本發(fā)明涉及多組分稀土萃取分離過(guò)程組分含量區(qū)間控制，屬稀土濕法冶金過(guò)程控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：稀土是不可再生資源，是發(fā)展高新技術(shù)不可缺少的重要元素，它對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起重要的作用。稀土萃取過(guò)程中各級(jí)組分含量分布及兩端出口產(chǎn)品純度的檢測(cè)與控制，一直是稀土濕法冶金過(guò)程研究領(lǐng)域的核心和難題。實(shí)現(xiàn)稀土萃取過(guò)程各級(jí)組分含量分布的優(yōu)化控制，對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)工藝、提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低原材料能耗，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究稀土萃取過(guò)程組分含量分布控制，首先要建立稀土萃取分離過(guò)程模型。針對(duì)稀土萃取過(guò)程的建模，可分為靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)建模兩種。靜態(tài)模型，如串級(jí)萃取平衡計(jì)算模型，不能反應(yīng)萃取分離過(guò)程動(dòng)態(tài)變化特性，難以作為過(guò)程控制模型。動(dòng)態(tài)建模，如一種簡(jiǎn)化的雙線性動(dòng)態(tài)模型，該模型在局部范圍預(yù)測(cè)精度較高，但當(dāng)工況發(fā)生較大變化時(shí)，仍存在預(yù)測(cè)誤差偏大問(wèn)題。目前稀土分離主要采用溶劑萃取法，而稀土萃取分離一般具有多組分、產(chǎn)品純度要求高等特點(diǎn)，萃取過(guò)程機(jī)理復(fù)雜、是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、大滯后、強(qiáng)非線性過(guò)程。為了能實(shí)現(xiàn)稀土萃取分離過(guò)程組分含量分布控制，必須建立能體現(xiàn)出上述復(fù)雜特征的動(dòng)態(tài)模型。在稀土萃取過(guò)程組分含量控制方法發(fā)展過(guò)程中，PID控制以及帶參數(shù)自適應(yīng)的改進(jìn)PID算法，都在一定程度上取得令人滿意的效果。但稀土萃取過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多變量、大滯后、非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，PID算法難以獲得理想的效果?；谀：刂?、專家系統(tǒng)和魯棒自適應(yīng)控制等稀土萃取過(guò)程智能控制算法，取得了比PID更好的控制效果，但是模糊控制方法和專家系統(tǒng)控制方法主要是模擬專家實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)萃取工業(yè)運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化或受到隨機(jī)干擾時(shí)，難以在線調(diào)整；魯棒自適應(yīng)控制器是從全局穩(wěn)定性的角度而設(shè)計(jì)的且忽略了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。此外，上述控制方法主要以萃取段或洗滌段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的組分含量設(shè)定值作為調(diào)控目標(biāo)，但未涉及稀土萃取分離過(guò)程區(qū)間控制。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是，對(duì)稀土萃取分離復(fù)雜的非線性運(yùn)行過(guò)程建立有效回聲狀態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型描述，通過(guò)模型預(yù)測(cè)輸出和期望輸出組分含量之間的偏差設(shè)計(jì)性能指標(biāo)函數(shù)，設(shè)計(jì)多變量預(yù)測(cè)控制器以及區(qū)間控制策略，實(shí)現(xiàn)稀土萃取分離多組分含量的區(qū)間控制。本發(fā)明的技術(shù)方案是：所述方法針對(duì)稀土萃取分離過(guò)程各流量/各組分含量過(guò)程控制特點(diǎn)，建立稀土萃取過(guò)程回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型；提出廣義預(yù)測(cè)控制的稀土萃取分離多組分含量的區(qū)間控制方法，實(shí)現(xiàn)稀土萃取分離多組分含量的區(qū)間控制。本發(fā)明基于串級(jí)萃取理論的稀土萃取過(guò)程回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型：由于稀土元素間分離系數(shù)較小，稀土工業(yè)生產(chǎn)中普遍把若干萃取槽串聯(lián)起來(lái)，使被萃物質(zhì)與水相、有機(jī)相多次接觸，從而實(shí)現(xiàn)稀土元素間的有效分離，同時(shí)得到兩個(gè)或兩個(gè)以上高純度、高收率的產(chǎn)品。