。CBRTC已经投入运行了一些热风炉燃烧控制的现场应用。它被指出具有该CBRTC是可以用于处理复杂工业过程的控制问题的有力的应用程序。

关键词 ： CBR，基于案例的推理，燃烧控制，热风炉

引言

热风炉是用于产生从氧化铁，焦炭和熔剂的。能量的主要来源之一是预热空气转化为是显热这个过程的被称为鼓风空气，然后其被注入到热风炉中.这些预热空气会在圆柱体高层和耐火导热材料填充被称为热风炉蓄热。为确保热风炉的高效操作，所需要的流速和高温气体必须保持一致。不幸的是，这一目标是不容易被实现的，因为热风炉具有固定时间延迟，并且随时间变化的和非线性的特点。传统的控制策略，如PID已经不再有效，而面对热风炉燃烧控制问题，因为有上述的特征故没有确切的数学模型。因此一些先进的控制策略在进行了研究和解决该燃烧控制的问题，如在文献报道[3，4]中模糊控制和专家控制方法。但这些智能控制策略是基于规则的性质，因此要突破障碍物或所谓的“瓶颈”获得专业知识，这是用于实现上述策略的基础上，是最终不可避免的。在文献[5]中提出了这样一种新的控制策略，它利用CBR而非RBR作为其推理机获取控制决策，并且该方法已被证明是有效的，易于在几个原位应用实现。

文章的结构如下：第一节是介绍，第二部分是介绍CBRTC及其体系结构的概念。第三节是热风炉的简要说明，第四节介绍CBRTC控制热风炉燃烧过程的程序应用。第五节与论文结束语。

基于案例的实时控制器

在过去的几年中，所有供求使用都是基于案例推理（CBR）这个强大的方法，它已经在不同的工业应用方面证明它了的潜力。案例推理已被用于解决不同领域的问题，包括决策支持，帮助台支持，产品编目和维护支持等。和以前的问题相比，基于案例的推理是一种方法并解决了从过去到现在实际问题。换句话说，我们可以重新使用在过去所用的解决问题的技术，并将其应用到问题[6,7]中。

一个典型的CBR周期如图1所示：

图1.CBR循环

一个CBRTC（基于案例的实时控制器）定义为部署基于案例的推理方法并作出其控制决策的实时控制器。CRTC的结构非常类似于直接专家控制器。它们之间的主要区别仅在于对应的推理方法。一个CBRTC控制决策是基于案例推理的基础上作出的，但专家控制器的决策是基于规则推理推断出来。使用CBRTC的控制

系统的结构如图2所示：

基于所测量的过程参数的字符标识和信息处理后获得的特性集合称为一个新的查询（或问题的说明）。这个新的查询然后提交到基于案例推理算法，这是CBRTC的一个基本组成部分。作为在控制系统中的模式被示出（见图2），由CBRTC作出控制判决有两个可能的结果：

图2.控制系统的体系结构与CBRTC

1. 如果基于案例的推理算法找到类似于从样品病例的基础上，然后将类似案例的相应溶液描述这种新的查询的存储的情况下，换句话说，即控制决定，被再利用参照效果描述并输出到致动器。

（2）如果基于案例推理算法找到从案例库，没有学习类似的案例，修订功能将被执行。它们一般给出这种新的问题，这是致动器的最小调整单元试验。然后该试验控制决策已输出到致动器，其调整结果将被测量和评估，因此新的样品案例与所有的三个基本要素：lt;问题，溶液，效果gt;，然后新的样品案例将被形成并在样品中加入案例库。

作为一个新的查询和每个样本外壳之间的相似性判定，则需要计算出在描述如下的加权欧几里得距离：

在我们的工作中，阈值是提前确定上线检索程序正在做什么的。如果找到了一个或更多个它们各自的距离小于的情况，则具有最小距离的所述样本案例被取为检索和重复使用的样本。

一个CBRTC的实现通常分为两个阶段：数据准备和上线运行。

该任务需要在数据准备阶段做的包括以下几个方面：

（1）表示在定义的样品情况中，换言之，确定哪个输入，扰乱和输出变量应包括在一个样品的情况中。这些变量与操作员作出的控制决定是相关的，应该通过参照操作员的经验或分析的历史数据来选择。

（2）确定两者的情况下底座结构和检索方法，以及从所记录的历史数据抽出一些调节样品。这些样品的情况下将采取基体的初始种子而CBRTC开始它的上线操作。

一个CBRTC的任务，需要在其上线运行阶段就像是一个典型的社区康复周期，可以分为以下几个步骤：

(1)获取数据并提交问题。一个CBRTC获取的实时数据反映被控对象的运行状态和技术参数。如在线数据，如需要的温度和被测人比预定阈值之间的偏差发现了一些问题，他们会把一个问题描述载体的形式看成提交给对于最终的结论的一个合适的解决方案。

(2)检索和匹配。最终结论提交的问题与存储在案例库找到了类似的情况下，每个样品的情况下进行比较。类似情况下被定义为具有其与所提交的问题向量之间的最小空间距离的样品的情况下。和空间距离使用公式（1）计算。

(3)采用和重用。如果（1）与公式计算出的类似情况下的距离小于预先确定的阈值，这种情况下的解决方案的描述将被采用并重复使用，而直接作为推理结果或CBRTC的控制决定。

