KR970010980B1 - Temperature and components in furnace bath using neural network - Google Patents

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KR970010980B1
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장근수
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변선민
박종진
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조말수
포항종합제철주식회사
백덕현
재단법인 산업과학기술연구소
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Abstract

The ingot steel temperature and component variation predicting method using an artificial neural network comprises the steps of: inputting initial operation condition and factors of continuous sampling data to the artificial neural network to obtain an ingot steel temperature and component value according to the operation time; comparing past continuous sampling data obtained by the same operation condition and factors with the obtained ingot steel temperature and component value in the artificial neural network to execute learning for weighting value within an allowable error range; setting the weighting value when the addition of each error reaches the allowable error range and completing the learning; and inputting an initial operation condition to the learned artificial neural network to predict the ingot steel temperature and component value.

Description

인공신경회로망을 이용한 용강온도 및 성분 변화예측방법Prediction Method of Molten Steel Temperature and Component Change Using Artificial Neural Network

제 1 도는 본 발명의 원리를 나타내는 기능 블록도.1 is a functional block diagram illustrating the principles of the present invention.

제 2 도는 본 발명에 적용도는 인공 신경회로망의 일례를 나타내는 전체 구성도.2 is an overall configuration diagram showing an example of an artificial neural network applied to the present invention.

제 3 도는 본 발명에 있어서 신경회로망 적용시의 일례를 나타내는 흐름도.3 is a flowchart showing an example of neural network application in the present invention.

재 4 도는 전로공정에서 시간에 따른 탄소 농도변화를 나타내는 조업 실적도.Figure 4 shows the results of the operation showing changes in carbon concentration over time in the converter process.

제 5 도는 전로공정에서 시간에 따른 용강 온도 변화를 나타내는 조업 실적도.5 is an operation record showing the change in molten steel temperature over time in the converter process.

제 6 도는 전로공정에서 시간에 따른 망간 온도 변화를 나타내는 조업 실적도.6 is an operation record showing the change of manganese temperature with time in the converter process.

제 7 도는 전로공정에서 시간에 따른 인 온도 변화를 나타내는 조업 실적도.7 is an operation record showing the change in phosphorus temperature over time in the converter process.

제 8 도는 본 발명에 있어서 인공신경회로망의 학습곡선도.8 is a learning curve diagram of the artificial neural network in the present invention.

제 9 도는 본 발명에 있어서 인공신경회로망 적용시 예측한 탄소 농도와 실제 탄소 농도변화의 비교도.9 is a comparison of the carbon concentration and the actual carbon concentration change predicted when the artificial neural network in the present invention.

제 10 도는 본 발명에 있어서 인공신경회로망 적용시 예측한 용강 온도 변화와 실제 온도변화의 비교도.Figure 10 is a comparison of the actual temperature change and the molten steel temperature predicted when applying the artificial neural network in the present invention.

제 11 도는 본 발명에 있어서 인공신경회로망 적용시 예측한 망간 농도와 실제 망간 농도 변화의 비교도.FIG. 11 is a comparison diagram of manganese concentration and actual manganese concentration change predicted when an artificial neural network is applied in the present invention. FIG.

제 12 도는 본 발명에 있어서 인공신경회로망 적용시 예측한 인 농도와 실제 인 농도변화의 비교도.Figure 12 is a comparison of the phosphorus concentration and the actual phosphorus concentration changes predicted when applying the artificial neural network in the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 정규화(normalization)된 입력층 2 : 제 1 중간층1: normalized input layer 2: first intermediate layer

3 : 제 2 중간층 4 : 출력층3: second intermediate layer 4: output layer

5 : 입력층과 제 1 중간층 사이의 가중치(weight)5: weight between the input layer and the first intermediate layer

6 : 제 1 중간층에서의 j개의 노드6 j nodes in the first middle layer

7 : 제 1 중간층과 제 2 중간층 사이의 가중치8 : 제 2 중간층에서의 k개의 노드7 weight between the first and second intermediate layers 8 k nodes in the second intermediate layer

9 : 제 2 중간층과 출력층 사이의 가중치 10 : 출력층에서의 m×n개의 노드9: weight between the second intermediate layer and the output layer 10: m × n nodes in the output layer

본 발명은 제철소내 제강공장에서의 전로 조업지원을 위한 기술로써 양질의 강을 생산하는데 필수적인 강의 온도 및 성분변화를 인공신경회로망을 이용하여 예측하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting the temperature and compositional changes of steel, which are essential for producing high quality steel, using artificial neural networks as a technology for converter operation support in steel mills in steel mills.

전로조업은 산화반응을 통하여 용선 내의 불순물들(탄소, 인, 망간등)을 적정함량 이하로 제거시키는 공정으로 제철소에서 필수적인 조업중의 하나이다. 따라서 이를 위한 효율적인 조업을 이루기 위한 공정의 예측 및 조업 안내(guidance)는 매우 중요하여 많은 연구가 시도되어 왔다.Converter operation is one of the essential operations in steel mills to remove impurities (carbon, phosphorus, manganese, etc.) in molten iron below an appropriate content through oxidation. Therefore, many studies have been attempted because the process prediction and guidance are very important for achieving efficient operation.

이에 대하여 종래에는 크게 두가지 방식으로 접근하여 왔다.In the related art, there have been two approaches.

첫째 방법으로는 노내 반응상황을 규명하여 수지식을 세워서 조업예측 및 가이던스하는 수식모델에 의한 방법이고, 둘째 방법으로는 전로취련시(반응공정이 일어나는 기간) 산소와의 반응으로 인하여 생성되어지는 부생가스(일산화탄소, 이산화탄소)의 양과 성분을 측정하여 예측하는 배가스 분석 방법이 있다.The first method is based on the mathematical model that identifies the reaction conditions in the furnace and establishes the resin formula to predict and guide the operation. The second method is the by-product generated by the reaction with oxygen during the conversion of the converter (the period during which the reaction process takes place). There is an exhaust gas analysis method that measures and predicts the amount and composition of gas (carbon monoxide, carbon dioxide).