根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，料液流量大小通常由產(chǎn)品產(chǎn)量決定，在萃取過(guò)程中基本保持恒定。由此可將稀土萃取過(guò)程描述為如下非線性函數(shù)關(guān)系式，即：y1(k)=f1[y1(k-1),u1(k),u2(k)]+ζ1y2(k)=f2[y2(k-1),u1(k),u2(k)]+ζ2---(1)]]>式中，y1為萃取段監(jiān)測(cè)級(jí)組分含量，y2為洗滌段監(jiān)測(cè)級(jí)組分含量，u1為萃取劑流量，u2為洗滌劑流量。萃取段和洗滌段監(jiān)測(cè)級(jí)組分含量滿足：y1min≤y1(t)≤y1maxy2min≤y2(t)≤y2max---(2)]]>其中，y1min、y1max、y2min和y2max分別為兩端監(jiān)測(cè)點(diǎn)組分含量上下限。然后，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)思想，將稀土萃取過(guò)程建模，回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)(EchoStateNetworks,簡(jiǎn)稱ESNs)是一種特殊類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其基本思想是使用大規(guī)模隨機(jī)連接的遞歸網(wǎng)絡(luò)，取代經(jīng)典神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的中間層，從而簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程。式(1)等效成式(3)的模型，即稀土萃取過(guò)程回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型為：x(k+1)=f(Wxx(k)+Winu(k+1)+Wbacky(k))y(k+1)=fout(WoutTx(k+1))---(3)]]>式中，Wx，Win，Wback，分別為表示內(nèi)部狀態(tài)變量、輸入和輸出到內(nèi)部狀態(tài)的連接權(quán)值矩陣；維數(shù)分別為N×K，N×N，N×L，Wout表示狀態(tài)儲(chǔ)備池輸出對(duì)于輸出層的連接權(quán)值矩陣，維數(shù)為L(zhǎng)×N，f＝(f1,f2,…,fN)為內(nèi)部神經(jīng)元激活函數(shù)，這里為雙曲正切激勵(lì)函數(shù)。fout是輸出函數(shù)，為線性函數(shù)。ESNs將狀態(tài)儲(chǔ)備池設(shè)計(jì)成包含數(shù)量幾百個(gè)(常取100～1000之間)神經(jīng)單元，儲(chǔ)備池的神經(jīng)元為隨機(jī)的稀疏連接(通常保持1％～5％連接)，其矩陣的譜半徑小于1。在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過(guò)程中，連接到儲(chǔ)備池的連接權(quán)矩陣Wx，Win，Wback隨機(jī)產(chǎn)生，一經(jīng)產(chǎn)生就固定不變。而連接到輸出的連接權(quán)矩陣Wout需要通過(guò)訓(xùn)練得到，因?yàn)闋顟B(tài)變量、輸入和輸出與輸出之間是線性關(guān)系，所以通常這些連接權(quán)只需通過(guò)求解線性回歸問(wèn)題得到。本發(fā)明稀土萃取分離多組分含量的區(qū)間控制方法如下：本發(fā)明提出基于廣義預(yù)測(cè)控制的稀土萃取多組分含量區(qū)間的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)稀土萃取過(guò)程組分含量區(qū)間控制，其框圖如圖2所示。采用預(yù)測(cè)模型架構(gòu)，參考軌跡yr(k)為監(jiān)測(cè)級(jí)組分含量的設(shè)定區(qū)間值，通過(guò)建立稀土萃取過(guò)程回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，模型輸出ym(k)與實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的輸出y(k)得到誤差值em(k)，未來(lái)時(shí)刻的預(yù)測(cè)輸出ym(k+i)和當(dāng)前時(shí)刻誤差值進(jìn)行反饋校正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型的各個(gè)參數(shù)，然后再利用反饋校正后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行下一步預(yù)測(cè)，得到反饋校正后的預(yù)測(cè)值yp(k+i)，判斷預(yù)測(cè)值是否滿足給定區(qū)間范圍，然后根據(jù)區(qū)間控制策略進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化計(jì)算，得到過(guò)程的控制量，進(jìn)行控制稀土萃取過(guò)程。