CN1177955C - 预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

提供一种预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制装置和方法，其中所述装置包括：电压检测装置，检测电解槽(1)的电压变化值；上位机，设定氧化铝浓度的设定值，并对电解槽的工艺操作和原料配给进行集中控制；槽控机，接收来自上位机(3)的氧化铝浓度的设定值，并使用电解槽的电压变化值ΔU进行变论域模糊控制计算，得出当前的氧化铝的下料间隔NB的时间t；执行机构，根据所接收的由槽控机计算得到的下料间隔NB的时间t，控制氧化铝的下料量。

Description

预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制方法及装置

技术领域

本发明涉及电解铝的生产控制方法及装置，具体地涉及一种以氧化铝为原料使用预焙电解槽生产电解铝的变论域自适应模糊控制方法及装置。

背景技术

八十年代以来，电解铝工业实现了超常规发展，铝的应用范围不断扩大，对铝的需求也日益扩大。电解铝生产的主要原料为氧化铝、阳极碳块。目前我国电解铝采取先进的大型阳极预焙槽生产厂不多，市场竞争能力很弱，因此采取先进技术，扩大生产规模降低对环境的污染，建设大型电解铝厂的市场前景十分广阔。

通常情况下，为了得到一个稳定生产的预焙电解铝和一个高的电流效率，需要将电解槽中氧化铝浓度控制在1.2％～3.5％。传统的控制电解槽内氧化铝浓度的方法一般是利用可测的电解槽的电流和电压，修改氧化铝的下料时间间隔(NB)，以达到使氧化铝的浓度处在一个比较低的水平、并控制不发生阳极效应(AE)的目的。然而预焙铝电解槽是一种复杂的非线性时变系统，其模型具有不确定性，并且由于能够测到的在线参数只有电解槽的电流和电压，所以对于所要控制的将氧化铝的浓度保持处于一个比较低的水平来说，传统的常规控制方法均没有取得好的效果。

智能模糊控制技术的发展为解决上述预焙电解槽的控制问题提供了有利的理论基础。一般的模糊控制不需要受控对象的数学模型，通过采集熟练工人的控制经验，形成模糊规则库，完全模拟人类专家对预焙电解槽进行控制。但是一般论域下的模糊插值控制方法，模糊规则库复杂，模糊规则甚至可多达1000多条，因此运算较复杂，控制的滞后延迟较大，并且对人类专家的经验依赖较大，因而对电解槽的适应性较低。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于预焙电解铝生产中的采用变论域的自适应模糊控制的控制方法和装置，通过该控制方法和装置，能够简化模糊规则库，使运算量大大下降，同时控制滞后延迟减少，并且不过分依赖专家经验，因而提高了对电解槽的适应性。

为实现本发明的上述目的，提供一种预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制装置，包括：电压检测装置，检测电解槽的电压变化值；上位机，设定氧化铝浓度的设定值，并对电解槽的工艺操作和原料配给进行集中控制；槽控机，接收来自上位机的氧化铝浓度的设定值，并使用电解槽的电压变化值ΔU进行变论域模糊控制计算，得出当前的氧化铝的下料间隔NB的时间t，执行机构，根据所接收的由槽控机计算得到的下料间隔NB的时间t，控制氧化铝的下料量。

为实现本发明的上述目的，提供一种预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制方法，包括步骤：上位机对电解槽进行集中控制，并为电解槽设定一个氧化铝浓度设定值；槽控机接收所设定的氧化铝浓度设定值，以及从电解槽周期采集的电压变化值ΔU，ΔU的取值范围为[-U_a，U_b]；接收来自上位机的氧化铝浓度的设定值，并使用电解槽的电压变化值ΔU进行变论域自适应模糊控制计算，得出当前的氧化铝的下料间隔NB的时间t，执行机构控制电解槽的下料时间，以调整氧化铝的浓度；槽控机按周期将电解槽的状态比如电解槽的电压、电流强度和过热温度等反馈给上位机。