상기한 종래의 방법들이 전로조업지원에 많은 기여를 했으나 전로공정은 반응성분들의 변화가 일정한 규칙성을 보이지 않고 각 조업조건과 상황에 따라 상당한 변화값을 나타내기 때문에 종래의 방법들만을 적용하는데 많은 문제점이 있어 왔는데, 이에 대하여 설명하면 다음과 같다.Although the above conventional methods contributed to the support of converter operation, the converter process is not suitable for applying conventional methods only because the changes of reactive components do not show a regularity and represent a significant change according to each operation condition and situation. There has been a problem, which will be described below.

전로공정의 특성은 블랙 박스형태의 공정으로써 조업시 노내 상황을 파악할 수 없고 단 노내 정보로써는 단 1회의 실시간 측정기로서 공정 중반기를 지나서 용철온도를 측정하는 서브랜스뿐이다. 이외에 연속적인 측정은 노 밖에서 부생가스성분만을 측정하는 가스분석기뿐이다. 또한 반응시 노내의 반응메카니즘이 매우 복잡하며 슬래그의 변화되어지는 현상, 랜스 높이, 산소유량결정등 명확하게 구명하기 어려운 인자들이 조업에 큰 영향을 미치고 있다. 종래의 방법에 있어서는 이러한 정성적인 인자들로 인한 조업오차를 대처하는데 어려움이 있었다. 과거의 연속채취 에이타를 이용하여 약 20여조업에 대하여 용강온도 및 각 성분간의 농도 분포를 비교한 제 4 도∼제 7 도에 나타나는 바와 같이 각 조업에 따라 성분 면화는 크게 달라 매우 불규칙적인 분포를 보인다. 따라서 수식모델에 의한 방법은 제 4 도의 탄소와 제 5 도의 용강온도의 경우에 조업시마다 모델계수를 구해주어야 하며 구한 계수값은 그 조업에 적용되는 것이 아니라 다음에 사용할 조업중 그와 비슷한 조건을 갖는 공정에 적용하게 되는 문제점이 되고 제 6 도의 망간과 제 7 도의 인의 경우에는 공정 중반기쯤에 환원 반응이 지배적인 현상을 보임으로 매우 복잡한 화학반응 형태를 갖게 된다. 따라서 이에 대한 수식모델은 적용하지 못하고 있는 실정이다. 또한 온도와 탄소 성분의 경우 보정된 계수값을 적용하여도 잘 맞지 않으므로 공정 중반기쯤 서브랜스를 투입하여 온도와 탄소성분함량을 측정하여 측정값을 바탕으로 조업이 끝나는 시점까지 재 계산하게 된다. 수식 모델 사용시 가장 큰 문제점은 전로내 반응성분들이 반응을 일으킬 때 서로 복잡하게 얽혀 있는데 반하여 노내 상황을 자세히 밝힐 수 없기 때문에 많은 편차를 나타내는 것이다. 종래방법의 두번째 방법인 가스분석기를 이용한 배가스 분석방법은 가스(일산화탄소, 이산화탄소)의 성분만을 측정하여 예측하기 때문에 탄소에 대하여 성분변화를 추정할 수 있으나 온도에 대하여는 큰 편차를 보이고 있고, 다른 성분들에 대하여는 전혀 고려하지 못하는 문제가 있다.The characteristics of the converter process is a black box type process, and it is impossible to grasp the situation in the furnace during operation. However, the information in the furnace is only a sub-lance measuring the molten iron temperature past the middle of the process as a single real-time measuring device. The only continuous measurement is a gas analyzer that measures only off-gas components outside the furnace. In addition, the reaction mechanism in the furnace is very complicated during the reaction, and factors that are difficult to clearly explain, such as the change of slag, the lance height, and the oxygen flow rate, have a great influence on the operation. In the conventional method, it is difficult to cope with the operation error caused by these qualitative factors. As shown in FIGS. 4 to 7 comparing the molten steel temperature and the concentration distribution between each component for about 20 operations using the continuous harvesting data of the past, the component cotton varies greatly according to each operation. see. Therefore, in the case of the carbon of FIG. 4 and the molten steel temperature of FIG. 5, the method by the mathematical model should obtain the model coefficient for each operation, and the coefficient value obtained is not applied to the operation but has similar conditions during the next operation. In the case of manganese of FIG. 6 and phosphorus of FIG. 7, the reduction reaction is dominant in the middle of the process, and thus, a very complex chemical reaction form is applied. Therefore, the mathematical model does not apply to this situation. In addition, the temperature and carbon components do not fit well even if the corrected coefficients are applied, so a sub-lance is put in the middle of the process to measure the temperature and carbon content and recalculate until the end of the operation based on the measured values. The biggest problem in using the mathematical model is that the reactive components in the converter are intricately intertwined with each other when they react. The flue gas analysis method using the gas analyzer, which is the second method of the conventional method, estimates the component change with respect to carbon because only the components of gas (carbon monoxide, carbon dioxide) are predicted, but shows a large deviation with respect to temperature, and other components. There is a problem that cannot be considered at all.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같이 전로공정에 내재하는 상호 복잡히 얽힌 반응 상황들에 관계없이 센서에 의존하지 않고 전로조없의 주요 목표인 용강온도 및 탄소성분 함량은 물론 인, 망간 등의 반응시간에 따른 성분변화를 일괄처리할 수 있고 수식모델시 규명할 수 없는 요인들로 인하여 조업상황에 영향을 끼쳤던 문제들 및 다양한 조업조건들까지도 해결할 수 있는 인공신경회로망을 이용한 용강온도 및 성분 변화 예측방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.Therefore, the present invention does not depend on the sensor, regardless of the interrelated reaction situations inherent in the converter process as described above, the reaction time of phosphorus, manganese, etc. Method of predicting molten steel temperature and component change using artificial neural network that can batch process the component change according to the system and solve the problems that affected the operation situation and various operating conditions due to factors that cannot be identified in the mathematical model It is intended to provide a purpose.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 전로조업시 신경회로망을 이용하여 용강온도 및 성분변화를 예측하는 방법에 있어서, 전로조업시의 조업초기에 측정될 수 있는 조업조건들로 입력항을 구성한 입력층과, 중간층과, 조업시간에 따른 용강의 온도 및 성분값을 나타내는 복수의 출력항이 행렬구조로 이루어진 출력층을 구비한 신경회로망에 연속 채취데이타의 초기 조업조건 및 인자들을 입력하여 조업시간에 따른 용강온도 및 각 성분들의 값을 구하는 단계와, 상기 신경회로망에 입력된 초기조업조건 및 인자들에 대한 연속 채취데이타의 실적치를 상기 단계의 인공신경회로망의 출력층의 각각의 출력항에 나타난 측정치와 비교하여 그 오차가 허용오차범위에 오도록 가중치를 통상의 방법으로 학습시키고, 상기 단계를 반복실행하여 각 출력항의 오차의 합이 허용범위내에 들어왔을 때의 가중치를 세팅시킨 후 학습을 종료하는 단계와, 상기와 같이 학습되어진 인공신경회로망에 전로조업시의 초기조업조건을 입력하여 용강온도 및 성분변화를 예측하는 단계를 포함하여 구성되는 인공신경회로망을 이용한 용강온도 및 성분변화 예측방법에 관한 것이다.The present invention is a method for predicting the molten steel temperature and component changes using the neural network during the converter operation, the input layer consisting of the operating conditions that can be measured at the beginning of the converter operation, the intermediate layer, and the operation A plurality of output terms representing temperature and component values of molten steel over time are inputted to the neural network having an output layer consisting of a matrix structure to input the initial operating conditions and factors of continuous sampling data to obtain the molten steel temperature and the value of each component according to the operating time. And the results of continuous sampling data for the initial operating conditions and the factors inputted to the neural network are compared with the measured values shown in the respective output terms of the output layer of the artificial neural network in the step, and the error is in the tolerance range. The weights are trained in the usual way, and the above steps are repeated so that the sum of the errors of each output term is within the allowable range. Ending the learning after setting the weight when coming in, and inputting the initial operating conditions of the converter operation in the artificial neural network learned as described above, including the step of predicting the molten steel temperature and component changes The present invention relates to a method for predicting molten steel temperature and component change using neural networks.

