CN108486609A - 基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统及方法。本发明目的是为了解决现有技术无法有效精确控制铝电解槽双阳极或多个阳极的升降速率。本发明中的控制系统包括：供电模块、显示控制模块、位移传感模块、加速阀。本发明中的控制方法借助位移传感器采集阳极位置数据，采用卡尔曼滤波优化阳极的定位数据，结合同步启动或者停止阈值进行逻辑判断控制电磁阀实现精确控制双阳极或多个阳极的升降速率，达到同步平稳控制的效果。
Description
技术领域
本发明涉及自动化设备技术领域，更具体地，涉及一种基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统及方法。
背景技术
铝电解槽阳极升降是铝电解生产过程控制的核心部分，阳极升降安全可靠是电解槽对槽控系统最基本的要求。目前大型铝电解槽阳极升降普遍采用的方法是，软件中对阳极提升机的动作采用限时及电压高低禁止升降，硬件电路中还有可由软件动态跟踪监测的控制回路。
因槽控系统设计单位所采用的电器元件、控制原理、控制算法各异，阳极升降所实现的措施也存在很大的差别。阳极升降安全保护措施主要有：阳极母线限位保护、阳极升降定时、电压越限保护、信号检测板三项电源检测和交流接触器互锁保护等。其实现方式可归纳为软件+硬件结合方式、纯软件方式、纯硬件方式。
当阳极把槽内碳渣从电解槽取出时，碳渣的温度极高，若整体结构破坏掉落会导致十分严重的安全事故。当两个或多个阳极共同取出碳渣时，一方面要保持阳极升降控制的精准性，另一方面要达到阳极的升降速度同步从而保证碳渣的整体结构不被破坏。传统的阳极控制系统般是采用程序控制微处理器的一个输出口输出对应的信号，再经过硬件电路的处理（如整流滤波等等）输出一个高低电平信号来控制阳极升降，在此基础上，无论是加入硬件定时器保护还是加入软件防走死保护，都不能有效地精确控制双阳级或多个阳极的升降速率。因此，单靠软件和硬件电路去控制多个阳极同时升降是达不到要求的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足，提供一种基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统及方法，通过增加位移传感器实时获取双阳极的位置参数，并通过卡尔曼滤波进行参数修正，传送至控制单元进行判断通过加速阀控制铝电解槽的阳极升降，达到实现双阳极同步平稳的目的。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统，包括供电模块、显示控制模块、位移传感模块、加速阀；其中，
所述供电模块用于为系统提供电能，保证系统正常运行；
所述显示控制模块包括显示单元、数据处理模块单元、控制单元，所述显示单元包含主界面单元、密码输入界面单元、设置界面单元、标定界面单元，主界面单元用于显示位移传感器实时数据及数据处理模块获取数据，密码输入界面单元用于密码输入，设置界面单元用于显示及输入同步启动阈值与同步停止阈值，标定界面单元用于设定位移传感器模块位置数据的零点参考数据，数据处理单元用于通过卡尔曼滤波实现获取双阳极的定位信息；控制单元用于控制加速阀；
所述位移传感模块包括两个位移传感器，用于采集双阳极的实时位置参数；该位移传感模块通过总线与显示控制模块连接；
所述加速阀用于控制阳极的升速或者降速。
进一步地，所述总线为CAN类设备或者RS485设备，每个总线设备上设有网络配置接口装置，作为信号输入接口和信号输出接口，网络配置接口装置均通过接口连接器与总线链接。
一种在上述的铝电解槽双阳极平衡控制系统实现的控制方法，步骤如下：
S1开启供电模块，检测位移传感模块的识别码并对位移传感模块进行初始化设置；
S2接收显示控制模块输入的标定指令，对位移传感模块采样的位置数据进行零位标定；
S3利用位移传感模块获取阳极位置数据，传送至数据处理单元，通过卡尔曼滤波实现获取双阳极的定位信息；
S4结合双阳极的位置信息与同步启动/停止阈值关系获取控制信息传送至显示控制模块，显示控制模块通过控制加速阀调整阳极的升降速度实现双阳极同步平稳控制；
S5重复S3-S4所述过程，直至任务完成。
进一步地，所述步骤S2的具体过程如下：
接收标定指令时，当前采样获取的传感器位置数据被标定为零点参考位置保存，之后的阳极位置数据为采样获取的传感器位置数据减标定点的位置数据的结果。
进一步地，所述步骤S3的具体过程如下：
采用卡尔曼滤波进行阳极定位计算，首先建立卡尔曼滤波方程，方程表示为：
，
其中表示为系统基于t-1时刻的系统输出所作出的t时刻的输出预测值即，表示为t时刻系统的控制量其为系统当前的PWM输出与上一时刻PWM输出之差即，设定为40,系数B设定为50，系统输出初始值设为1800；
卡尔曼增益，为t时刻的阳极位置协方差最优值，其初始值设为10，其递归方式为；
系统测量值，为t时刻的测量值协方差值，其初始值设为10；
表示为协方差系数，设为常数1。
进一步地，所述步骤S4的具体过程如下：
