芻議智能控制技術在鋁電解過程中的應用

易勇廳

（吉利百礦集團有限公司，廣西 百色 533045）

1 智能控制技術內(nèi)容分析

智能控制通過構建精確數(shù)學模型解決問題，借助人工智能和邏輯推理作為數(shù)學模型的知識基礎，屬于邊緣性的交叉學科。

1.1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一個數(shù)字化和智慧化的人工智能程序，通過把人類長期以來積累的知識和經(jīng)驗融合到計算機系統(tǒng)中，然后對人類處理事情的推理決策手段過程模擬演練，得到相關權威專家的研究成果來解決在研究中遇到的困難。

1.2 模糊控制

模糊控制工作，依據(jù)相關原理可知，模糊控制工作在運轉的同時，其內(nèi)部的復雜性和精確性會大大降低，在觸碰到規(guī)定限制值時，兩者就會產(chǎn)生排斥的情況。模糊控制工作促進大腦與計算機之間互通聯(lián)系，基于模糊集合理論的核心，形成大腦和計算機間的聯(lián)系互通，能把人類科學家長久形成的模糊知識內(nèi)容和經(jīng)驗等信息進行轉換，形成能夠被計算機識別運行的理論規(guī)則?；诖?，計算機進行模糊信息的處理工作，進行推理和判斷。

1.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡

人工神經(jīng)網(wǎng)絡的主要內(nèi)容是指對人體思維進行高效的模擬和應用，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)進行簡單的分析加工，具有通用性，實現(xiàn)了互聯(lián)互通，形成了復雜的網(wǎng)絡結構。其主要針對人腦神經(jīng)網(wǎng)絡的結構和行為，并形成一個非線性動態(tài)系統(tǒng)。主要特點是數(shù)據(jù)的分散和聯(lián)合處理能力突出。在這個過程中，該網(wǎng)絡具有強大的容錯能力，可以執(zhí)行有效的關聯(lián)和推廣工作[1]。

2 鋁電解智能控制技術應用現(xiàn)狀分析

目前工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)邁入工業(yè)4.0 時代，主要內(nèi)容包括以下3 個方面：①實現(xiàn)人工智能工廠建設，實現(xiàn)生產(chǎn)的智能化、高效化和網(wǎng)絡化；②實現(xiàn)機器大生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的倉儲物流、人工操作和立體三維技術的智能化；③實現(xiàn)大數(shù)據(jù)物流管理，大大提高物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)和資源處理效率，并對其進行整合。然而鋁工業(yè)仍處于工業(yè)2.0 時代，行業(yè)的智能化控制滯后，例如，能量流輸入和輸出的智能監(jiān)控和分析，物料流的輸入和輸出的智能統(tǒng)計分析，槽控系統(tǒng)仍處于模糊控制階段。

2.1 物料的輸入和輸出過程控制

過程控制是通過一定數(shù)量的開放式智能操控機系統(tǒng)構成，不同的智能操控機空控制對應的電解槽，一般情況下通過一臺專門設備在應用中得到的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集，分析解決實時操控，進行數(shù)據(jù)信息互通。

2.2 過程優(yōu)化

過程優(yōu)化環(huán)節(jié)主要由接口監(jiān)控機和數(shù)據(jù)庫服務器設備等構成。這一環(huán)節(jié)分成了通訊、監(jiān)控管理、實時數(shù)據(jù)庫和遠程控制4 個不同的模塊，但不同模塊間又具有各自獨立性，過程優(yōu)化在進行集中管理工作時，就顯得尤為重要。因此，將計算機作為中介連接體，實現(xiàn)接口監(jiān)控機設備，進行備用服務器的計算機的準備。當出現(xiàn)服務器設備故障情況時，計算機就可以實現(xiàn)服務器的一些功能各個接口監(jiān)控機設備間可以互相成為備用機，這樣的設計方法可以更好地保障系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠[2]。

2.3 槽控系統(tǒng)仍處于模糊控制階段

鋁電解生產(chǎn)智能模糊控制系統(tǒng)是建立在模糊數(shù)學的基礎上模仿人的日常管理對電解槽進行控制。其控制系統(tǒng)遵守“勤加工，少下料”的電解生產(chǎn)原則，并以系統(tǒng)監(jiān)測得到槽電阻的變化來確定電解質(zhì)中氧化鋁濃度，以“正常、減量、增量”來確定下料量，又以“大下料、小下料”來完成工藝要求的氧化鋁濃度控制。