본 발명은 기존의 예측방법과 같이 개가스 분석기나 서브랜스(sublance)의 실시간 측정치에 의하지 않고 과거조업실적으로 축적되어진 연속채취테이타(continuous sampling data)를 바탕으로 하여 최근 수년간 신 제어기술로서 크게 각광을 받고 있는 인공신경회로망(Neural Network)기법을 적용하여 조업시 주요 반응성분들 및 용강(철) 온도의 변화을 예측하는 것으로써, 제 1 도 ∼ 제 3 도를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.The present invention stands out as a new control technology in recent years based on continuous sampling data accumulated in the past, not based on a real-time measurement of an open gas analyzer or a sublance like a conventional prediction method. By applying the Neural Network (Neural Network) technique that is receiving the predicted changes in the major reactive components and molten steel (iron) temperature during operation, it will be described in detail with reference to Figures 1 to 3 as follows.

제 1 도는 본 발명에 있어서 전로공정에 대하여 인공신경회로망을 이용하여 학습한 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 전로조업시 중요한 조업인자 및 조건을 나타내는 노체의 연령, 용선량, 취련패턴등의 주요 항목들(바람직하게는 13개 항목)이 매조업시 인공신경회로망(Ⅱ)에 입력된다.Figure 1 shows a block diagram learned using the artificial neural network for the converter process in the present invention. Key items (preferably 13 items) such as age, charter dose, and blowing pattern, which represent important operating factors and conditions in the converter operation, are input into the artificial neural network (II) during each operation.

그리고, 상기 주요항목들은 전로공정(Ⅳ)에서의 과거의 조업자료(연속채취테이타)들의 초기 조업 조건 및 인자들이 된다.In addition, the main items become initial operating conditions and factors of past operating materials (continuous collection data) in the converter process (IV).

즉, 목적하는 취련중의 용강온도 및 성분들의 면화값들(Ⅵ)은 각 조업에 따라 과저 연속채취테이타(Ⅵ)로부터 실적값으로써 얻어진다.In other words, the molten steel temperature and the cotton values (VI) of the components during the desired blowing are obtained as performance values from the under-low continuous sampling data (VI) according to each operation.

인공신경회로망(Ⅱ)는 상기 연속채취데이타(Ⅳ)로부터 실적값을 얻을 때의 조업과 동일한 조업에 해당되는 주요항목 데이타를 입력받아 가중치(weight)를 조정하여 목표로 하는 용강온도 및 성분변화를 구하게 되며, 이렇게 구한 출력값(Ⅲ)이 실조업 자료(Ⅵ)와 비교하여 허용오차법위 내에 들도록 가중치를 학습시킨다. n(단, n 회수는 임의로 정할 수 있다)번째 조업까지 학습시켰을 때 오차의 합이 허용오차 범위 내에 들어왔을 때 학습을 끝내고 이때 최종적으로 학습되어진 인공신경회로망을 이용하여 학습시 적용시키지 않은 새로운 조업에 적용함으로써 일반화 된다.The artificial neural network (II) receives the main item data corresponding to the same operation as the operation when obtaining the performance value from the continuous sampling data (IV) and adjusts the weight to adjust the target molten steel temperature and component change. The weights are trained so that the output value (III) thus obtained falls within the tolerance method compared with the actual industrial data (VI). When learning up to the nth operation, when the sum of the errors falls within the tolerance range, the learning is finished. At this time, the new operation is not applied in the training using the artificial neural network. It is generalized by applying to.

제 2 도는 제 1 도의 신경회로망(Ⅱ) 부분의 일례를 구체적으로 나타낸 구조도이다.FIG. 2 is a structural diagram specifically showing an example of the neural network (II) part of FIG.