附图简要说明

通过参考附图对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的上述目的和优点将变得更加清楚，其中：

图1是根据本发明的预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制装置；

图2是图1中槽控机2的详细组成结构图；

图3是本实施例所采用的隶属函数的波形图；以及

图4是根据本发明的预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制方法的流程图。

具体实施方式

下面通过附图具体描述本发明的优选实施例。

图1是根据本发明的预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制装置。如图1所示，电解槽1的电压变化值ΔU经电压检测装置(未示出)传送到槽控机2。槽控机2接收来自上位机3的氧化铝浓度的设定值，上位机3将工艺人员通过看(火焰颜色、液面清晰度)、测(电解温度、分子比、两水平)、摸(炉壁的厚薄)、算(五日温度趋势)等，所决定氧化铝浓度的选做氧化铝浓度的设定值。槽控机2使用电解槽1的电压变化值ΔU进行变论域模糊控制计算，得出当前的氧化铝的下料间隔NB的时间t，并将计算得到的时间t传送到执行机构4，执行机构4可采用诸如超浓相输送氧化铝装置、风动输送氧化铝装置或电动小车输送氧化铝装置。执行机构4根据下料间隔NB的时间t控制氧化铝的下料量。上位机3对电解槽1的工艺操作和原料配给进行集中控制。

图2是槽控机2的详细组成结构图。槽控机2包括前件伸缩因子计算装置21、控制计算装置22、后件伸缩因子计算装置23。其中前件伸缩因子计算装置21根据当前的电压变化值ΔU计算变论域模糊控制中的前件伸缩因子，并将所计算的前件伸缩因子传送到控制计算装置22中。控制计算装置22根据前件伸缩因子计算出变论域下的插值模糊控制的输入变量，并计算初步的下料间隔NB的时间t。将所计算的初步的下料间隔NB的时间t提供到后件伸缩因子计算装置23，后件伸缩因子计算装置23根据当前的电压变化值ΔU以及前一次计算的下料时间间隔值计算变论域模糊控制中的后件伸缩因子，并将后件伸缩因子乘以所计算的初步的下料间隔时间t，得到修正后的下料间隔NB的时间t。

下面详细说明在槽控机中所进行的变论域模糊控制计算。

在根据本发明的槽控机2中变论域自适应模糊控制器的输入变量仅为电解槽的电压变化值ΔU，输出变量为氧化铝的下料间隔NB的时间t。设[-U_a，U_b]为ΔU的取值范围(称为输入论域)，A₁，A₂，…，A₇为输入论域[-U_a，U_b]上的模糊划分，这里模糊集可以选取“三角波”、“矩形波”、“高斯型”等隶属函数。本实施例的模糊集采取的是如图3所示的“三角波”隶属函数，具体地各个模糊划分上的相应隶属函数可以取值如下：

上述是前件论域的模糊划分，或者称为模糊推理规则的前件模糊集。这里传统的模糊推理规则库已经省去，仅仅出现的上述是等价于“模糊推理规则库”的“模糊控制函数”。

其中记[t_a，t_b]为输出变量NB的取值范围(称为输出论域)，t_i为输出论域中相应模糊集A_i的峰点值，在计算中t_i的初始值的确定主要依赖于以往经验和领域专家的知识，t_i的值一般不进行实时的更新；只需要一段时间后(如3～5个星期)，根据实际情况调整一下t_i的值即可。

引如变论域思想后，得到的变论域自适应模糊控制函数为：

$t\left(k\right)=\mathrm{\β}(\mathrm{\ΔU}\left(k\right),t(k-1))\underset{i=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\left(\frac{\mathrm{\ΔU}\left(k\right)}{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ΔU}\left(k\right)\right)}\right)t_i......\left(8\right)$

其中α(x)为前件伸缩因子，β(x，y)为后件伸缩因子。与一般论域下的模糊控制插值函数相比，即与 $t\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\left(\mathrm{\ΔU}\left(k\right)\right)t_i$ 相比，变论域自适应模糊控制函数增加了前件伸缩因子和后件伸缩因子。

