專利名稱：預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電解鋁的生產(chǎn)控制方法及裝置，具體地涉及一種以氧化鋁為原料使用預(yù)焙電解槽生產(chǎn)電解鋁的變論域自適應(yīng)模糊控制方法及裝置。
通常情況下，為了得到一個(gè)穩(wěn)定生產(chǎn)的預(yù)焙電解鋁和一個(gè)高的電流效率，需要將電解槽中氧化鋁濃度控制在1.2％～3.5％。傳統(tǒng)的控制電解槽內(nèi)氧化鋁濃度的方法一般是利用可測(cè)的電解槽的電流和電壓，修改氧化鋁的下料時(shí)間間隔(NB)，以達(dá)到使氧化鋁的濃度處在一個(gè)比較低的水平、并控制不發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)(AE)的目的。然而預(yù)焙鋁電解槽是一種復(fù)雜的非線性時(shí)變系統(tǒng)，其模型具有不確定性，并且由于能夠測(cè)到的在線參數(shù)只有電解槽的電流和電壓，所以對(duì)于所要控制的將氧化鋁的濃度保持處于一個(gè)比較低的水平來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的常規(guī)控制方法均沒(méi)有取得好的效果。
智能模糊控制技術(shù)的發(fā)展為解決上述預(yù)焙電解槽的控制問(wèn)題提供了有利的理論基礎(chǔ)。一般的模糊控制不需要受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)采集熟練工人的控制經(jīng)驗(yàn)，形成模糊規(guī)則庫(kù)，完全模擬人類專家對(duì)預(yù)焙電解槽進(jìn)行控制。但是一般論域下的模糊插值控制方法，模糊規(guī)則庫(kù)復(fù)雜，模糊規(guī)則甚至可多達(dá)1000多條，因此運(yùn)算較復(fù)雜，控制的滯后延遲較大，并且對(duì)人類專家的經(jīng)驗(yàn)依賴較大，因而對(duì)電解槽的適應(yīng)性較低。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，提供一種預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制裝置，包括電壓檢測(cè)裝置，檢測(cè)電解槽的電壓變化值；上位機(jī)，設(shè)定氧化鋁濃度的設(shè)定值，并對(duì)電解槽的工藝操作和原料配給進(jìn)行集中控制；槽控機(jī)，接收來(lái)自上位機(jī)的氧化鋁濃度的設(shè)定值，并使用電解槽的電壓變化值ΔU進(jìn)行變論域模糊控制計(jì)算，得出當(dāng)前的氧化鋁的下料間隔NB的時(shí)間t，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)所接收的由槽控機(jī)計(jì)算得到的下料間隔NB的時(shí)間t，控制氧化鋁的下料量。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，提供一種預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法，包括步驟上位機(jī)對(duì)電解槽進(jìn)行集中控制，并為電解槽設(shè)定一個(gè)氧化鋁濃度設(shè)定值；槽控機(jī)接收所設(shè)定的氧化鋁濃度設(shè)定值，以及從電解槽周期采集的電壓變化值ΔU，ΔU的取值范圍為[-Ua，Ub]；接收來(lái)自上位機(jī)的氧化鋁濃度的設(shè)定值，并使用電解槽的電壓變化值ΔU進(jìn)行變論域自適應(yīng)模糊控制計(jì)算，得出當(dāng)前的氧化鋁的下料間隔NB的時(shí)間t，執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制電解槽的下料時(shí)間，以調(diào)整氧化鋁的濃度；槽控機(jī)按周期將電解槽的狀態(tài)比如電解槽的電壓、電流強(qiáng)度和過(guò)熱溫度等反饋給上位機(jī)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制裝置。如圖1所示，電解槽1的電壓變化值ΔU經(jīng)電壓檢測(cè)裝置(未示出)傳送到槽控機(jī)2。