3 鋁電解控制過程內(nèi)容分析

在鋁電解槽中，主要功能復雜多樣且相互作用。其充滿了電場、磁場、熱場。在物理和電化學作用下，狀態(tài)變化更是復雜多變的。該過程受常規(guī)手動操作和傳統(tǒng)生產(chǎn)工序的影響，常見的干擾是鋁生產(chǎn)和陽極更換，很難識別堆疊控制錯誤和創(chuàng)建復雜的時變內(nèi)容。因此，很難在此基礎上開展檢測工作。目前，控制系統(tǒng)可直接不間斷收集到的電解槽信號有電解槽電壓和系列電流兩個，這些可以通過機械裝置來對這個環(huán)節(jié)進行直接的控制調(diào)節(jié)，可以調(diào)整兩極間距和打殼下料部分，從而實現(xiàn)對電解槽電壓和電解質(zhì)中氧化鋁的濃度大小進行調(diào)節(jié)控制?，F(xiàn)階段的技術還不能做到對氧化鋁濃度直接在線監(jiān)測，但在實際生產(chǎn)過程中，會和電阻二者之間形成不對稱的U 型關系，通過把調(diào)整下料和上料之間的關系從而使其周期進行來回變換，借此保證氧化鋁濃度在一個比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)變化，將陽極設置成為移動方向，電解槽電阻的改變只受到氧化鋁濃度的影響，其中槽電阻數(shù)值伴隨時間變化速率數(shù)值的大小來反映槽電阻的氧化鋁濃度導數(shù)大小數(shù)值[3]。

槽電阻數(shù)值是指在一定時間范圍內(nèi)，氧化鋁濃度的實際變化率在累積斜率數(shù)值上的反應。氧化鋁濃度數(shù)值設定在不容易產(chǎn)生樣機效應和不容易出現(xiàn)沉淀的范圍之內(nèi)?？紤]通過電解槽電阻時間變化速率的數(shù)值來顯示氧化鋁濃度的數(shù)值，氧化鋁濃度對導數(shù)具有相當高的要求，一定要使導數(shù)盡可能大，從而實現(xiàn)最佳濃度控制數(shù)值在最佳濃度范圍內(nèi)。

上述內(nèi)容表明，鋁電解槽是一個具有可變特性、非線性和高滯后的慣性系統(tǒng)。該模型的應用存在不確定性，鋁電解過程的控制主要基于電池的電阻與極性距離的比率。其他影響因素需要在此過程中統(tǒng)籌兼顧，確定其準確的兩極間距和下料控制措施，環(huán)節(jié)中能夠精準確定的數(shù)學模型較少。在鋁電解生產(chǎn)過程中實現(xiàn)智能控制，應用智能控制技術優(yōu)點更為突出，相對于其他的控制方法來講，先進的鋁電解過程控制策略，智能控制技術提供重要手段，提升控制效果，滿足經(jīng)濟技術指標需求。

4 控制方法研究

智能控制技術在應用過程中，通過對于鋁電解槽作為基礎的綜合應用，構成新型化的鋁電解槽模糊專家系統(tǒng)，系統(tǒng)中會涵蓋不同的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間獨立完成工作同時又互通信息，相互協(xié)調(diào)共同完成系統(tǒng)工作。這些子系統(tǒng)分為實時控制子系統(tǒng)、三場動態(tài)仿真子系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡槽況診斷專家子系統(tǒng)3 個。在具體工作運行中，分類別收集并分析電解槽傳遞的信息，然后把分析得到的下一級信息傳遞到槽況診斷系統(tǒng)中，同時也要為實時控制專家系統(tǒng)提供對應信息[4]。