通常我们建议前件伸缩因子取值如下：

$\mathrm{\α}\left(x\right)={\left(\frac{\left|x\right|}{E}\right)}^{\mathrm{\τ}},\mathrm{\τ}>0......\left(9\right)$

其中在预焙电解铝生产中，利用的模糊控制器是简单的单入单出模糊控制器；因此没有必要计算综合误差，E可以直接取值为

$E\underset{=}{\mathrm{\Δ}}\max \{U_a,U_b\}$

其中的τ的初始值是根据专家经验确定，τ的值是一个可以在线调节的参数，不同的电解槽τ取值可能略微不同，一般取值在0.7～2。

通常前件伸缩因子还可以取值如下：

     α(x)＝1-λesp(-kx²)，λ∈(0，1)，k＞0......(10)

其中λ、k的初始值是根据专家经验确定，λ、k亦是在线调节的参数，不同的电解槽取值可能略微不同，一般λ取值0.5～0.99，k取值0.5～1。

通常我们建议后件伸缩因子取值如下：

β(x，y)＝1-λesp(-k₁x²-k₂y²)，λ∈(0，1)，k₁，k₂＞0......(11)

其中λ、k₁、k₂的初始值是根据专家经验确定，λ、k₁、k₂亦是在线调节的参数，不同的电解槽取值略微不同，一般λ取值在0.5～0.99，k₁、k₂取值0.5～1。

通常后件伸缩因子还可以取值如下：

通常情况下公式(12)、(13)中的取积分常数K₁为0.5～2，公式(13)中参数T为离散控制系统采样时间，大小根据控制系统设定。

图4是根据本发明的预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制方法的流程图。在步骤S1上位机对电解槽的工艺操作和原料配给进行集中控制，并为该电解槽设定一个氧化铝浓度设定值。在步骤S2，槽控机接收所设定的氧化铝浓度设定值，以及从电解槽周期采集的电压变化值ΔU。在步骤S3，计算前件伸缩因子，并计算变论域插值模糊控制计算的输入。在步骤S4，根据前件伸缩因子计算出变论域下插值模糊控制的输入变量，并计算初步的下料间隔NB的时间t。在步骤S5，计算后件伸缩因子，并将后件伸缩因子乘以所计算的初步的下料间隔时间t，得到修正后的下料间隔NB的时间t，然后将修正后的下料间隔NB的时间提供给执行机构4。在步骤S6，执行机构4控制电解槽的下料时间，以调整氧化铝的浓度。在步骤S7，槽控机按周期将电解槽的状态比如电解槽的电压、电流强度和过热温度等反馈给上位机。

以上参照图1-4针对一个电解槽描述了本发明的变论域自适应模糊控制方法和装置，在实际应用中，可使用一个槽控机、一个上位机来控制多个执行机构分别向多个电解槽下料的下料间隔时间。

通过上述说明可知，与通常模糊插值控制器比较，本发明的变论域自适应模糊插值控制装置和方法有以下优点：在论域的模糊划分时，对隶属函数的形状没有特别要求，比如选择简单的“三角波”隶属函数；建立推理规则库时，不需要太多的推理规则，运算量大大下降，比如本发明所述优选实施例仅有7条推理规则；依赖于直觉建立推理规则，不过分依赖于专家，提高了对电解槽的适应性；变论域自适应模糊控制器的控制效果远远优于传统模糊控制器，控制滞后延迟减少明显；同时由于本发明的变论域自适应模糊控制器设计简单，更方便于仿真和采用软件实现，节约生产成本。

本发明不限于上述实施例，任何本领域技术人员在本说明书的启示下，能够获得各种变形和改变，因此，本发明的保护范围应以所附的权利要求书来限定。

Claims (3)

1.一种预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

①用电压检测装置检测电解槽的电压变化值ΔU，ΔU的取值范围为[-U_a，U_b]，由上位机对电解槽进行集中控制，并为电解槽设定一个氧化铝浓度设定值；

②由槽控机接收来自上位机的氧化铝浓度的设定值以及从电解槽周期采集的电压变化值ΔU，并进行变论域自适应模糊控制计算，得出当前的氧化铝的下料间隔NB的时间t，其中变论域自适应模糊控制计算步骤包括：

a、计算前件伸缩因子α(x)，可采用：

$\mathrm{\α}\left(x\right)={\left(\frac{\left|x\right|}{E}\right)}^{\mathrm{\τ}},\mathrm{\τ}>0$