当阳极的位置差大于同步启动阈值时，输出端输出开关量信号，通过加速阀调整阳极的升降速度，直到阳极的位置差小于同步停止阈值时，停止输出开关量信号。同步启动阈值与同步停止阈值通过显示控制模块自定义设置，其中，同步启动阈值设置范围为，同步停止阈值设置范围为。
本发明的有益效果是，借助位移传感器采集阳极位置数据，采用卡尔曼滤波降低设备本身、环境等诸多因素产生的干扰噪声影响，实现优化阳极的定位数据，结合同步启动或者停止阈值进行逻辑判断控制电磁阀实现精确控制双阳极或多个阳极的升降速率，达到同步平稳控制的效果。
附图说明
图1 基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统的电气控制示意图；
图中：11-阳极，12-阳极，21-位移传感器，22-位移传感器，31-加速阀，32-加速阀，4-控制显示模块
图2 基于卡尔曼滤波的优化阳极位置算法流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
本发明实施例的铝电解槽双阳极控制电气结构如图1所示。本发明的基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统，包括供电模块、显示控制模块4、位移传感模块21和22、加速阀31和32。所述的显示控制模块由含控制器和7寸大小的显示屏构成，在连接总线上配置位移传感器，用于实时获取阳极位置，再通过总线将位置数据传送至控制器，经过卡尔曼滤波方法获取精确的位置参数，结合位置参数与同步启动阈值或者同步停止阈值进行逻辑判断，控制对应的加速阀使阳极升速或者降速，从而平稳控制单个阳极和平衡控制两个或多个阳极。
所述总线设备为CAN类设备或者RS485设备，其中通讯波特率可以通过软件设置，终端有120Ω匹配电阻，在本实施例中，我们将RS485总线波特率设为9600bps，设8个数据位和一个停止位；CAN总线的波特率设为250Kbps，帧ID为0x12345678；显示屏采用的编译环境为CODESYS。
每个总线设备上设有网络配置接口装置，分别作为信号输入接口和信号输出接口，网络配置接口装置均通过接口连接器与总线链接。其中，位移传感器的数据是通过RS485总线传输的，而显示屏只开放了CAN总线，所以数据传输中途需要增加一个RS485转CAN的通信协议转换器，转换器型号为UT-2506，该转换器转换器支持 1200~115200bps 范围的 RS-232/RS-485 通讯速率，5Kbps~1Mbps 范围的 CAN-bus 通讯速率；转换器提供三种数据转换模式：透明转换、透明带标识转换、 Modbus 协议转换；支持 Modbus RTU协议。转换器提供有配置软件，用户可以灵活设置 UT-2506 转换器的运行参数。
所述显示控制模块的显示单元包含以下界面功能：
1.主界面功能
两位移传感器位置数据交替获取和计算刷新显示，位置差计算和刷新显示。本实施例设置间隔100ms获取一次位置数据，一个完整的位置数分两次读取，前50ms读低地址字位置数据，后50ms读高地址字位置数据。因此每1s可获取10个位置数据，每个传感器获取到5个点的位置数据。
2.密码输入界面功能
每次从主界面按键进入设置界面或标定界面都必须先通过密码输入界面。本实施例中默认密码设置123456，密码输入时，当前输入位数字标红显示，按左右移动键选择输入位，按上下移动键输入位数字在0~9之间来回循环滚动选择，按键防抖处理，每次有效按键定时在300~500ms之间。
3.设置界面功能
显示和设置同步启动阀值及同步停止阀值。本实施例中定义同步启动阀值在0.1mm~10.0mm之间可设，同步停止阀值在0.0mm~9.9mm之间可设。调整时遵循同步启动阀值必须大于同步停止阀值规则。
4.标定界面功能
标定界面实时刷新显示当前采样到的2个传感器位置数据，可正可负显示，当按下各自的零位标定按键时，相应点的位置数据被标定为零点参考位置保存。主界面对应阳极显示的位置数据为采样到的传感器位置数据减标定点的位置数据，介于标定点两侧的位置数据一边为正值一边为负值。
本发明实施例还提供一种基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统的控制方法，具体包含以下步骤：
S1初次上电，检测位移传感模块的识别码并对位移传感模块进行初始化设置；
S2接收显示控制模块输入的标定指令，对位移传感模块采样的位置数据进行零位标定；
S3利用位移传感模块获取阳极位置数据，传送至数据处理单元，通过卡尔曼滤波实现获取双阳极的定位信息；
S4结合双阳极的位置信息与同步启动/停止阈值关系获取控制信息传送至显示控制模块，显示控制模块通过控制加速阀调整阳极的升降速度实现双阳极同步平稳控制；
S5重复S3-S4所述过程，直至任务完成。
进一步地，所述步骤S2的具体过程如下：
接收标定指令时，当前采样获取的传感器位置数据被标定为零点参考位置保存，之后的阳极位置数据为采样获取的传感器位置数据减标定点的位置数据的结果。
进一步地，所述步骤S3算法流程图如图2所示，其具体过程如下：