三場動態(tài)仿真系統(tǒng)把信息傳遞到槽況診斷系統(tǒng)，槽況診斷系統(tǒng)進行信息分析處理得到結果，再結合人工輸入得到的信息，來對電解槽的具體實際情況進行判斷，總結出電解槽內(nèi)中長期的情況預報。實施控制系統(tǒng)再根據(jù)動態(tài)仿真信息系統(tǒng)的診斷預報結果，配合解析結果，最終給出有針對性的方法進行控制，鋁電解生產(chǎn)中的兩極間距和槽內(nèi)氧化鋁濃度得到有效控制，以此完成電流效率需要的工藝技術條件。

（1）實時控制系統(tǒng)、人類專家積累的知識和長期經(jīng)驗得到很好的利用，進一步改善控制達到的優(yōu)化生產(chǎn)結果，需要結合專家系統(tǒng)技術和模糊控制技術二者，共同發(fā)揮作用，來完成技術進一步突破。要完成這一技術開發(fā)，可以參考模糊生產(chǎn)表示方法，其統(tǒng)一表達推理機使用的多樣性規(guī)則。所有規(guī)則應根據(jù)統(tǒng)一的存儲規(guī)則進行分組，然后根據(jù)規(guī)則進行應用?？刂茙斓膬?nèi)容主要包括儲罐狀態(tài)的自行診斷和分析、相應控制模式的選擇以及設定值的控制和校正。參考近似推理原理和模糊專家系統(tǒng)的推理技術，完成推理機的建設，這樣的推理方法需要在數(shù)據(jù)庫中的原始實際數(shù)據(jù)和不同規(guī)則的條件下進行匹配。數(shù)據(jù)庫中原來的數(shù)據(jù)一定要有較高的準確性和可實用性，但也不是對所有的不精確數(shù)據(jù)嗤之以鼻，因此，匹配時，推理機也不是必須要求數(shù)據(jù)一定要有準確性，其也允許不具有準確性的數(shù)據(jù)存在，以確保部分匹配也適用。為了適應一般性規(guī)則，設定了前件和斷言間之間的最低等效水平。這個值對比提前設置的閾值要偏大，規(guī)則就會到觸發(fā)規(guī)則集里面，通過規(guī)則設定進行分組、優(yōu)先級和匹配程度中的矛盾處理方法來給出最終的執(zhí)行規(guī)則?；陔娊赓|(zhì)電池的非線性和時變特性，想要優(yōu)化控制器的性能，就需要利用論域自調(diào)整算法進行，即推理機根據(jù)電解槽內(nèi)的情況變化進行控制模式的轉變，對于模糊的變量改正后輸入，相對應的精確數(shù)值論域同樣進行改正輸入，這樣的方法可以自動在線改變模糊專家控制設備動態(tài)和靜態(tài)工作，效果更加明顯，且更加簡單方便。

（2）在線仿真系統(tǒng)是以物理場計算機仿真原理為基礎，工作中收集并數(shù)值化物理場變化生產(chǎn)的信息，通過動態(tài)性仿真數(shù)學模型分析出未知的物理場特征相關數(shù)據(jù)，在需要的時候，再通過二位動態(tài)顯示出仿真分析的對應結果，這其中電解槽內(nèi)溫度值范圍和槽膛內(nèi)形是動態(tài)顯現(xiàn)的價值。

（3）情況診斷專家子系統(tǒng)內(nèi)容，在槽況診斷過程中，數(shù)據(jù)具有多種類型、缺點缺陷較多和不確定性等特點。在此基礎上，需要借用與此相匹配的生產(chǎn)方法來對槽況進行診斷和表達，即“if-條件-then-結論”，很難應用有效的規(guī)則來描述各種可能情況的完整性，從而導致知識庫的爆炸性傳播情況的發(fā)生。為了避免上述情況，可以使用一種更有效的方法來使用神經(jīng)網(wǎng)絡技術設置槽況診斷專家系統(tǒng)知識庫，這一技術的應用對于表現(xiàn)、總結和提升都具有非常重要的意義。主要可以通過應用下面幾種方法來獲得槽況診斷信息：①槽控機設備的相關信息，②三場仿真信息，③人工檢查測驗得到的信息數(shù)據(jù)。槽部分診斷專家系統(tǒng)知識分為槽況診斷知識和槽況控制決策知識，考慮此情況，網(wǎng)絡要把二者分成兩種通過并聯(lián)方式連接而成的4 層子網(wǎng)絡，來形成槽況診斷專家系統(tǒng)。這樣系統(tǒng)運行時對信息的抓取、電解槽具體情況的斷定都非常有效。槽況維護決策網(wǎng)絡主要用以獲得當天出鋁量情況和當天設定電壓調(diào)整情況，這些都是通過人工來控制相應參數(shù)或者自動設置對應的閾值，然后來完成對應的決策。