본 발명을 위하여 적용된 구조는 입력층(1)과 2개의 중간층(2)(3) 그리고 출력층(4)으로 이루어져 있다. 입력층(1)에는 전로조업시 초기에 고려하여야 할 조업조건들과 바이어스항을 포함하여 13개의 노드 (Node)로 구성하고, 이때 각 항목은 단위가 서로 다르고 수치도 서로 크게 다르므로(예를들면, 용선량은 300ton이고, 용강온도는 1300℃ 등), 이들을 각각 다음과 같은 식을 이용하여 0∼1 사이로 정규화하여서(Normalization)입력항을 계산한다. Xi = (Data - min(Data)) / (max(Data) - min(Data)), 여기서 Xi는 i항의 정규화된 값을 나타내고, Data는 정규화되지 않은 실제입력값을 말하며 max(Data), min(Data)는 각각 Data의 최대, 최소치를 나타낸다. 본 발명에 적용한 인공회로망 기법은 지도학습방법중 역전파회로망(Back - Propagation Neural Network)이다. 이에 대한 원리를 제 2 도를 통하여 간단히 설명하면 다음과 같다. 정규화시킨 입력항(1)을 초기에 무작위로 설정한(random) 가중치(weight)와 곱하여 합한 값들을 제 1 중간층(2)의 각 노드 N1 1, N2 1… Nj1에 나타낸다. 즉, Nj1= ∑xw 이와 같이 제 1 중간층 각 노드에서 계산되어진 값들은 활성화함수를 통하여 제 2 중간층(3)의 입력항들이 된다.The structure applied for the present invention consists of an input layer 1, two intermediate layers 2, 3 and an output layer 4. The input layer 1 is composed of 13 nodes including operating conditions and bias terms to be considered in the initial operation of the converter.In this case, each item has a different unit and a significantly different value (for example, For example, the molten iron dose is 300 tons, the molten steel temperature is 1300 ° C.), and the input terms are calculated by normalizing them to 0 to 1 using the following equations, respectively. Xi = (Data-min (Data)) / (max (Data)-min (Data)), where Xi represents the normalized value of i term, Data refers to the unnormalized actual input value, max (Data), min (Data) represents the maximum and minimum values of Data, respectively. The artificial network technique applied to the present invention is a back-propagation neural network. The principle of this is briefly described with reference to FIG. 2 as follows. The normalized input term (1) is multiplied by a random weight initially set and summed to sum the nodes N 1 1 , N 2 1 ... Shown in Nj 1 . That is, Nj 1 =? Xw. The values calculated at each node of the first intermediate layer are input terms of the second intermediate layer 3 through the activation function.

f(N2) = 1 / (1+ exp[-∑xw])f (N 2 ) = 1 / (1+ exp [-∑xw])

이를 시그모이드 함수(sigmoid)라고 부른다. 다음 단계로 제 2 중간층(3)의 각 노드에서의 값들은 다음과 같이 구하여진다.This is called the sigmoid function (sigmoid). In the next step, the values at each node of the second intermediate layer 3 are obtained as follows.

N2= ∑f(N1)w, (k=1,2,3,…)N 2 = ∑f (N 1 ) w, (k = 1,2,3,…)

제 2 중간층(3)에서 구하여진 N2는 다시 활성화 함수를 통하여 출력층에 대한 입력항의 역할을 한다.N 2 obtained from the second intermediate layer 3 serves as an input term to the output layer through the activation function.

f(Nj1) = 1 / (1+ exp[-∑f(N1)w])f (Nj 1 ) = 1 / (1+ exp [-∑f (N 1 ) w])

위의 활성화 함수와 출력층(4)간의 가중치와의 곱으로 출력층 각 노드에서는 다음과 같은 값은 산출한다.By multiplying the above activation function and the weight between the output layer 4, the following values are calculated at each node of the output layer.

N = ∑f(N2)w (m = 1,2, …… m, n = 1,2, …… n)N = ∑f (N 2 ) w (m = 1,2, …… m, n = 1,2, …… n)

최종 출력값은 다음과 같이 활성화 함수를 통하여 나타낸다.The final output value is represented by the activation function as follows.

Y = 1 / (1+ exp[-∑f(N1)w])Y = 1 / (1+ exp [-∑f (N 1 ) w])

위의 출력값을 학습시 적용한 n번째 조업까지 모두 구한후 제 1 도의 오차(V)항에서 과거 연속채취데이타 실적치와 비교하여 각 출력 노드에서의 오차값들을 합한 것의 제곱(RMS error)이 허용범위내에 들도록 제 2 도의 가중치 W^(압력층과 제 2 중간층 상의 가중치) (5), W^(제 1 중간층과 제 2 중간층 사이의 가중치) (7), W^^(9)를 계속 조정해 나가는 방법이다. 이 가중치들을 조절해 나가는 방법중 본 발명에 적용한 것은 관성계수(momentu)를 포함한 GDR(General Delta Rule)이다. GDR은 일반적인 최적화기법중 주어진 함수의 미분으로 기울기(gradient)를 통하여 최적점을 찾아나가는 방법중의 하나를 적용한 것이다. 또한 최적점을 보다 빨리 그리고 정확하게 구하기 위하여 함수의 미분항에다 관성계수라고 하는 전단계의 함수값을 더하여 준다. 인공신경회로망에서는 또한 함수의 미분치의 기울기앞에 붙는 계수를 학습률이라고(Learning Rate)한다.After calculating all the above output values to the nth operation applied in learning, the squared error (RMS error) of the sum of the error values at each output node in the error (V) term of Fig. 1 compared with the past continuous data collection results. Continue to adjust the weights W ^ (weight on the pressure layer and the second intermediate layer) (5), W ^ (weight between the first and second intermediate layers) (7) and W ^^ (9) in FIG. Way. Among the methods for adjusting these weights, the present invention is applied to a general delta rule (GDR) including a momentu. GDR is one of the general optimization techniques that finds the optimal point by gradient with the derivative of a given function. Also, to find the optimal point more quickly and accurately, we add the derivative of the function called the inertia coefficient to the derivative term of the function. In neural networks, the coefficient that precedes the slope of the derivative of the function is also called the learning rate.

제 2 도에서, 부호 6은 제 1 중간층에서의 j개의 노드, 8은 제 2 중간층에서의 4개의 노드, 10은 출력층에서의 m×n개의 노드를 나타낸다.In Fig. 2, reference numeral 6 denotes j nodes in the first intermediate layer, 8 denotes 4 nodes in the second intermediate layer, and 10 denotes m x n nodes in the output layer.

오차 조절방법은 다음과 같은 원리로 이루어진다.The error control method is based on the following principle.

1. 입력 벡터(X1= X1, X2, X3, …… X)를 입력층의 13개의 처리 소자에 적용한다.1. An input vector (X 1 = X 1 , X 2 , X 3 ,... X) is applied to 13 processing elements of the input layer.

2. 중간층의 각 처리 소자의 결합 함수의 출력값인 N1, N2를 계산한다.2. Calculate N 1 , N 2 , the output of the coupling function of each processing element in the intermediate layer.