α(x)是前件伸缩因子，E可以直接取值为 $E\underset{=}{\mathrm{\Δ}}\max \{U_a,U_b\},$ τ的初始值是根据专家经验确定，τ的值是一个可以在线调节的参数，不同的电解槽τ取值略微不同，一般取值在0.7～2；

或采用

a(x)＝1-λexp(-kx²)，λ∈(0，1)，k＞0

α(x)是前件伸缩因子，λ、k的初始值是根据专家经验确定，λ、k亦是在线调节的参数，不同的电解槽取值略微不同，一般λ取值0.5～0.99，k取值0.5～1；

b、计算后件伸缩因子，后件伸缩因子可取值如下：

β(x，y)＝1-λexp(-k₁x²-k₂y²)，λ∈(0，1)，k₁，k₂＞0

其中λ、k1、k2的初始值是根据专家经验确定，λ、k1、k2亦是在线调节的参数，不同的电解槽取值略微不同，一般λ取值在0.5～0.99，k1、k2取值0.5～1；

或取值如下：

离散型 $\mathrm{\β}\left(k\right)=1+K_{I}T\underset{\mathrm{\λ}=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ΔU}\left(\mathrm{\λ}\right),K_I,T>0$

其中参数T为离散控制系统采样时间，大小根据控制系统设定；通常情况下取积分常数K_I为0.5～2；

c、根据前件伸缩因子α(x)计算出变论域下插值模糊控制的输入变量，并计算初步的下料间隔NB的时间t；

d、将后件伸缩因子乘以所计算的初步的下料间隔时间t，得到修正后的下料间隔NB的时间t，其中下料间隔NB的时间t计算步骤中，采用

$t\left(k\right)=\mathrm{\β}(\mathrm{\ΔU}\left(k\right),t(k-1))\underset{i=1}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\left(\frac{\mathrm{\ΔU}\left(k\right)}{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ΔU}\left(k\right)\right)}\right)t_i$

其中A₁，A₂，…，A₇为输入论域[-U_a，U_b]上的模糊划分的模糊集，模糊集可以选取“三角波”、“矩形波”、“高斯型”所隶属函数中的一个；

③由槽控机将修正后的下料间隔NB的时间t提供给执行机构，执行机构根据下料间隔NB的时间t控制氧化铝的下料量，以调整氧化铝的浓度；

④槽控机按周期将电解槽的状态参数比如电解槽的电压、电流强度和过热温度反馈给上位机。

2、一种应用如权利要求1所述方法的预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制装置，其特征在于，包括电压检测装置、上位机、槽控机和执行机构，电压检测装置用于检测电解槽的电压变化值ΔU，上位机用于设定氧化铝浓度的设定值，并对电解槽的工艺操作和原料配给进行集中控制，槽控机接收来自上位机的氧化铝浓度的设定值，并使用电压检测装置测量的电压变化值ΔU进行变论域模糊控制计算，得出当前的氧化铝的下料间隔NB的时间t，执行机构根据所接收的由槽控机计算得到的下料间隔NB的时间t，控制氧化铝的下料量。

3.如权利要求2所述的预焙电解铝生产的变论域自适应模糊控制装置，其特征在于，槽控机包括：

前件伸缩因子计算装置，根据当前的电压变化值ΔU计算变论域模糊控制中的前件伸缩因子；

控制计算装置，根据前件伸缩因子计算出变论域下的插值模糊控制的输入变量，并计算初步的下料间隔NB的时间t；

后件伸缩因子计算装置，根据当前的电压变化值ΔU以及前一次计算的下料时间间隔值计算变论域模糊控制中的后件伸缩因子，并将后件伸缩因子乘以所计算的初步的下料间隔时间t，得到修正后的下料间隔NB的时间t。

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