基于行為策略的鋁電解建?？刂蒲芯?/h1>

2016-06-16 09:10:22陳鐵軍

鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)訂閱 2016年1期 收藏

關(guān)鍵詞：鋁電解控制建模

陳鐵軍，黃　超，張　瑾

基于行為策略的鋁電解建?？刂蒲芯?/p>

陳鐵軍1，黃超1，張瑾2

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.河南師范大學(xué)新聯(lián)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與管理系，河南 鄭州 450000)

摘要：針對存在非線性、大滯后和多變量互關(guān)聯(lián)等特性的鋁電解過程，分析了影響預(yù)焙鋁電解槽物料平衡和能量平衡主要因素的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系.基于行為策略思想，建立了鋁電解過程的多級分布式關(guān)聯(lián)模型，該系統(tǒng)模型由氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電解溫度2個二級關(guān)聯(lián)系統(tǒng)和6個三級關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)構(gòu)成.提出了鋁電解過程中關(guān)于氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電解溫度的多級分布式控制方案，給出了該系統(tǒng)的多級分布式預(yù)估算法和控制算法，確定了各級子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)機(jī)制.各個子系統(tǒng)分工合作、協(xié)同運(yùn)行，獲得全局控制功能.仿真結(jié)果表明，應(yīng)用該控制方法后，鋁電解動態(tài)過程具有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾能力.

關(guān)鍵詞：行為策略；鋁電解；建模；控制；氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)

0引言

鋁電解系統(tǒng)是一個非線性、多變量、大滯后、強(qiáng)耦合的復(fù)雜受控對象，用傳統(tǒng)控制方法很難取得比較理想的控制效果.不少學(xué)者開展了對鋁電解過程建模仿真和控制研究[1-4].很多學(xué)者嘗試將模糊控制、支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和粒子群算法等方法運(yùn)用到鋁電解生產(chǎn)過程中，進(jìn)而控制氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電解溫度等關(guān)鍵參量，獲得了不錯的效果[5-8].閆綱等[2]基于最小二乘支持向量機(jī)提出了融合LS-SVM和混沌優(yōu)化的控制氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的新策略；任必軍等[6]采用自適應(yīng)模糊控制算法對電解溫度和初晶溫度進(jìn)行控制，提高了電流效率.這些控制策略大多只對一項指標(biāo)進(jìn)行控制，沒有涉及到多項關(guān)鍵指標(biāo)之間的耦合性.袁艷等[7]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊控制等多種智能算法，對鋁電解過程中的多項關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行全局優(yōu)化控制，但建模控制機(jī)理過于復(fù)雜，在實際生產(chǎn)當(dāng)中不易操作和推廣.

Willems[9]提出了一種針對開放、互關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的行為策略，該控制理念通過拆裂、聚焦以及鏈接對復(fù)雜對象進(jìn)行建模，解決復(fù)雜控制問題.筆者將行為策略思想應(yīng)用到鋁電解生產(chǎn)當(dāng)中，有望對其中的多項關(guān)鍵指標(biāo)取得較好的協(xié)同控制，獲得鋁電解系統(tǒng)的整體優(yōu)化.通過對鋁電解過程中大滯后、強(qiáng)耦合等現(xiàn)象的深入分析，理清影響氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電解溫度的相關(guān)因素及耦合關(guān)系，提取主要關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立涉及這2個關(guān)鍵參量的多級分布式關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng).該系統(tǒng)由2個二級關(guān)聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)成，第一個是物料平衡關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，第二個是能量平衡關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，每個二級關(guān)聯(lián)系統(tǒng)分別由與其相對應(yīng)的三級關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)聚焦而成.同時，2個二級關(guān)聯(lián)系統(tǒng)之間存在重要的耦合關(guān)聯(lián)，進(jìn)而構(gòu)成一個全局的多級動態(tài)分布式預(yù)估控制模型.

