加热炉生产过程操作优化建模及差分进化算法研究-博士学位.PDFVIP

博士学位论文公示材料 学生姓名 夏琼 学号 1010369 二级学科 系统工程 导师姓名 刘继印 论文题目 加热炉生产过程操作优化建模及差分进化算法研究 论文关键词 加热炉；操作优化；差分进化算法；机理建模；混合建模 论文摘要(中文) 加热炉是钢铁生产过程中的重要设备，对其生产过程的操作优化直接关系到加热炉运行过程本身 以及热轧生产的产品质量。针对加热炉生产过程的操作优化的任务是通过对加热炉各段的温度进行优 化设定，使得出炉板坯在达到适合轧制的温度的同时，降低能源消耗并减少氧化烧损，以提高加热质 量并降低生产成本。对加热炉生产过程的操作优化研究不但有利于推进钢铁生产过程优化理论的发展， 对提高钢铁企业的生产水平与节能方面也具有十分重要的实际意义。 本文以钢铁生产中的加热炉为背景，针对复杂的加热炉生产过程操作优化（Operation Optimization of Furnace Process，OOFP）问题，建立了加热炉与板坯之间的传热机理模型，并在此基础上建立了能 够反映加热炉加热质量、能耗和氧化烧损的优化模型；针对 OOFP 问题难以获得传热机理的特征，采 用了基于机理和数据混合的方法建立了数学模型；针对加热炉的集成优化问题，将预测控制与操作优 化进行了集成，即采用预测控制对操作优化得到的炉温设定值进行迭代优化。针对以上各问题，分别 设计了改进的差分进化（Differential Evolution，DE）算法进行了求解。本文主要工作概括如下： 1）针对加热炉生产过程操作优化问题，建立了基于传热机理的优化模型，决策变量为加热炉各段 的温度，在目标函数中考虑了板坯温度、能耗和氧化烧损。针对机理模型中的微分方程表达式，采用 基于龙格-库塔的配置法对微分方程进行了差分，即把微分方程转化为易求解的代数方程，进而将加热 炉生产过程的动态机理模型转化为静态非线性规划模型。基于实际生产过程数据进行了出炉板坯温度 计算实验，数据结果验证了所设计的传热机理模型具有???高的精确度。 2）针对加热炉生产过程操作优化的问题特点，结合差分进化算法的有哪些信誉好的足球投注网站能力强，收敛速度快的特 点，设计了改进的差分进化算法（O-DE）对问题进行求解。算法改进策略如下：（1）有哪些信誉好的足球投注网站空间收缩机 制：减小算法的有哪些信誉好的足球投注网站域，提高有哪些信誉好的足球投注网站效率；（2）组合变异策略以及自适应参数设定策略：提高种群多样 性并加快收敛速度。基于实际生产过程数据，设计了大量的对比实验，对 O-DE 算法求解 OOFP 问题 的性能进行测试。实验结果表明，O-DE 算法性能优于其他同类算法以及手工方法，且在基于简化传热 机理模型的 OOFP 问题上的求解效率优于非线性求解软件 GAMS，验证了所提出的方法的有效性。 3）针对机理模型难以获得的加热炉生产过程操作优化问题，建立了基于机理和数据的混合模型。 采用最小二乘支持向量机对加热炉传热机理模型进行动态补偿，以提高模型的准确度和普适性。基于 实际生产过程数据，设计了针对加热炉传热混合模型的性能测试实验，实验结果表明，混合建模方法 得到的模型精度优于纯机理模型的精度。 4）针对基于混合建模 OOFP 的问题特征，设计了改进的差分进化算法（IO-DE）。算法改进策略如 下：（1）可行域动态调整机制：加快算法的收敛速度，提高全局有哪些信誉好的足球投注网站能力；（2）种群规模线性缩减策 略：提高算法的局部有哪些信誉好的足球投注网站能力。基于实际生产过程数据设计了大量对比实验，实验结果表明在求解混 合模型下的 OOFP 问题时，所提出的 IO-DE 算法的性能超过了已有的同类算法。 5）针对加热炉生产过程中的预测控制和操作优化两个阶段各自的任务与特点，提出了将二者集成 为一个系统的集成操作优化问题（简称集成优化）。集成优化的任务是通过调整加热炉的燃料输入，来 对加热炉内板坯的加热过程进行优化和控制。其中的预测控制部分使加热炉的实际炉温尽量接近期望 炉温值，而操作优化部分的作用是为加热炉各段的炉温确定期望值，即在满足加热炉生产要求的同时， 减少能源消耗并降低加热过程对板坯表面的氧化烧损。 6）针对加热炉生产过程的集成优化问题，为了将其优化性能与加热炉的操作优化进行比较，基于 实际生产过程数据