5 鋁電解生產(chǎn)過程智能集成網(wǎng)絡控制系統(tǒng)內(nèi)容分析

鋁電解槽中提供了電、磁、熱和電場等復雜功能，促使其中的情況更加復雜，而且該過程還需要定期手動操作，從而產(chǎn)生了許多可變的、可接近的和隨時間變化的特性。鋁電解生產(chǎn)階段的主要目標是基于鋁濃度和電解質(zhì)溫度的數(shù)值預測模型，實現(xiàn)鋁濃度和電解液溫度的特定預測值，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，納入多樣化因素影響，并且可以檢查極距和放電的實際控制策略，以確保電解質(zhì)電池的熱平衡和材料平衡。從而達到最佳的和最優(yōu)的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)質(zhì)量。

基于此，傳統(tǒng)控制技術主要采用相對單一的智能控制技術，控制效果較弱。根據(jù)鋁電解過程的本質(zhì)特點，將智能集成技術應用于鋁電解過程控制器中進行鋁電解過程控制工作，設計了生產(chǎn)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，從而在特定生產(chǎn)中提高了控制效果。

（1）提出了一種基于混沌優(yōu)化的模糊電解質(zhì)溫度控制方法。這個系統(tǒng)的主要形式是串級。主控制器是基于混沌優(yōu)化的溫度模糊控制器，副控制器是鎖定槽電壓專家模糊控制器。此外，有必要分析串級流中變化的槽電壓的影響，并在過程中添加輸入控制裝置，這種結構優(yōu)勢可以提高系統(tǒng)的響應速率，擾動調(diào)節(jié)能力提高后，在提高干擾控制能力的同時克服對象的非線性。

（2）在氧化鋁濃度模糊專家控制系統(tǒng)中進行鋁電解時，有必要密切關注鋁濃度的參數(shù)，并重點關注其控制。濃度值高，槽底較低，電流效率降低，電阻和陰極降低，鋁液層的穩(wěn)定性受到影響。氧化鋁含量低，極易產(chǎn)生陽極效應，增加電池電壓，破壞電解質(zhì)電池能量平衡。對于這些問題的具體分析，必須確保電流效率，保持電池的鋁含量處于低濃度，避免產(chǎn)生陽性效應問題。

6 智能控制發(fā)展方向及應用

鋁電解生產(chǎn)全周期生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)的建設及應用包括：電解槽設計圖紙、內(nèi)村材料質(zhì)量、施工質(zhì)量的過程管控；能量流全過程監(jiān)控及分析系統(tǒng)。應用能耗橋的思路追蹤能源的去向，并在關鍵節(jié)點形成分析和優(yōu)化建議；物料流的全過程監(jiān)控及分析系統(tǒng)。應用物耗橋的思路追蹤物料的去向，并在關鍵節(jié)點形成分析和優(yōu)化建議；槽控系統(tǒng)由模糊控制向智能。實現(xiàn)高效工藝匹配推薦、異常提示及處理意見推送、形成全過程健康度診斷及工藝優(yōu)化推薦，綜合形成智能的槽大修推薦及破損槽險情智能預警控制方向優(yōu)化[5]。

7 結語

綜上所述，隨著人工智能不斷的高速發(fā)展，鋁電解控制工作有新的更好的方法策略。根據(jù)鋁電解生產(chǎn)中的具體情況，智能控制可以設置專家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)3 個子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間獨立工作的基礎上相互配合，實現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)過程智能控制，順應未來鋁電解行業(yè)控制技術的發(fā)展趨勢。鋁電解生產(chǎn)工藝技術得到進一步完善，同時，經(jīng)濟效益和生產(chǎn)安全也得到保障，降低生產(chǎn)工人的工作壓力，進一步提高生產(chǎn)效率。