摘? 要: 介紹了模糊專家技術(shù)在鋁電解生產(chǎn)過程中的應(yīng)用；給出了鋁電解模糊專家控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和模糊關(guān)系。應(yīng)用該技術(shù)控制鋁電解生產(chǎn)取得了較好的控制效果。
關(guān)鍵詞: 電解槽? 模糊控制? 專家系統(tǒng)
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鋁電解是電解槽通以直流電，將氧化鋁電解成金屬鋁的高電耗冶金生產(chǎn)過程。高效節(jié)能是鋁工業(yè)技術(shù)發(fā)展的主要方向。在槽型確定的情況下，為降低噸鋁電耗，提高電流效力、優(yōu)化鋁電解生產(chǎn)工藝技術(shù)條件就成為提高電解技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的決定因素。技術(shù)條件的優(yōu)化主要靠自控技術(shù)的不斷發(fā)展和控制水平的不斷提高來實(shí)施。
由于鋁電解槽是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，存在非線性、大滯后等因素，因此建立精確數(shù)學(xué)模型困難，用傳統(tǒng)的控制方法難以達(dá)到好的控制效果。而模糊專家控制恰好在解決這類問題中表現(xiàn)出了優(yōu)越性，它具有快速性好、直接根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、不需要精確數(shù)學(xué)模型等顯著特點(diǎn)，為鋁電解控制提供了有效解決途徑。因此本廠將模糊專家控制技術(shù)用于鋁電解生產(chǎn)，取得了較好的控制效果。
1 鋁電解控制過程分析
鋁電解控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)過程中的信號(hào)，包括:電解槽槽電壓(V)和系列電流(I)。對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)施的控制有兩種，即極距調(diào)節(jié)和打殼下料，分別控制槽電壓(或槽電阻)和電解質(zhì)熔體中的氧化鋁濃度。氧化鋁濃度目前無法在線檢測(cè)，但是它和槽電阻(R)存在一定性U型關(guān)系，并且和氧化鋁下料量有一定的滯后關(guān)系。R可由(1)式求得:
式中: E—電解槽反電勢(shì)
設(shè)氧化鋁濃度為C(下料方式:欠料、過料)，周期改變氧化鋁下料速率，使氧化鋁濃度在一定范圍內(nèi)變化
。假定在未調(diào)節(jié)極距(移動(dòng)陽極)期間槽電阻變化由氧化鋁濃度所引起，即:
2 控制方法研究
2.1 模糊控制(FUZZY)
鋁電解模糊控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。
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Yr、Y分別為輸入、輸出量，E、Ec、U分別為偏差 e、偏差變化率ec和控制量u的模糊語言變量，K1、K2為量化系數(shù)。取E、Ec、U的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，論域上均取七個(gè)FUZZY集，即:正大，正中，正小，零，負(fù)小，負(fù)中，負(fù)大，并賦予它們各自對(duì)應(yīng)的模糊集取值(即隸屬度值)。
2.2 建立模糊控制規(guī)則表
模糊控制規(guī)則表是基于操作者手動(dòng)控制策略的總結(jié)和歸納，根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)寫成的推理語言控制規(guī)則可表示為：
2.3?建立查詢表
按直乘運(yùn)算規(guī)則求FUZZY關(guān)系Ri，通過對(duì)所有FUZZY關(guān)系Ri(i=1，2，……n)的運(yùn)算，可以獲取表征鋁電解控制系統(tǒng)控制規(guī)則總的FUZZY關(guān)系R，計(jì)算R后，基于推理合成規(guī)則，針對(duì)論域全部元素的所有組合，求出相應(yīng)的控制決策U的FUZZY集合；再按取隸屬度最大原則對(duì)此集合進(jìn)行判斷，得到相應(yīng)控制量，最后獲得FUZZY控制查詢表。將該表存入計(jì)算機(jī)中，實(shí)時(shí)控制時(shí)根據(jù)E、Ec直接查找控制表，獲取控制量，再乘比例系數(shù)K3即可作為輸出去控制生產(chǎn)過程。
3 建立模糊專家控制方案
????模糊專家控制器的一般結(jié)構(gòu)形式見圖2。
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3.1 鋁電解模糊專家控制方案
鋁電解模糊專家控制器結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。
????根據(jù)工藝要求，下料模糊控制和極距模糊控制由推理機(jī)根據(jù)推理結(jié)果選擇合適的控制模式。模糊控制規(guī)則表達(dá)綜合為兩種形式:一種是“如果(條件)” 則“結(jié)論”的規(guī)則形式，用于表達(dá)各種特定或異常工況下模糊控制規(guī)則；另一種是采用帶修正因子控制規(guī)則自動(dòng)修正模糊控制規(guī)則表達(dá)形式，用于表達(dá)常態(tài)工況下模糊控制規(guī)則，以便通過引入可自動(dòng)調(diào)整的控制規(guī)則修正因子，實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊控制規(guī)則的在線自動(dòng)調(diào)整。
模糊專家推理機(jī)根據(jù)電解槽所處操作條件和槽況分析結(jié)果來調(diào)整模糊控制規(guī)則和改變控制效果，使控制器具有同時(shí)處理精確知識(shí)和模糊知識(shí)的優(yōu)點(diǎn)，可用于不能建立精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象的高性能控制。模糊專家推理機(jī)綜合運(yùn)用如下四種形式:① 選擇不同控制模式；②調(diào)整控制規(guī)則表達(dá)式的修正因子；③調(diào)整模糊變量論域；④調(diào)整模糊控制設(shè)定值。
論域自調(diào)整機(jī)制的建立使控制器可根據(jù)槽況的變化和控制模式的切換，自動(dòng)調(diào)整輸入、輸出模式變量所對(duì)應(yīng)的精確值的論域，從而可簡(jiǎn)便有效地達(dá)到在線自動(dòng)調(diào)整控制器的工作點(diǎn)和動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)的目的。模糊專家控制利用上位機(jī)人機(jī)接口來實(shí)現(xiàn)規(guī)則庫和數(shù)據(jù)調(diào)整，因而為知識(shí)獲取與應(yīng)用提供很強(qiáng)的靈活性。
4 系統(tǒng)運(yùn)行效果與主要技術(shù)指標(biāo)
(1)實(shí)現(xiàn)了下列監(jiān)控效果???????
氧化鋁濃度波動(dòng)偏差:2(Wt)%
正常槽溫波動(dòng)范圍:±3°C???????
陽極效應(yīng)系數(shù): <0.5????
陽極效應(yīng)預(yù)報(bào)成功率:90%
(2)模糊專家控制槽控機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)
測(cè)量精度: <±0.1%??????????
控制精度: <±0.3%
超調(diào)整量: <±0.5%
(3)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能自動(dòng)進(jìn)行故障診斷。由模糊專家控制的槽控機(jī)投運(yùn)后，電流效率提高3.11%；直流電耗降低411kWh/t.Al。
鋁電解模糊專家控制系統(tǒng)在本廠生產(chǎn)過程中獲得了成功應(yīng)用，把電解專家、操作者經(jīng)驗(yàn)判斷和處理歸納在一起，獲得了最佳控制效果。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，智能化程度高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電解槽生產(chǎn)的高效控制，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國鋁電解工業(yè)的節(jié)能降耗和解決環(huán)境污染問題、提高鋁電解工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平意義重大。
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參考文獻(xiàn)
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3 孫春亮.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的全分布式鋁電解智能控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用.輕金屬，2000(4)