3. 중간층의 각 처리 소자의 전달 함수(활성화 함수)를 계산하여 각 처리 소자의 출력을 결정한다.3. Determine the output of each processing element by calculating the transfer function (activation function) of each processing element in the intermediate layer.

4. 출력층에서 각 처리 소자의 결합함수 출력인 N를 계산한다.4. Calculate N, the coupling function output of each processing element, in the output layer.

5. 출력층의 각 처리 소자의 전달 함수를 계산하여 각 처리 소자의 출력을 결정한다.5. Determine the output of each processing element by calculating the transfer function of each processing element in the output layer.

6. 출력층의 각 처리 소자의 출력과 실적치의 오차를 계산하여 오차항을 결정한다.6. The error term is determined by calculating the error between the output and the performance value of each processing element of the output layer.

7. 중간층 1과 2에서의 오차항을 계산한다.7. Calculate the error term in the middle layers 1 and 2.

8. 관성계수(momentum)을 포함한 출력층의 연결강도를 조절하고 이어서 중간층의 연결강도를 조절한다.(update weights and bias)8. Adjust the connection strength of the output layer including the momentum and then the connection strength of the intermediate layer (update weights and bias).

9. 출력합 오차가 허용범위내에 들도록 학습횟수를 반복시행한다.9. Repeat the number of learnings so that the output sum error is within the allowable range.

제 1 도에서 학습데이타로 적용한 연속채취데이타는 기존이 제철소 전로 조업시 조업 예측고델에서 전혀 적용되지 못하였을 뿐만 아니라 기존에 인공신경회로망에서 적용하지 않았던 학습 데이타로써 제철소의 전로공정값은 블랙박스 형태의 공정시 시간에 따른 공정의 변화를 추정하고자 할때 적용되어지는 독특한 방법이라 할 수 있다. 전로공정에서 말하는 연속채취데이타란 일반적인 의미와는 다른 개념을 포함하고 있다. 즉, 조업중 조업자들이 서브랜스를 이용하여 한 공정에 대하여 최대 6∼7회의 샘플을 채취하여 조업이 끝난 후에 각 시간에 따른 성분들을 분석하기 때문에 샘플을 채취하는 조업에는 바로 적용하지 못하고 있다. 따라서 지금까지 연속채취데이타로는 실시간대에서 조업을 예측하여 지원하는 역할을 할 수가 없었고 다만 실적자료로서 조업조건에 따라서 공정시 조업온도 및 각 성분들의 변화 경향을 파악하는 역할을 하고 있었다. 제 4 도 ∼ 제 7 도는 본 발명에 학습데이타로 적용하기 위한 과거 조업실적인 연속채취데이타의 일례로서 20여회의 조업을 통하여 나타난 각 성분별 분포도를 나타내는데, 제 4도 ∼ 제 7 도에 나타난 바와 같이 일반적인 정형성을 구현하기 매우 어려운 형태임을 보여주고 있다.The continuous sampling data applied as the learning data in FIG. 1 was not applied to the operation prediction Goddel at the time of the steelworks converter operation, and the training process value of the steelworks was the black box type as the learning data that was not previously applied in the artificial neural network. This is a unique method that can be used to estimate the change of process over time. In the converter process, the continuous collection data contains a concept that is different from the general meaning. That is, during operation, operators take up to 6 to 7 samples for a process using sub lances and analyze the components according to each time after the operation is completed. Therefore, until now, continuous sampling data could not play a role in predicting and supporting operations in real time, but as a performance data, it was able to grasp changes in operating temperature and changes of each component during processing according to operating conditions. 4 to 7 show distribution charts for each component as a result of more than 20 operations as an example of continuous operation data of past operations for applying as learning data to the present invention, as shown in FIGS. 4 to 7. Likewise, it shows that it is a very difficult form to implement general stereotypes.

제 4 도는 취련시간에 따른 탄소함량변화를 나타내고, 제 5 도는 취련시간에 따른 용강온도 변화를 나타내고, 제 6 도는 취련 시간에 따른 망간 함량 변화를 나타내고, 제 7 도는 취련시간에 따른 인 함량변화를 나타낸다.4 shows changes in carbon content according to blowing time, FIG. 5 shows changes in molten steel temperature according to blowing time, FIG. 6 shows changes in manganese content according to blowing time, and FIG. 7 shows changes in phosphorus content according to blowing time. Indicates.

따라서 이와같은 블랙박스 형태의 공정특성을 보이는 조업의 예측에 대한 학습은 일반적으로 실시간상에서 적용하고 있는 인공신경회로망의 학습데이타와는 크게 다른 특징으로 보인다.Therefore, the learning about the prediction of the operation that shows the process characteristics of the black box type seems to be very different from the learning data of the artificial neural network which is generally applied in real time.

또한, 제 1 도의 출력(Ⅲ)부분에 있어서도 기존의 전로공정에서 적용할 수 없었던 항들을 제시하였으며 기존의 인공신경회로망과는 다른 구조로 개발하였다.In addition, in the output (III) part of FIG. 1, the terms that were not applicable in the existing converter process were presented and developed in a structure different from the existing artificial neural network.

종래의 전로조업 예측은 전로공정의 복합적인 물리적, 화학적 현상으로 많은 가정과 단순화에 따른 수식모델에 의존하였으므로 다소 불합리한 점이 있었고 또한 탄소와 온도이외의 성분들은 정형성의 구현이 매우 어려우므로 예측모델을 적용하지 못하였다(제 4 도∼제 7 도 참조). 본 발명에서는 이미 학습시킬 때 중요한 초기조건들과 조업조건들을 입력항에 설정하고, 이에 따른 학습결과로 출력항에 각 시간에 따른 성분들을 구하기 때문에 매 조업마다 고려하여야 할 상황과 수식모델에서 가정하여야 할 문제들이 전혀 필요없게 된다. 또한 일반적인 신경회로망 구조는 실시간에 적용할 경우 시간항을 입력항에 놓음으로써 실시간에 따른 센서의 연속적인 입력으로 기능을 수행하게 되나 실시간상에서의 센서의 연속측정이 불가능한 공정특성과 함께 회분석 조업(Batch Process) 특성을 갖는 전로공정에서 시간항을 출력층에 놓음으로써 각 시간에 따른 성분 및 온도변화를 추정할 수 있을 뿐 아니라 최적 조업시간도 산출할 수 있는 특성을 갖게 된다.Conventional converter operation prediction is a complex physical and chemical phenomena of the converter process, and it is somewhat unreasonable because it depends on a mathematical model based on many assumptions and simplifications. Also, the components other than carbon and temperature are very difficult to form, and therefore, the prediction model is not applied. (See FIGS. 4-7). In the present invention, since the initial conditions and operating conditions which are important for learning are already set in the input term and the components according to each time are obtained in the output term as a result of the learning, the conditions and the mathematical model to be considered in each operation should be assumed. There are no problems to do. In addition, the general neural network structure functions as a continuous input of the sensor according to the real time by putting the time term in the input term when applied in real time, but with the process characteristic that continuous measurement of the sensor cannot be performed in real time. Batch Process) In the converter process, the time term is placed on the output layer, which not only makes it possible to estimate components and temperature changes over time, but also to calculate the optimum operating time.