采用卡尔曼滤波进行阳极定位计算，首先建立卡尔曼滤波方程，方程表示为：
，
其中表示为系统基于t-1时刻的系统输出所作出的t时刻的输出预测值即，表示为t时刻系统的控制量其为系统当前的PWM输出与上一时刻PWM输出之差即，设定为40,系数B设定为50，系统输出初始值设为1800；
卡尔曼增益，为t时刻的阳极位置协方差最优值，其初始值设为10，其递归方式为；
系统测量值，为t时刻的测量值协方差值，其初始值设为10；
表示为协方差系数，设为常数1。
进一步地，所述步骤S4的具体过程如下：
当阳极的位置差大于同步启动阈值时，输出端输出开关量信号，通过加速阀调整阳极的升降速度，直到阳极的位置差小于同步停止阈值时，停止输出开关量信号；当接收到平衡或者同步升降指令，进行阳极平衡升降控制；当接收到单独升降指令，进行单个阳极升降控制。同步启动阈值与同步停止阈值通过显示控制模块自定义设置，其中，同步启动阈值设置范围为，同步停止阈值设置范围为。
根据本发明实施例的基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统及方法，通过位移传感器实时监测双阳极的位置信息，传递至数据处理单元利用卡尔曼滤波方法优化位置参数，避免了监测过程的设备本身参数以及噪声干扰从而得到更精确的位置信息，控制单元以此进行判断并且输出信号控制加速阀工作，实现控制铝电解槽的阳极升降同步平稳。
Claims (6)
1.一种基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统，其特征在于，包括供电模块、显示控制模块、位移传感模块、加速阀；其中，
所述供电模块用于为系统提供电能，保证系统正常运行；
所述显示控制模块包括显示单元、数据处理模块单元、控制单元，显示单元包括主界面单元、密码输入界面单元、设置界面单元、标定界面单元，主界面单元用于显示位移传感器实时数据及数据处理模块获取数据，密码输入界面单元用于密码输入，设置界面单元用于显示及输入同步启动阈值与同步停止阈值，标定界面单元用于设定位移传感器模块位置数据的零点参考数据，数据处理单元用于通过卡尔曼滤波实现获取双阳极的定位信息；控制单元用于控制加速阀；
所述位移传感模块包括两个位移传感器，用于采集双阳极的实时位置参数；该位移传感模块通过总线与显示控制模块连接；
所述加速阀用于控制阳极的升速或者降速。
2.根据权利要求1所述基于卡尔曼滤波的铝电解槽双阳极平衡控制系统，其特征在于，所述总线为CAN类设备或者RS485设备，每个总线设备上设有网络配置接口装置，作为信号输入接口和信号输出接口，网络配置接口装置均通过接口连接器与总线链接。
3.一种基于权利要求1-2任一项所述系统的铝电解槽双阳极平衡控制方法，其特征在于：
S1开启供电模块，检测位移传感模块的识别码并对位移传感模块进行初始化设置；
S2接收显示控制模块输入的标定指令，对位移传感模块采样的位置数据进行零位标定；
S3利用位移传感模块获取阳极位置数据，传送至数据处理单元，通过卡尔曼滤波实现获取双阳极的定位信息；
S4结合双阳极的位置信息与同步启动/停止阈值关系获取控制信息传送至显示控制模块，显示控制模块通过控制加速阀调整阳极的升降速度实现双阳极同步平稳控制；
S5重复S3-S4所述过程，直至任务完成。
4.一种根据权利要求3所述的铝电解槽双阳极平衡控制方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程如下：
接收标定指令时，当前采样获取的传感器位置数据被标定为零点参考位置保存，之后的阳极位置数据为采样获取的传感器位置数据减标定点的位置数据的结果。
5.一种根据权利要求3所述的铝电解槽双阳极平衡控制方法，其特征在于，所述步骤S3的具体过程如下：
采用卡尔曼滤波进行阳极定位计算，首先建立卡尔曼滤波方程，方程表示为：
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其中表示为系统基于t-1时刻的系统输出所作出的t时刻的输出预测值即，表示为t时刻系统的控制量其为系统当前的PWM输出与上一时刻PWM输出之差即，设定为40,系数B设定为50，系统输出初始值设为1800；
卡尔曼增益，为t时刻的阳极位置协方差最优值，其初始值设为10，其递归方式为；
系统测量值，为t时刻的测量值协方差值，其初始值设为10；
表示为协方差系数，设为常数1。
6.一种根据权利要求3所述的铝电解槽双阳极平衡控制方法，其特征在于，所述步骤S4的具体过程如下：
当阳极的位置差大于同步启动阈值时，输出端输出开关量信号，通过加速阀调整阳极的升降速度，直到阳极的位置差小于同步停止阈值时，停止输出开关量信号；同步启动阈值与同步停止阈值通过显示控制模块自定义设置，其中，同步启动阈值设置范围为，同步停止阈值设置范围为。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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