(4)学习和修改。如果没有样品的情况下的的情况下，母材间距离小于预先确定的阈值，一个CBRTC将采取试验调整作为其控制的决定。

这项试验的调整是根据一些已知的控制规则进行的。这个新问题和新的解决方案都将被评估并加入到样品中的情况下，进一步加强CBRTC的解决问题的能力。

因为一些工业流程的不确定性和复杂的数学模型基础控制方法调节，所以他们不能直接使用，经验丰富的操作可以通过简单的记忆和参照自己积累的经验熟练地操纵这样的过程。这样的成功的操纵的做法是构建基于知识经验为基础或CBRTC的坚实的基础。在控制器的标本案例的基础上累积经验，就像存储在一个人的大脑更多的知识，让CBRTC更有效地在处理不同的各种工艺条件和变化起作用。

热风炉的过程说明

制造铁的热风炉要求在高温预热空气的流量大（1000℃以上）。 3〜4成的电池可再生热交换器（灶）可循环操作，处在炉附近。一个炉子是用一个难以调控的（检查器）的高大的圆柱形容器用来积累能量，然后释放能量。砖的几何形状和它的属性通常是变化的，而上部是在比下部部分高得多的温度下操作的。在一个工作循环（在气体）的第一部分，检测器由热风炉的煤气的燃烧（BFG）加热，可能与焦炉气（COG）富集，如图3（a）中。当温度足够高时，压缩空气（鼓风）通过以相反的方式在炉子循环（见图3的（b））。在以上热风炉操作中，通过旁通阀控制预热温度。热风通常被供给到所确定的持续时间的炉中。在那一刻，下一炉投入热风炉操作和一个新的周期被重复（大约每180分钟）。典型地，一个小型或中型炉子上的气体中用时115分钟，在鼓风用时55分钟。操作阶段之间过渡需要几分钟的时间如切换阀，加压或吹下来炉子的需要。

图3.热风炉的两个工作阶段

我们的研究来自于中国河北邢台钢铁公司2号高炉。 2号高炉运行的是三炉系统操作。两个炉将在气体循环操作和一个炉将在任何给定的时间的爆破周期操作。

由于热风炉的散热水平不能直接和简单的测量，自动控制系统通常需要两个间接参数作为控制变量，这就是炉子的圆顶温度和废气温度。调整后的变量是空气流量和燃料（BFG）流速与空气的适当比率/燃料应该保持在以确保最佳的节能的燃烧状态。圆顶和废气温度的理想曲线示于图4。总共导通气相中可以分为2个阶段：在快速升温阶段和热贮存阶段。因此，控制任务的不同阶段来说是有区别的：

图4.拱顶和废气温度的理想曲线

（1）在快速加热阶段，拱顶温度增加到其稳定值尽可能快，但没有考虑到废气温度的同时改变。

1. 在热储存阶段，保持围绕其稳定值圆顶温度，并保持一个合适的空气/燃料比，以节省能源消耗。结束其导通气相，调节电流导通煤气灶燃料供给，使之有废空气的温度的适当升高斜率为在燃烧终端到达废物温度的上限的先例炉子之后。

CBRTC在燃烧控制的应用

如在上述部分中说明，热风炉的燃烧控制可以被转化为两个温度控制的问题：拱顶温度控制和废气温度控制。在快速加热阶段，拱顶温度的一个明确的增加率的控制目标。在热储存阶段，稳定的圆顶温度值和废空气温度的恒定增加率应在同一时间得到保证。因此三个CBRTC构造分别进行上述三个不同的控制任务：一个CBRTC为圆顶温度的增加速度控制时的快速加热阶段，一个CBRTC为圆顶温度的稳定值控制和最后一个CBRTC用于废气温度的过程中的热量储存阶段增长率控制。由三个CBRTC确定的控制变量是气体流速和空气流速。因为这三个CBRTC之间的主要区别在于仅在所表示他们的情况，圆顶温度的稳定值控制所述的CBRTC被取作为用于这种控制方法的说明示例。

A.CBRTC在实例中的表达

在一个CBRTC的案例的基础上，每个样品的情况下被描述为一个矢量形式包括三个基本部件，即：一个问题描述，溶液描述和效果的描述。前一个CBRTC放入上线运行，其情况表示应仔细研究和构造。

为在其热蓄热阶段控制炉子的圆顶温度，除了直接相关调整的变量（例如它的气体流量和空气流量），其它相关参数也应加以考虑。在我们的工作中，案例库的案例表示是基于以下条件考虑构建：

（1）首先应该考虑到经验丰富的操作意见和历史数据的分析。

（2）其次所选择的变量或属性应该容易被测量出来或过程参数计算的相对容易。

（3）最后，CBRTC在稳定的拱顶温度控制的情况下表示温度是确定的，并描述为在表1中。

表1代表性的案例

B.引出初始种子

在一个CBRTC表示被确定并检查的情况下，应当在联机操作之前以最初的足够的样品被放入填满。在这些样品被称为CBRTC案例的初始种子[8]。

所述初始种子可以从在鼓风炉的监测系统中所积累的历史数据里被抽出。分析几个有经验的操作手的操纵习惯后，我们编辑他们的经营行为分为三个不

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