CN102230192A - 一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法 - Google Patents

一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法 Download PDF

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一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，用于铝电解生产过程中氧化铝加料量控制的氧化铝浓度信号的在线辨识方法。其特征在于其在线辨识过程是以极距为激励信号，通过槽电阻在极距调整过程中的响应信号辨识出氧化铝浓度。本发明的方法，具有辨识速度快，对槽况影响小等优势，可实现氧化铝下料的精确控制，能有效降低阳极效应系数，提高电流效率，实现电解槽的稳定运行，降低能耗。

Description

一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法
 技术领域
一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，用于铝电解生产过程中氧化铝加料量控制的氧化铝浓度信号的在线辨识方法。
背景技术
    由于铝电解槽具有非线性、时变性、大滞后性等特性，铝电解槽内部槽况十分复杂，处于高温、强腐蚀环境，强电场、强磁场、强热场相互干扰。目前可在线连续采集的信号只有槽电压和系列电流，由槽电压和系列电流计算得到的表观槽电阻信号是至今为止唯一能够在线获得的反映槽状态的信号。一些铝电解过程重要的状态参数，如电解质温度、氧化铝浓度等无法实现可靠的在线连续测量。
铝电解槽电解质中氧化铝的浓度是维持铝电解槽正常生产最重要的参数之一，直接用于控制铝电解槽氧化铝加料量，该信号的正确获得是铝电解过程氧化铝物料平衡的重要保证。
目前，铝电解控制系统所使用的氧化铝浓度辨识采用槽电阻变化率辨识法，是通过大幅度改变氧化铝的下料量，进而使氧化铝浓度上下漂移，就可以按照槽电阻与槽内氧化铝浓度关系曲线，根据对槽电阻相对于氧化铝浓度的斜率的估计，辨识出氧化铝浓度。
   采用该种方法进行氧化铝浓度辨识时，为了保证氧化铝浓度的估计精度，必须保证氧化铝加料量有足够大的变化，为此在氧化铝辨识的过程中将氧化铝下料分成正常加料、欠量加料、过量加料三个周期。该方法在一定程度上解决了氧化铝下料量和氧化铝浓度控制问题，但该氧化铝浓度辨识方法响应速度慢，具有较大的滞后性，辨识结果受电流、温度、分子比、噪声等干扰因素影响较大，辨识精度不高。并且由于下料量的大幅改变，造成了与氧化铝浓度有关的电解质的各种物化性质,如初晶温度、密度、粘度、电导率等也随氧化铝浓度而改变，直接或间接地影响到铝电解生产的稳定进行。
   此外实验室研究的氧化铝浓度辨识方法主要还有传感器法和频率响应法。传感器法即将电极直接插入电解质内，依据电极间电动势确定氧化铝含量，但传感器的寿命非常有限，不能实现氧化铝浓度的连续测量，无法用于铝电解槽控制系统；频率响应法即根据电解槽的容抗来估计氧化铝浓度，但是这种测量方法存在很大的误差，对等效电路选取要求很高，同时这种方法不适合复杂的工业环境，当电解参数发生变化时该等效电路就无法用于估计氧化铝浓度。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种辨识速度快，对槽况影响小，可有效实现对氧化铝下料的精确控制，有效降低阳极效应系数，提高电流效率，实现电解槽的稳定运行，降低能耗的铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于其在线辨识过程是以极距为激励信号，通过槽电阻在极距调整过程中的响应信号辨识出氧化铝浓度。
本发明的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的通过槽电阻在极距调整过程中的响应信号辨识出氧化铝浓度过程，是依据槽电阻与氧化铝浓度和极距的关系的数学模型辨识的，其槽电阻与氧化铝浓度和极距的关系的数学模型为
                                                                     