槽控機(jī)2接收來(lái)自上位機(jī)3的氧化鋁濃度的設(shè)定值，上位機(jī)3將工藝人員通過(guò)看(火焰顏色、液面清晰度)、測(cè)(電解溫度、分子比、兩水平)、摸(爐壁的厚薄)、算(五日溫度趨勢(shì))等，所決定氧化鋁濃度的選做氧化鋁濃度的設(shè)定值。槽控機(jī)2使用電解槽1的電壓變化值ΔU進(jìn)行變論域模糊控制計(jì)算，得出當(dāng)前的氧化鋁的下料間隔NB的時(shí)間t，并將計(jì)算得到的時(shí)間t傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)4，執(zhí)行機(jī)構(gòu)4可采用諸如超濃相輸送氧化鋁裝置、風(fēng)動(dòng)輸送氧化鋁裝置或電動(dòng)小車輸送氧化鋁裝置。執(zhí)行機(jī)構(gòu)4根據(jù)下料間隔NB的時(shí)間t控制氧化鋁的下料量。上位機(jī)3對(duì)電解槽1的工藝操作和原料配給進(jìn)行集中控制。
圖2是槽控機(jī)2的詳細(xì)組成結(jié)構(gòu)圖。槽控機(jī)2包括前件伸縮因子計(jì)算裝置21、控制計(jì)算裝置22、后件伸縮因子計(jì)算裝置23。其中前件伸縮因子計(jì)算裝置21根據(jù)當(dāng)前的電壓變化值ΔU計(jì)算變論域模糊控制中的前件伸縮因子，并將所計(jì)算的前件伸縮因子傳送到控制計(jì)算裝置22中。控制計(jì)算裝置22根據(jù)前件伸縮因子計(jì)算出變論域下的插值模糊控制的輸入變量，并計(jì)算初步的下料間隔NB的時(shí)間t。將所計(jì)算的初步的下料間隔NB的時(shí)間t提供到后件伸縮因子計(jì)算裝置23，后件伸縮因子計(jì)算裝置23根據(jù)當(dāng)前的電壓變化值ΔU以及前一次計(jì)算的下料時(shí)間間隔值計(jì)算變論域模糊控制中的后件伸縮因子，并將后件伸縮因子乘以所計(jì)算的初步的下料間隔時(shí)間t，得到修正后的下料間隔NB的時(shí)間t。
下面詳細(xì)說(shuō)明在槽控機(jī)中所進(jìn)行的變論域模糊控制計(jì)算。
在根據(jù)本發(fā)明的槽控機(jī)2中變論域自適應(yīng)模糊控制器的輸入變量?jī)H為電解槽的電壓變化值ΔU，輸出變量為氧化鋁的下料間隔NB的時(shí)間t。設(shè)[-Ua，Ub]為ΔU的取值范圍(稱為輸入論域)，A1，A2，…，A7為輸入論域[-Ua，Ub]上的模糊劃分，這里模糊集可以選取“三角波”、“矩形波”、“高斯型”等隸屬函數(shù)。本實(shí)施例的模糊集采取的是如圖3所示的“三角波”隸屬函數(shù)，具體地各個(gè)模糊劃分上的相應(yīng)隸屬函數(shù)可以取值如下 上述是前件論域的模糊劃分，或者稱為模糊推理規(guī)則的前件模糊集。這里傳統(tǒng)的模糊推理規(guī)則庫(kù)已經(jīng)省去，僅僅出現(xiàn)的上述是等價(jià)于“模糊推理規(guī)則庫(kù)”的“模糊控制函數(shù)”。
其中記[ta，tb]為輸出變量NB的取值范圍(稱為輸出論域)，ti為輸出論域中相應(yīng)模糊集Ai的峰點(diǎn)值，在計(jì)算中ti的初始值的確定主要依賴于以往經(jīng)驗(yàn)和領(lǐng)域?qū)＜业闹R(shí)，ti的值一般不進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新；只需要一段時(shí)間后(如3～5個(gè)星期)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整一下ti的值即可。
引如變論域思想后，得到的變論域自適應(yīng)模糊控制函數(shù)為t(k)=β(ΔU(k),t(k-1))Σi=17Ai(ΔU(k)α(ΔU(k)))ti......(8)]]>其中α(x)為前件伸縮因子，β(x，y)為后件伸縮因子。與一般論域下的模糊控制插值函數(shù)相比，即與t(k)=Σi=17Ai(ΔU(k))ti]]>相比，變論域自適應(yīng)模糊控制函數(shù)增加了前件伸縮因子和后件伸縮因子。