1鋁電解系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析與建模

1.1鋁電解系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)分析

在鋁電解生產(chǎn)過程中，電解槽的物料平衡和能量平衡相互作用，是兩個始終需要引起高度重視的角色.物料平衡的外在表現(xiàn)形式體現(xiàn)在氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)上，能量平衡的外在表現(xiàn)形式體現(xiàn)在電解溫度上.

1)氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)聯(lián)分析.由于每次的投料量是固定不變的，下料間隔時間的長短決定了總投料量.投料次數(shù)越頻繁，電解槽中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)就越大，反之就越小.槽電壓的升高或降低，氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)會隨之發(fā)生一定的變化.出鋁量、系列電流、電解質(zhì)水平、鋁液水平、氧化鋁的溶解速度等對氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有一定的關(guān)聯(lián)影響.

2)電解溫度的關(guān)聯(lián)分析.通過升高槽電壓可以改變輸入能量的大小，進(jìn)而影響電解溫度.投料量的瞬間增大，會造成電解槽內(nèi)電解溫度下降，反之，電解溫度上升.出鋁量、系列電流、電解質(zhì)水平、鋁液水平等對電解溫度也有一定的關(guān)聯(lián)影響.

1.2鋁電解系統(tǒng)建模

通過對鋁電解生產(chǎn)過程的深入分析，將鋁電解系統(tǒng)拆裂成眾多三級子系統(tǒng)，三級子系統(tǒng)通過聚焦組合出二級關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，二級關(guān)聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)而鏈接出鋁電解大系統(tǒng).二級關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)共有2個，第一個是物料平衡關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)(即氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng))L1;第二個是能量平衡關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)(即電解溫度關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng))L2.

假設(shè)下料間隔控制信號為Z10，下料間隔時間為Z11，總投料量為Z12，氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Z13，把系列電流、鋁液水平、電解質(zhì)水平、氧化鋁溶解速度等對氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)聯(lián)影響視為干擾V10，并且K1=3，即該關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)包含3個三級子系統(tǒng)，則物料平衡關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)L1為

L1={〈Z10,Z11〉,〈Z11,Z12〉,〈Z12,Z13〉} .

(1)

假設(shè)極距調(diào)整控制信號為Z20，極距調(diào)整量為Z21，槽電壓為Z22，電解槽電解溫度為Z23，把出鋁量、系列電流等參量對電解溫度的關(guān)聯(lián)影響視為干擾V20，并且K2=3，即該關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)包含3個三級子系統(tǒng)，則該關(guān)聯(lián)分系統(tǒng)L2為

L2={〈Z20,Z21〉,〈Z21,Z22〉,〈Z22,Z23〉} .

(2)

2個二級關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)鏈接：分系統(tǒng)L1的總投料量Z12關(guān)聯(lián)影響分系統(tǒng)L2的電解溫度Z23；氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)Z13關(guān)聯(lián)影響分系統(tǒng)L2的槽電壓Z22；分系統(tǒng)L2的槽電壓Z22關(guān)聯(lián)影響分系統(tǒng)L1的氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)Z13.

鋁電解生產(chǎn)過程的多級分布式預(yù)估控制系統(tǒng)模型框圖如圖1所示，其由2個二級關(guān)聯(lián)分系統(tǒng)、6個三級關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)以及3個鏈接關(guān)系構(gòu)成.

(3)

圖1　鋁電解過程的模型框圖

關(guān)于物料平衡關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)L1：

(4)

(5)

(6)

關(guān)于能量平衡關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)L2：

(7)

(8)

(9)

其中，a1、a2、b1、b2、c1、c2、c3、d1、d2、e1、e2、e3、f1、f2、f3分別可以通過最小二乘法辨識得到.