Figure 2011101650130100002DEST_PATH_IMAGE001
   
                     
式中R—槽电阻；C—氧化铝浓度；L—极距；t—时间；I—系列电流；E反—反电动势取值1.6-1.7；U槽—槽电压。
通过极距的阶跃输入dL和槽电压dV的响应输出数据，提取出氧化铝浓度C辨识的数学模型，
Figure 2011101650130100002DEST_PATH_IMAGE003
   （1）
式中常数k1、k2与电解槽工艺参数有关，需具体标定。
本发明的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的常数k1、k2为离线标定，移动阳极时，记录阳极移动距离dL和槽电阻跃变值dR，并对电解质取样，离线分析氧化铝浓度C，设第一次移动阳极时极移动距离为dL1，槽电阻跃变值为dR1，取样分析氧化铝浓度为C1，以此类推，第二次取样记极移动距离为dL2，槽电阻跃变值为dR2，取样分析氧化铝浓度为C2；则
   得到常数k1、k2值后，根据需要根据极距变化相对应的槽电阻响应数据，由公式（1）在线辨识电解质中氧化铝浓度。
本发明的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的△L值为0.1mm-10mm。
本发明的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的K1值与槽膛形状、电解质成分和电解质温度有关，需根据实际情况标定。
本发明的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的K2值约为-45～-60，与电解质成分有关，需根据实际情况标定。
   本发明的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的包括以下两个步骤：1）移动阳极，记录阳极移动距离dL和槽电阻跃变值dR，并对电解质取样，离线分析氧化铝浓度C，标定常数k1、k2；2）需要辨识电解质中氧化铝浓度时，移动阳极，根据极距变化相对应的槽电压响应数据，由公式（1）在线辨识电解质中氧化铝浓度。
本发明的方法，具有辨识速度快，对槽况影响小等优势，从而实现氧化铝下料的精确控制，不但可以降低阳极效应系数，实现电解槽的稳定运行，而且能有效的提高电流效率，降低能耗。
具体实施方式
一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其在线辨识过程是以极距为激励信号，通过槽电阻在极距调整过程中的响应信号辨识出氧化铝浓度。
实施例1
   在某铝厂200kA预焙铝电解系列中选取1#、2#电解槽进行氧化铝浓度辨识，每隔3个小时进行一次阳极提升，记录槽电压变化数据，辨识氧化铝浓度，并对电解质取样，分析电解质中氧化铝浓度。阳极移动约4mm，过程持续2分钟，记录△L1、△R1，电解质取样分析氧化铝浓度C1，恢复极距；一段时间后再次提升阳极约4mm，持续2分钟，记录△L2、△R2，电解质取样分析氧化铝浓度C2，恢复极距，并计算标定常数k1、k2。  1#槽记录结果：
△L1 △R1 C1 △L2 △R2 C2
0.4121cm 5.06×10-7Ω 3.08% 0.4803cm 5.89×10-7Ω 3.14%
则，1#槽
Figure 2011101650130100002DEST_PATH_IMAGE005
   待标定完成后每台槽进行7次实验，实验辨识结果与实际分析结果如表1、2所示。
表1 1#槽氧化铝浓度的辨识结果、分析结果及误差，%（质量百分比）
实验编号 C辨识 C分析 C误差
① 3.135 3.08 0.05
② 2.913 2.45 0.46
③ 2.797 2.48 0.31
④ 1.971 2.34 -0.37
⑤ 1.854 2.27 -0.42
⑥ 3.689 3.85 0.17
⑦ 3.855 3.67 0.26
   同样步骤对2#槽进行试验。
表2 2#槽氧化铝浓度的辨识结果、分析结果及误差
实验编号 C辨识 C分析 C误差
① 2.437 2.54 -0.11
② 3.186 3.66 -0.48
③ 3.163 3.47 -0.31
④ 3.096 2.67 0.42
⑤ 2.762 2.43 0.33
⑥ 2.071 2.33 -0.33
⑦ 2.311 2.15 0.16

Claims (7)

1.一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于其在线辨识过程是以极距为激励信号，通过槽电阻在极距调整过程中的响应信号辨识出氧化铝浓度。
2.根据权利要1所述的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的通过槽电阻在极距调整过程中的响应信号辨识出氧化铝浓度过程，是依据槽电阻与氧化铝浓度和极距的关系的数学模型辨识的，其槽电阻与氧化铝浓度和极距的关系的数学模型为
                                                
Figure 2011101650130100001DEST_PATH_IMAGE001
   
Figure 420437DEST_PATH_IMAGE002
式中R—槽电阻；C—氧化铝浓度；L—极距；t—时间；I—系列电流；E反—反电动势取值1.6-1.7V；U槽—槽电压。
通过极距的阶跃输入dL和槽电压dV的响应输出数据，提取出氧化铝浓度C辨识的数学模型，
   （1）
式中常数k1、k2与电解槽工艺参数有关，需具体标定。
3.根据权利要1所述的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的常数k1、k2为离线标定，移动阳极时，记录阳极移动距离dL和槽电阻跃变值dR，并对电解质取样，离线分析氧化铝浓度C，设第一次移动阳极时极移动距离为dL1，槽电阻跃变值为dR1，取样分析氧化铝浓度为C1，以此类推，第二次取样记极移动距离为dL2，槽电阻跃变值为dR2，取样分析氧化铝浓度为C2；则
Figure 619468DEST_PATH_IMAGE004
   得到常数k1、k2值后，根据需要根据极距变化相对应的槽电阻响应数据，由公式（1）在线辨识电解质中氧化铝浓度。
4.根据权利要求1所述的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的⊿L值为0.1mm-10mm。
5.根据权利要1所述的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的K1值与槽膛形状、电解质成分和电解质温度有关，需根据实际情况标定。
6.根据权利要1所述的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的K2值约为-45～-60，与电解质成分有关，需根据实际情况标定。
7.根据权利要1所述的一种铝电解槽内电解质中氧化铝浓度信号的在线辨识方法，其特征在于所述的包括以下两个步骤：1）移动阳极，记录阳极移动距离dL和槽电阻跃变值dR，并对电解质取样，离线分析氧化铝浓度C，标定常数k1、k2；2）需要辨识电解质中氧化铝浓度时，移动阳极，根据极距变化相对应的槽电压响应数据，由公式（1）在线辨识电解质中氧化铝浓度。
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