제 3 도는 본 발명에 적용한 인공신경회로망의 흐름도의 일례를 나타내는 것으로써, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.3 shows an example of a flowchart of an artificial neural network applied to the present invention, which will be described in detail as follows.

변수선언 및 초기치설정(10)에서는 프로그렘에서 사용하게 되는 지역변수, 전역변수들을 설정하고, 초기치들과 정규화를 위하여 입력항과 출력항에 대한 최대, 최소치를 설정한다. 데이타 입력(20)에서 과거실적 조업테이타(연속채취데이타)를 입력하게 되고, 이때 각 조업시 입력항도 함께 입력한다. 연속채취데이타는 제 4 도∼ 제 7 도에서 나타나는 바와 같이 각 공정시간에 따른 탄소, 온도, 망간, 인 성분들의 실적치들이 되며 학습되어지는 조업이 많으면 많을수록 정확한 값을 추정하게 된다. 초기가중치 설정(30)은 처음 입력항과 계산되어지는 각 층에서의 가중치의 초기값들은 난수함수(random function)를 이용하여 설정한다. 중간층에서의 출력계산(40)은 앞에서 언급한 인공신경회로망의 원리에 따라 제 1 중간층, 제 2 중간층의 각 노드에서의 값들을 입력치와 가중치 그리고 활성화 함수를 이용하여 산출한다. 출력중에서의 출력값 산출(50)에서는 총 15개의 노드에서 세 시점(시간)에서의 탄소, 온도, 망간, 인 성분들의 값들이 출력되는데, 시점의 계산도 인공신경회로망에서 계산함으로 매조업마다 출력되어지는 시점이 틀리게 나타나게 되며 또한 충분히 많은 학습데이타가 있으면 시점을 늘려서 출력할 수 있게 된다(즉 매분 조업예측을 할 수도 있다). 마지막 조업데이타를 판단(60)하는 것은 학습되어지는 조업을 모드 학습시켰느가를 판별하게 된다.In the variable declaration and initial value setting 10, local and global variables used in the program are set, and maximum and minimum values for the input and output terms are set for initial values and normalization. In the data input 20, the past performance operation data (continuous collection data) is input, and at this time, an input term is also input during each operation. As shown in FIGS. 4 to 7, the continuous sampling data are results of carbon, temperature, manganese, and phosphorus components according to each process time, and the more the operation learned, the more accurate the estimation is made. The initial weight value setting 30 sets initial values of weights in the first input term and each layer to be calculated using a random function. The output calculation 40 in the intermediate layer calculates the values at each node of the first intermediate layer and the second intermediate layer using input values, weights, and activation functions according to the principles of the neural network described above. In the output value calculation 50 during output, the values of carbon, temperature, manganese, and phosphorus at three time points are output at a total of 15 nodes, and the time point is also calculated by the artificial neural network. The point of view will be wrong, and if there is enough learning data, you will be able to increase the point of view and print it out (that is, you can make a forecast every minute). The judging 60 of the last operation data determines whether the operation to be learned is mode-learned.

출력할 편차(70)는 모두 학습시킨 조업에서의 출력값들과 실적치들과의 편차의 총합이 오차허용범위인 0.0002내에 들었는가를 판별하게 되고 오차허용범위내에 들지 않았을 경우에는 출력층에서의 가중치 조정(80)으로 가서 최적화 기법을(GDR) 통하여 출력층과 제 2 중간층에 연결된 가중치를 조절한다. 같은 원리로 제 2 중간층에서의 가중치 조정(90)은 제 2 중간층과 제 1 중간층 사이에 연결된 가중치들을 제 1 중간층에서의 가중치 조정은(100)은 제 1 중간층과 입력층 사이에 연결된 가중치들을 오차범위내에 들도록 조정하게 된다. 이러한 반복학습을 시행한 후 출력합 편차(70)가 오차허용범위내에 들었을 경우 학습이 끝나게 되며 이때 결과적으로 각 노드에서 고정된 가중치 값들을 출력(110)함으로써 학습에 적용하지 않았던 새로운 조업에 적용하여 일반화시킨다.The deviation 70 to be output determines whether the sum of the deviations between the output values and the performance values in the trained operation falls within the 0.0002 error tolerance range. If the deviation 70 does not fall within the error tolerance range, the weight adjustment in the output layer ( 80) and adjust the weights connected to the output layer and the second intermediate layer through an optimization technique (GDR). In the same principle, the weight adjustment 90 in the second middle layer is performed by weights connected between the second middle layer and the first middle layer, and the weight adjustment in the first middle layer is 100 by weights connected between the first middle layer and the input layer. Will be adjusted to fall within range. After this iterative learning, if the output sum deviation (70) falls within the tolerance range, the learning ends.As a result, the fixed weight values at each node are output (110) and applied to a new operation that was not applied to the learning. Generalize