通常我們建議前件伸縮因子取值如下α(x)=(|x|E)τ,τ>0......(9)]]>其中在預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)中，利用的模糊控制器是簡(jiǎn)單的單入單出模糊控制器；因此沒(méi)有必要計(jì)算綜合誤差，E可以直接取值為EΔ=max{Ua,Ub}]]>其中的τ的初始值是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)確定，τ的值是一個(gè)可以在線調(diào)節(jié)的參數(shù)，不同的電解槽τ取值可能略微不同，一般取值在0.7～2。
通常前件伸縮因子還可以取值如下α(x)＝1-λesp(-kx2)，λ∈(0，1)，k＞0……(10)其中λ、k的初始值是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)確定，λ、k亦是在線調(diào)節(jié)的參數(shù)，不同的電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。
通常我們建議后件伸縮因子取值如下β(x，y)＝1-λesp(-k1x2-k2y2)，λ∈(0，1)，k1，k2＞0.......(11)
其中λ、k1、k2的初始值是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)確定，λ、k1、k2亦是在線調(diào)節(jié)的參數(shù)，不同的電解槽取值略微不同，一般λ取值在0.5～0.99，k1、k2取值0.5～1。
通常后件伸縮因子還可以取值如下連續(xù)型β(ω)=1+KI∫0ωΔU(τ)dτ,KI>0......(12)]]>離散型β(k)=1+KITΣλ=1kΔU(λ),KI,T>0......(13)]]>通常情況下公式(12)、(13)中的取積分常數(shù)KI為0.5～2，公式(13)中參數(shù)T為離散控制系統(tǒng)采樣時(shí)間，大小根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)定。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法的流程圖。在步驟S1上位機(jī)對(duì)電解槽的工藝操作和原料配給進(jìn)行集中控制，并為該電解槽設(shè)定一個(gè)氧化鋁濃度設(shè)定值。在步驟S2，槽控機(jī)接收所設(shè)定的氧化鋁濃度設(shè)定值，以及從電解槽周期采集的電壓變化值ΔU。在步驟S3，計(jì)算前件伸縮因子，并計(jì)算變論域插值模糊控制計(jì)算的輸入。在步驟S4，根據(jù)前件伸縮因子計(jì)算出變論域下插值模糊控制的輸入變量，并計(jì)算初步的下料間隔NB的時(shí)間t。在步驟S5，計(jì)算后件伸縮因子，并將后件伸縮因子乘以所計(jì)算的初步的下料間隔時(shí)間t，得到修正后的下料間隔NB的時(shí)間t，然后將修正后的下料間隔NB的時(shí)間提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)4。在步驟S6，執(zhí)行機(jī)構(gòu)4控制電解槽的下料時(shí)間，以調(diào)整氧化鋁的濃度。在步驟S7，槽控機(jī)按周期將電解槽的狀態(tài)比如電解槽的電壓、電流強(qiáng)度和過(guò)熱溫度等反饋給上位機(jī)。
以上參照?qǐng)D1-4針對(duì)一個(gè)電解槽描述了本發(fā)明的變論域自適應(yīng)模糊控制方法和裝置，在實(shí)際應(yīng)用中，可使用一個(gè)槽控機(jī)、一個(gè)上位機(jī)來(lái)控制多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別向多個(gè)電解槽下料的下料間隔時(shí)間。
通過(guò)上述說(shuō)明可知，與通常模糊插值控制器比較，本發(fā)明的變論域自適應(yīng)模糊插值控制裝置和方法有以下優(yōu)點(diǎn)在論域的模糊劃分時(shí)，對(duì)隸屬函數(shù)的形狀沒(méi)有特別要求，比如選擇簡(jiǎn)單的“三角波”隸屬函數(shù)；建立推理規(guī)則庫(kù)時(shí)，不需要太多的推理規(guī)則，運(yùn)算量大大下降，比如本發(fā)明所述優(yōu)選實(shí)施例僅有7條推理規(guī)則；依賴于直覺(jué)建立推理規(guī)則，不過(guò)分依賴于專家，提高了對(duì)電解槽的適應(yīng)性；變論域自適應(yīng)模糊控制器的控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)模糊控制器，控制滯后延遲減少明顯；同時(shí)由于本發(fā)明的變論域自適應(yīng)模糊控制器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，更方便于仿真和采用軟件實(shí)現(xiàn)，節(jié)約生產(chǎn)成本。
