高炉铁水质量鲁棒正则化随机权神经网络建模

高炉炼铁过程运行优化与控制依赖于可靠、稳定的难测铁水质量(Molten iron quality, MIQ)指标模型.针对现有MIQ建模方法的不足, 本文提出一种新型的数据驱动鲁棒正则化随机权神经网络(Random vector functional-link networks, RVFLNs)算法, 用于实现MIQ指标在线估计的鲁棒建模.首先, 为了提高建模效率和降低计算复杂度, 采用数据驱动典型相关性分析方法从众多变量中提取与MIQ相关性最强的变量作为建模输入变量; 其次, 由于传统RVFLNs网络的输出权值由最小二乘估计获得, 易受离群数据影响而鲁棒性差, 引入基于Gaussian分布加权的M估计技术, 提出新型鲁棒RVFLNs算法建立多元MIQ指标的鲁棒模型; 同时, 在鲁棒加权后的最小二乘损失函数基础上, 进一步引入${L_1}$和${L_2}$两个正则化项以构成优化目标函数的Elastic net, 用于稀疏化RVFLNs网络的输出权值矩阵, 解决RVFLNs网络多重共线性和过拟合的问题.最后, 基于某大型高炉工业数据, 进行充分数据实验, 结果表明所提方法具有更高的建模与估计精度以及较强的鲁棒性能.     

高炉炼铁过程多元铁水质量非线性子空间建模及应用

高炉炼铁是一个物理化学反应复杂、多相多场耦合的大滞后、非线性动态系统,其关键工艺指标——铁水质量参数的检测、建模和控制一直是冶金工程和自动控制领域的难题.本文提出一种面向控制的数据驱动高炉炼铁多元铁水质量非线性子空间建模方法.首先,为了提高建模效率和降低计算复杂度,采用数据驱动典型相关性分析与相关性分析相结合的方法提取与铁水质量相关性最强的关键可控变量作为建模的输入变量;同时,为了更好地反映高炉非线性动态特性,将相关输入输出变量的时序和时滞关系在建模过程进行考虑;最后,采用基于最小二乘支持向量机（Least square support vector machine,LS-SVM）的非线性Hammerstein系统子空间辨识方法建立数据驱动的多元铁水质量非线性状态空间模型.同时,将核函数表示的模型非线性特性用多项式函数拟合,在仅损失很小模型精度的前提下大大降低模型的计算复杂度.基于实际数据的工业试验验证了所提建模方法的准确性、有效性和先进性.     

高炉炼铁过程多元铁水质量指标多输出支持向量回归建模

针对高炉炼铁过程铁水温度、Si含量、S含量、P含量等关键质量指标难以直接在线检测,且离线化验过程滞后严重的难题,建立基于建模精度综合评价与遗传参数优化的铁水质量(molten iron quality,MIQ)多输出支持向量回归(multi-output support vector regression,M–SVR)动态模型,用于对高炉铁水质量指标进行在线估计.与常规单输出SVR建模不同,M–SVR可一次确定多个分类超平面,从而可实现多元铁水质量指标的多输出建模:建模精度综合评价指标从模型估计趋势以及估计误差等方面综合评价建模性能;以建模精度综合评价指标为适应度函数,采用遗传算法对M–SVR的伸缩向量和惩罚因子参数进行全局寻优,从而获得具有最优参数的GA–M–SVR动态模型.在某钢铁厂2#高炉的工业实验表明:所提GA–M–SVR模型能够根据实时输入数据的变化对多元铁水质量参数进行准确估计.     

集成自编码与PCA的高炉多元铁水质量随机权神经网络建模

针对随机权神经网络（Random vector functional-link networks,RVFLNs）建模存在的过拟合和泛化能力差的问题,集成自编码（Autoencoder）和主成分分析（Principal component analysis,PCA）技术,提出一种新型的改进RVFLNs算法,即AE-P-RVFLNs算法,用于建立高炉多元铁水质量在线估计的NARX（Nonlinear autoregressive exogenous）模型.首先,为了尽可能挖掘实际复杂工业数据中的有用信息和充分揭示输入数据之间的内在关系,采用Autoencoder前馈随机网络技术训练建模输入数据,并将训练得到的输出权值作为后续RVFLNs的输入权值;然后,引入PCA技术对RVFLNs的高维隐层输出矩阵进行降维,避免隐层输出矩阵多重共线性问题,从而解决由于隐层节点过多导致模型过拟合的问题;最后,基于所提AE-P-RVFLNs算法建立某大型高炉多元铁水质量在线估计的NARX模型.工业实验和比较分析表明：采用本文算法建立的多元铁水质量在线估计模型可有效提高运算效率和估计精度,尤其是避免常规RVFLNs建模存在的过拟合问题.     

基于多参数灵敏度分析与遗传优化的铁水质量无模型自适应控制

铁水硅含量(化学热)和铁水温度(物理热)是高炉炼铁过程最重要的铁水质量指标, 其建模与控制对于整个高炉炼铁过程的运行优化意义重大. 针对高炉炼铁过程极复杂动态特性以及铁水质量难以进行常规机理建模与控制的难题, 基于直接数据驱动控制思想, 提出一种基于多参数灵敏度分析与大规模变异遗传参数优化的高炉铁水质量无模型自适应控制方法. 首先, 基于紧格式动态线性化(Compact form dynamic linearization, CFDL)无模型自适应控制(Model free adaptive control, MFAC)技术确定铁水质量的多变量数据驱动控制器结构; 然后, 针对CFDL-MFAC众多可调参数对控制器性能影响大, 同时对众多参数整体优化非常耗时且效果不理想的问题, 基于多参数灵敏度分析(Multi-parameter sensitivity analysis, MPSA)技术, 提出基于大规模变异与精英局部搜索遗传优化的CFDL-MFAC控制器参数整定方法; 最后, 将参数整定后的CFDL-MFAC控制器应用到高炉炼铁过程多元铁水质量控制, 并与基于递推子空间辨识的数据驱动预测控制进行比较研究, 验证所提控制方法的有效性和先进性.