본 발명에 있어서 이러한 과거의 연속데이타와 그때의 조업조건, 그리고 구하고자하는 목표값을 인공신경회로망을 이용하여 학습시키고, 학습시킨 후 고정된 가중치 값을 이용하여 학습되지 않은 새로운 조업에 적용시켜 일반화한다. 인공신경회로망 기법은 지도학습 방법중(Supervised Learning)에서 널리 알려진 역전파회로망(Back-Propagation)을 적용하고 학습 방법은 관성계수(momentum)을 이용한 GDR(Generalized Delta Rule)이다. 제 2 도는 본 발명에서의 인공신경회로망의 구조도이다. 학습후 실조업에 적용할 수 있도록 하기 위하여 입력층 노드는 실시간으로 조업자가 기재할 수 있는 자료와 초기 조업조건들이 들어가며 출력층 노드는 조업온도와 각 성분(탄소, 인, 망간)의 함량 및 그때의 시간이 기술된다.In the present invention, the past continuous data, the operating conditions and the desired target values are learned by using an artificial neural network, and after learning, they are applied to a new untrained operation by using a fixed weight value. do. The artificial neural network technique uses the back-propagation network, which is widely known in supervised learning, and the learning method is a generalized delta rule (GDR) using an inertia coefficient. 2 is a structural diagram of an artificial neural network in the present invention. In order to be able to apply to real industry after learning, the input layer node contains the data and initial operating conditions that can be written by the operator in real time, and the output layer node contains the operating temperature, the content of each component (carbon, phosphorus, manganese) and Time is described.

또한 본 발명에 적용하고 있는 인공신경회로망의 구조도 기존에 없는 새로운 방법으로 개발하여 채택한 것이다. 즉, 공정의 등특성을 규명하기 위하여는 시간항이 반드시 들어가야 하는데 기존의 일반적인 인공신경회로망의 시간에 따른 예측은 주로 실시간 센서를 기반으로 하였으므로 시간항을 입력층에 넣어서 학습을 한다. 그러나 본 발명에 있어서는 회분식 조업(batch process)의 특성을 감안하여 시간항을 출력층에 넣음으로써 조업시간도 예측하도록 한다.In addition, the structure of the artificial neural network applied to the present invention is also developed and adopted in a new method that does not exist. In other words, in order to determine the isochronous characteristics of the process, a time term must be entered. Since the prediction over time of the existing general neural network is mainly based on a real-time sensor, the time term is put in the input layer to learn. However, in the present invention, the operation time is also predicted by putting the time term in the output layer in consideration of the characteristics of the batch process.

이하, 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

[실시예]EXAMPLE

과거의 8개 조업의 실적자료를 인공신경회로망으로 학습을 시킨 후 학습시키지 않은 두 조업에 대하여 적용하였다. 인공신경회로망 구조도인 제 2 도에서 보는 바와 같이 입력층과 중간층 2개 출력층에 세 시점에서의 온도 및 탄소, 망간, 인의 성분값을 출력하도록 하여 총 15개의 출력노드를 설정한다. 입력층에는 조업초기에 기재할 수 있는 조업조건들만으로 구성하여 전로 사용횟수, 산소 취련 패턴, 주 원료량(용선량), 용선비(HMR), 총 산소량, 스크랩, 부원료량, 초기온도, 냉각제량, 초기탄소 성분함량, 초기 망간 성분함량, 초기 인 성분 함량과 바이어스항을 포함하여 13개의 입력항을 설정하였다. 제 1 중간층에는 30개의 노드(node)를 설정하였고 제 2 중간층에는 25개의 노드를 설정하였다. 출력층에는 과거 8개 조업의 연속채취데이타를 바탕으로 매 조업에 있어서 공정중 세 시점에서 각각 채취한 온도, 탄소, 인, 망간 값을 설정하여 학습시켰다. 따라서 출력층은 세 시점에서 결과 값을 나타내지만 각 조업의 채취 시간은 다르므로 8개 조업의 채취시간이 똑같은 시간에 나타나지 않게 된다. 이에 대한 사항도 인공신경회로망에 학습시킴으로써 시간항도 출력하도록 하였다. 초기가중치(weight)는 임의로(random) 주었고, 학습율(Learning rate)은 0.7로 하였고 관성계수(momentum)은 0.5로 하여 학습시켰다. 학습곡선도인 제 8 도에서와 같이, 이를 8000회까지 학습시켜서 총 오차의 합이 0.0002 이하가 되도록 하였다.The performance data of the past eight operations were applied to the two operations that were not learned after the training using the artificial neural network. As shown in FIG. 2, which is a structural diagram of an artificial neural network, a total of 15 output nodes are set by outputting temperature and carbon, manganese, and phosphorus component values at three time points to two output layers of an input layer and an intermediate layer. The input layer consists only of the operating conditions that can be described at the beginning of the operation, which includes the number of converters used, oxygen blowing pattern, main raw material amount (melting amount), molten iron ratio (HMR), total oxygen amount, scrap, secondary raw material amount, initial temperature, coolant amount. Thirteen input terms were set including the initial carbon content, initial manganese content, initial phosphorus content and bias terms. Thirty nodes were set in the first middle layer and 25 nodes were set in the second middle layer. The output layer was trained by setting the temperature, carbon, phosphorus and manganese values collected at three time points during each operation based on the continuous sampling data of the previous eight operations. Therefore, the output layer shows the result value at three time points, but the sampling time of each operation is different, so the sampling time of eight operations will not appear at the same time. Also, the time term was outputted by learning the neural network. The initial weights were randomized, the learning rate was 0.7, and the moment of inertia was 0.5. As shown in FIG. 8, the learning curve, up to 8000 lessons were made so that the total error sum was less than 0.0002.

8개 조업의 값들에 대하여 학습시킨 후 새로운 2개의 조업에 대하여 결과를 계산하여 일반화하였다. 한 조업에 있어서 예측하고자 성분들의 변화값을 세 시점에서 동시에 출력하여 각 성분별로 대별한 결과를 제 9 도에서 제 12 도에 나타내었다.After learning about the values of eight operations, the results were generalized by calculating the results for the two new operations. The change values of the components to be predicted in one operation are simultaneously output at three time points, and the results for each component are shown in FIGS. 9 to 12.

제 9 도는 취련시간에 따른 탄소함량 변화를, 제 10 도는 취련시간에 따른 용강온도를, 제 11 도는 취련시간에 따른 망간 함량변화를, 제 12 도는 취련시간에 따른 인함량 변화를 나타낸다.FIG. 9 shows the carbon content change according to the blowing time, FIG. 10 shows the molten steel temperature according to the blowing time, FIG. 11 shows the change of the manganese content according to the blowing time, and FIG. 12 shows the change of the phosphorus content according to the blowing time.