本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在本說(shuō)明書(shū)的啟示下，能夠獲得各種變形和改變，因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附的權(quán)利要求書(shū)來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制裝置，包括電壓檢測(cè)裝置，檢測(cè)電解槽的電壓變化值；上位機(jī)，設(shè)定氧化鋁濃度的設(shè)定值，并對(duì)電解槽的工藝操作和原料配給進(jìn)行集中控制；槽控機(jī)，接收來(lái)自上位機(jī)的氧化鋁濃度的設(shè)定值，并使用電解槽的電壓變化值ΔU進(jìn)行變論域模糊控制計(jì)算，得出當(dāng)前的氧化鋁的下料間隔NB的時(shí)間t；執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)所接收的由槽控機(jī)計(jì)算得到的下料間隔NB的時(shí)間t，控制氧化鋁的下料量。
2.如權(quán)利要求1所述的預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制裝置，其中槽控機(jī)包括前件伸縮因子計(jì)算裝置，根據(jù)當(dāng)前的電壓變化值ΔU計(jì)算變論域模糊控制中的前件伸縮因子；控制計(jì)算裝置，根據(jù)前件伸縮因子計(jì)算出變論域下的插值模糊控制的輸入變量，并計(jì)算初步的下料間隔NB的時(shí)間t；后件伸縮因子計(jì)算裝置，根據(jù)當(dāng)前的電壓變化值ΔU以及前一次計(jì)算的下料時(shí)間間隔值計(jì)算變論域模糊控制中的后件伸縮因子，并將后件伸縮因子乘以所計(jì)算的初步的下料間隔時(shí)間t，得到修正后的下料間隔NB的時(shí)間t。
3.一種預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法，包括步驟上位機(jī)對(duì)電解槽進(jìn)行集中控制，并為電解槽設(shè)定一個(gè)氧化鋁濃度設(shè)定值；槽控機(jī)接收所設(shè)定的氧化鋁濃度設(shè)定值，以及從電解槽周期采集的電壓變化值ΔU，ΔU的取值范圍為[-Ua，Ub]；接收來(lái)自上位機(jī)的氧化鋁濃度的設(shè)定值，并使用電解槽的電壓變化值ΔU進(jìn)行變論域自適應(yīng)模糊控制計(jì)算，得出當(dāng)前的氧化鋁的下料間隔NB的時(shí)間t；執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制電解槽的下料時(shí)間，以調(diào)整氧化鋁的濃度；槽控機(jī)按周期將電解槽的狀態(tài)比如電解槽的電壓、電流強(qiáng)度和過(guò)熱溫度等反饋給上位機(jī)。
4.如權(quán)利要求3所述的預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法，其中變論域自適應(yīng)模糊控制計(jì)算步驟包括計(jì)算前件伸縮因子α(x)，并計(jì)算變論域插值模糊控制計(jì)算的輸入；根據(jù)前件伸縮因子α(x)計(jì)算出變論域下插值模糊控制的輸入變量，并計(jì)算初步的下料間隔NB的時(shí)間t；計(jì)算后件伸縮因子，并將后件伸縮因子乘以所計(jì)算的初步的下料間隔時(shí)間t，得到修正后的下料間隔NB的時(shí)間t，然后將修正后的下料間隔NB的時(shí)間提供給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中下料間隔NB的時(shí)間t計(jì)算步驟中，采用t(k)=β(ΔU(k),t(k-1))Σi-17Ai(ΔU(k)α(ΔU(k)))ti]]>其中A1，A2，…，A7為輸入論域[-Ua，Ub]上的模糊劃分的模糊集。