2多級分布式模型的預(yù)估和控制

2.1預(yù)估算法

(10)

由此，可以得到物料平衡關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)L1的預(yù)估算法：

(11)

(12)

(13)

類似地，可以寫出能量平衡關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)L2的預(yù)估算法為

(14)

(15)

(16)

2.2控制算法

(17)

式中：M=1-pz-1p為可調(diào)的待定系數(shù)，z-1為一步延遲算子；N=1-p,-1

(18)

(19)

(20)

由式(11)、(12)、(13)、(18)、(19)、(20)可以得到物料平衡關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)L1的控制算法：

(21)

(22)

(23)

同理，可以得到能量平衡關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)L2的控制算法為

(24)

(25)

上述各式中：a1、a2、b1、b2、c1、c2、c3分別為辨識參數(shù)；p1、p2、p3、p4、p5、p6分別為設(shè)計參數(shù).

3系統(tǒng)仿真

以某鋁電解生產(chǎn)車間某臺槽框較好的240 kA預(yù)焙鋁電解槽為仿真對象，控制目標(biāo)是在有外界干擾的情況下，將氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電解溫度分別控制在1.5%～3.5%，940～960 ℃的合理范圍內(nèi).下料間隔控制信號調(diào)節(jié)范圍是0～10，極距調(diào)整控制信號調(diào)節(jié)范圍是0～10.由生產(chǎn)車間提供的80組樣本數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘法對所建模型進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示.

圖2　氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)仿真曲線

圖3　電解溫度仿真曲線

仿真結(jié)果表明，基于行為策略的多級分布式預(yù)估控制算法使氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電解溫度幾乎不受外界干擾V10和V20的影響，二者的波動幅度被控制在合理范圍內(nèi).

4結(jié)論

筆者基于行為策略的拆裂、聚焦及鏈接等控制思想，提出了多級分布式預(yù)估控制方法，建立了鋁電解生產(chǎn)過程的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了由氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電解溫度2個二級關(guān)聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)成的分布式控制模型.2個二級關(guān)聯(lián)系統(tǒng)分別由與其相對應(yīng)的三級關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)構(gòu)成，并對模型進(jìn)行了有效的預(yù)估和控制.仿真結(jié)果表明，所建的多級分布式預(yù)估控制模型能夠有效控制鋁電解過程中的氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)與電解溫度.另外，系統(tǒng)幾乎不受外界干擾的影響，能夠快速恢復(fù)到正常水平，具有較強(qiáng)的魯棒性.因此，采用多級分布式預(yù)估控制，為調(diào)控鋁電解生產(chǎn)過程提供了一種新途徑.

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Research on Modeling and Control of Aluminum Electrolysis Based on Behavioral Approach

CHEN Tiejun1， HUANG Chao1， ZHANG Jin2

(1.School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.Department of economics and management, Xinlian College, Henan Normal University, Zhengzhou 450000, China)

Abstract:The mutual correlation of main factors is analyzed which influences the material balance and energy balance of pre-roasting aluminum electrolytic tank in allusion to such characteristics as nonlinearity, large time-delay and correlation of multivariable in aluminum electrolysis process. Then a multistage-distributed correlation model about aluminum electrolysis process is established based on behavioral approach. The system model consists of two secondary-correlated systems and six related third-level subsystems, which are related to the concentration and electrolytic temperature of alumina.Furthermore, the multistage-distributed control scheme about the concentration and electrolytic temperature of alumina in aluminum electrolysis process is proposed, multistage-distributed predictive algorithms and control algorithms are used to coordinate the operation of different subsystems. The global control performance is achieved through division and cooperation of the subsystems. The simulation results show that the multistage-distributed system built and its control algorithm have remarkable robustness and anti-interference ability in the dynamic aluminum electrolysis process.

Key words:behavioral approach; aluminum electrolysis; modeling; control; alumina concentration

收稿日期:2015-04-13；

修訂日期：2015-06-19

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(41174127)

作者簡介:陳鐵軍(1954—)，男，河南信陽人，鄭州大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事復(fù)雜工業(yè)過程控制技術(shù)及控制系統(tǒng)方面的研究，E-mail：tchen@zzu.edu.cn.

文章編號:1671-6833(2016)01-0006-04

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201504024

引用本文：陳鐵軍，黃超，張瑾.基于行為策略的鋁電解建模控制研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2016，37(1)：6-9.

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