제 9 도에서, C1 - sample 첫번째 적용한 조업에서와 실제 데이타를 나타낸 것이고 C2 - sample은 두번째 적용한 실조업 데이타를 나타낸 것이며, 실선은 실제 데이타를 바탕으로 그린 곡선이고, C1 - neural, C2 - neural은 각각 처음과 두번째 조업에 대하여 인공신경회로망으로 계산한 결과 값을 나타낸 것이다. 또한, 제 10 도에서 제 12 도에 나타낸 표시들도 같은 의미를 갖는다. 제 9 도∼제 12 도에 나타난 바와 같이, 인공신경회로망을 적용하였을 때 모델계수의 보정이나 서브랜스 사용이 필요없이 한번의 초기 입력항(조업자들이 손쉽게 기재할 수 있는)만으로도 각 조업의 특성에 따라 잘 따라가는 경향성을 보여주고 있으며 또한 계산되어지는 시점도 각 조업에 따라 인공신경회로망에 의하여 자동적으로 처리되어지는 것을 알 수 있다.In FIG. 9, C1-sample represents actual data from the first applied operation and C2-sample represents actual data from the second applied, solid line is a curve drawn based on actual data, and C1-neural and C2-neural are The results are calculated by the neural network for the first and second operations, respectively. In addition, the indications shown in FIGS. 10 to 12 have the same meaning. As shown in Figs. 9 to 12, when the artificial neural network is applied, the characteristics of each operation can be achieved with only one initial input term (which can be easily written by the operators) without the need to correct the model coefficient or use the sublance. According to the experiments, the neural network is automatically processed according to each operation.

상술한 바와 같이, 본 발명은 공정중 서브랜스(sublance)에 의지하지 않고 과거실적자료인 연속채취테이타만 가지고도 용철중 탄소의 성분함량 및 온도변화를 예측할 수 있으며 또한 인, 망간등 조업조건 및 명확히 규명하기 어려운 인자들로 인하여 편차가 큰 성분들도 예측이 가능하고, 또한 병렬처리의 특성으로 인하여 목적으로 하는 값들이 여러개일지라도 동시에 값을 출력해 줄 수 있으므로 조업자에게 손쉽게 조업경향을 알려줄 수(guidance) 있고, 또한, 회분식조업으로서 조업시간을 예측할 수 있을 뿐만 아니라 이외에도 전로공정중 알고자 하는 성분들의 값들도(규소, 황 등) 학습자료만으로 충분히 예측할 수 있는 효과를 갖는 것이다.As described above, the present invention can predict the carbon content and the temperature change of carbon in the molten iron without having to rely on the sublance during the process, even with continuous data of historical data. Because of the factors that are difficult to identify clearly, the components with large deviations can be predicted, and because of the characteristics of parallel processing, even if several target values can be output at the same time, the operator can easily inform the operating trend. In addition, it is possible not only to predict the operating time as a batch operation, but also to have the effect of sufficiently predicting the values of components (silicon, sulfur, etc.) to be known during the conversion process.

Claims (2)

전로조업시 신경회로망을 이용하여 용강온도 및 성분변화를 예측하는 방법에 있어서, 전로조업시의 조업초기에 측정될 수 있는 조업조건들로 입력항을 구성한 입력층과, 중간층과, 조업시간에 따른 용강의 온도 및 성분값을 나타내는 복수의 출력항이 행렬구조로 이루어진 출력층을 구비한 신경회로망에 연속채취데이타의 초기 조업조건 및 인자들을 입력하여 조업시간에 따른 용강온도 및 각 성분들의 값을 구하는 단계와, 상기 신경회로망에 입력된 초기조업조건 및 인자들에 대한 연속채취데이타의 실적치를 상기 단계의 인공신경회로망의 출력층의 각각의 출력항에 나타난 측정치와 비교하여 그 오차가 허용오차범위에 오도록 가중치를 통상의 방법으로 학습시키고, 상기 단계를 반복실행하여 각 출력항의 오차의 합이 허용범위내에 들어왔을 때의 가중치를 세팅시킨 후 학습을 종료하는 단계화, 상기와 같이 학습되어진 인공신경회로망에 전로조업시의 초기조업조건을 입력하여 용강온도 및 성분변화를 예측하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 인공신경회로망을 이용한 용강온도 및 성분변화예측방법.A method for estimating molten steel temperature and component change using neural networks in converter operation, comprising an input layer, an intermediate layer, and an operation time depending on the operating time which can be measured at the beginning of the converter operation. Calculating the molten steel temperature and the values of the components according to the operation time by inputting the initial operating conditions and the factors of the continuous sampling data into a neural network having a plurality of output terms representing the temperature and the component values of the molten steel in a matrix structure; In addition, the performance values of the continuous operation data for the initial operating conditions and the factors inputted to the neural network are compared with the measurements shown in the respective output terms of the output layer of the artificial neural network in the step, and the weights are adjusted so that the error is within the tolerance range. When learning by the normal method and repeating the above steps, when the sum of the errors of each output term is within the allowable range Step of terminating the learning after setting the weight of the artificial nerve, characterized in that the step of predicting the molten steel temperature and component changes by inputting the initial operating conditions during the converter operation in the artificial neural network learned as described above Method of predicting molten steel temperature and component change using a network. 제 1 항에 있어서 상기 인공신경회로망의 입력층의 입력항은 전로사용횟수, 산소취련패턴, 주원료량(주용선량), 용선비(HMR), 총산소량, 스크랩, 부원료량, 초기온도, 냉각제량, 초기탄소성분함량, 초기망간성분함량, 초기인성분함량과 바이어스항을 포함한 13개의 입력항으로 이루어짐을 특징으로 하는 인공신경회로망을 이용한 용강온도 및 성분변화예측방법.The input port of the input layer of the artificial neural network according to claim 1, wherein the input term of the artificial neural network includes the frequency of converter use, oxygen blowing pattern, main raw material amount (main dose), molten iron ratio (HMR), total oxygen amount, scrap, secondary raw material amount, initial temperature, coolant amount. A method for predicting molten steel temperature and composition change using an artificial neural network, comprising 13 input terms including an initial carbon content, an initial manganese content, an initial phosphorus content and a bias term.
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