5.如權(quán)利要求4所述的預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法，其中所述的模糊集可以選取“三角波”、“矩形波”、“高斯型”等隸屬函數(shù)中的一個(gè)。
6.如權(quán)利要求4所述的預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法，其中在計(jì)算前件伸縮因子步驟中，采用α(x)=(|x|E)τ,τ>0]]>其中α(x)是前件伸縮因子，E可以直接取值為EΔ=max{Ua,Ub},]]>τ的初始值是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)確定，τ的值是一個(gè)可以在線調(diào)節(jié)的參數(shù)，不同的電解槽τ取值略微不同，一般取值在0.7～2。
7.如權(quán)利要求4所述的預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法，其中在計(jì)算前件伸縮因子步驟中，采用α(x)＝1-λesp(-kx2)，λ∈(0，1)，k＞0其中α(x)是前件伸縮因子，λ、k的初始值是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)確定，λ、k亦是在線調(diào)節(jié)的參數(shù)，不同的電解槽取值略微不同，一般λ取值0.5～0.99，k取值0.5～1。
8.如權(quán)利要求4所述的預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法，其中在計(jì)算后件伸縮因子步驟中，后件伸縮因子可取值如下β(x，y)＝1-λesp(-k1x2-k2y2)，λ∈(0，1)，k1，k2＞0其中λ、k1、k2的初始值是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)確定，λ、k1、k2亦是在線調(diào)節(jié)的參數(shù)，不同的電解槽取值略微不同，一般λ取值在0.5～0.99，k1、k2取值0.5～1。
9.如權(quán)利要求4所述的預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法，其中在計(jì)算后件伸縮因子步驟中，后件伸縮因子可取值如下連續(xù)型β(ω)=1+KI∫0ωΔU(τ)dτ,KI>0]]>通常情況下取積分常數(shù)KI為0.5～2。
10.如權(quán)利要求4所述的預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制方法，其中在計(jì)算后件伸縮因子步驟中，后件伸縮因子可取值如下離散型β(k)=1+KITΣλ=1kΔU(λ),KI,T>0]]>其中參數(shù)T為離散控制系統(tǒng)采樣時(shí)間，大小根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)定；通常情況下取積分常數(shù)KI為0.5～2。
全文摘要
提供一種預(yù)焙電解鋁生產(chǎn)的變論域自適應(yīng)模糊控制裝置和方法，其中所述裝置包括電壓檢測(cè)裝置，檢測(cè)電解槽(1)的電壓變化值；上位機(jī)，設(shè)定氧化鋁濃度的設(shè)定值，并對(duì)電解槽的工藝操作和原料配給進(jìn)行集中控制；槽控機(jī)，接收來(lái)自上位機(jī)(3)的氧化鋁濃度的設(shè)定值，并使用電解槽的電壓變化值ΔU進(jìn)行變論域模糊控制計(jì)算，得出當(dāng)前的氧化鋁的下料間隔NB的時(shí)間t；執(zhí)行機(jī)構(gòu)，根據(jù)所接收的由槽控機(jī)計(jì)算得到的下料間隔NB的時(shí)間t，控制氧化鋁的下料量。
文檔編號(hào)C25C3/20GK1421545SQ0215812
公開(kāi)日2003年6月4日 申請(qǐng)日期2002年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月25日
發(fā)明者李洪興, 王加銀, 谷云東, 馮艷賓 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)