在預(yù)測(cè)控制中采用如下的二次型性能指標(biāo)，在預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)求解優(yōu)化問(wèn)題，以模型輸出和期望輸出的組分含量偏差設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)：minJ(k)=Σi=1PΣj=1nqj(i)[yrj(k+i)-yj(k+i)]2+Σi=1MΣj=1mrj(i)[Δuj(k+i-1)]2---(4)]]>式(4)中，yj(k+i)為組分含量預(yù)測(cè)模型第j個(gè)輸出變量超前i步的最優(yōu)預(yù)測(cè)值；△uj(k+j-1)為控制增量序列；yrj(k+i)為第j個(gè)輸出變量未來(lái)參考軌跡；P，M分別表示預(yù)測(cè)長(zhǎng)度、控制長(zhǎng)度；qj(i)，rj(i)分別為誤差加權(quán)系數(shù)和控制加權(quán)系數(shù)。m、n為輸出，輸入變量個(gè)數(shù)，對(duì)象為2輸入2輸出系統(tǒng)，m、n都為2。將式(4)用矩陣形式表示為：minJ=||Yr-Y||Q2+||ΔU||R2---(5)]]>式(5)中，Y為組分含量預(yù)測(cè)輸出，Yr為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行軌跡，△U為系統(tǒng)控制增量，P為模型預(yù)測(cè)長(zhǎng)度，M為模型控制長(zhǎng)度，其中：Y＝Y(jié)0+G△U，控制矩陣G∈R(2*N)×(2*N)。初始值Y0＝[y01(k+1),y01(k+2),…,y01(k+P),y02(k+1),y02(k+2),…,y02(k+P)]T，Yr＝[yr1(k+1),yr1(k+2),…,yr1(k+P),yr2(k+1)，yr2(k+2),…,yr2(k+P)]T，Q為誤差權(quán)系數(shù)矩陣，Q＝diag(Q1,Q2,…,Qm)，R為控制權(quán)系數(shù)矩陣，R＝diag(R1,R2,…,Rn)，一般為單位陣，其中子塊系數(shù)矩陣為：Qi＝diag(q1(1),q2(2),…,qi(P)),(i＝1,2,…,m)，Rj＝diag(r1(1),r2(2),…,rj(M)),(j＝1,2,…,n)。根據(jù)公式(5)，由可求得控制增量序列最優(yōu)值△U*(k)，公式(5)可以寫成：J=[Yr-Y]TQ[Yr-Y]+ΔUTRΔU=[Yr-Y0-GΔU]TQ[Yr-Y0-GΔU]+ΔUTRΔU=[Yr-Y0]TQ[Yr-Y0]-[Yr-Y0]TQGΔU-ΔUTGTQ[Yr-Y0]+ΔUTGTQGΔU+ΔUTRΔU---(6)]]>求可得：-[Yr-Y0]TQG-GTQ[Yr-Y0]+2[GTQG+R]ΔU*=0---(7)]]>即：[GTQG+R]△U*＝GTQ[Yr-Y0](8)△U*＝[GTQG+R]-1GTQ[Yr-Y0](9)△U*即為作用于稀土萃取分離過(guò)程的萃取劑和洗滌劑流量的增量值。本發(fā)明提出稀土萃取分離多組分含量的區(qū)間控制方法，該方法在系統(tǒng)的性能指標(biāo)中引入了一個(gè)可變的權(quán)矩陣Q。如圖3所示，基于區(qū)間控制的預(yù)測(cè)控制器總是能夠使被控變量y滿足區(qū)間約束條件[ymin,ymax]并盡可能的使其在給定的期望控制區(qū)間[εmin,εmax]內(nèi)。監(jiān)測(cè)級(jí)上限為ymax，監(jiān)測(cè)級(jí)下限為ymin。當(dāng)預(yù)測(cè)輸出在I，II，III區(qū)間范圍內(nèi)，或者超過(guò)這些區(qū)間時(shí)，輸出誤差權(quán)矩陣Q(i)根據(jù)公式(10)的區(qū)間控制策略進(jìn)行調(diào)整，其中權(quán)矩陣為對(duì)角矩陣，其對(duì)角元素，即加權(quán)系數(shù)越大表示該被控變量越重要。Q(i)=0[ϵmin-y(k+i)ϵmin-ymin]2[y(k+i)-ϵmaxymax-ϵmax]21---(10)]]>ϵmin<y^(k+i)<ϵmax,ymin<=y^(k+i)<ϵmin,ϵmax<=y^(k+i)<ymax,y^(k+i)∉[ymin,ymax].]]>具體說(shuō)明如下：(1)當(dāng)預(yù)測(cè)輸出在I范圍內(nèi)時(shí)，則調(diào)整權(quán)矩陣為Q(i)＝0，忽略輸出在此區(qū)間的變化，i＝1,2…,P。(2)當(dāng)預(yù)測(cè)輸出在II或者III范圍內(nèi)時(shí)，超出了期望區(qū)間，按照下列區(qū)間策略調(diào)整權(quán)值，即：預(yù)測(cè)輸出在II范圍內(nèi)：或者，預(yù)測(cè)輸出在III范圍內(nèi)：(3)當(dāng)預(yù)測(cè)輸出在I，II，III范圍外，超出給定的約束條件，權(quán)值最大，Q(i)＝1。所有的被控變量都在規(guī)定的范圍內(nèi)。綜上所述，本發(fā)明針對(duì)復(fù)雜不確定稀土萃取過(guò)程,建立了稀土萃取過(guò)程回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,提出基于廣義預(yù)測(cè)控制的稀土萃取分離多組分含量的區(qū)間控制方法,實(shí)現(xiàn)稀土萃取過(guò)程組組分含量區(qū)間控制，滿足兩端監(jiān)測(cè)級(jí)組分含量穩(wěn)定在給定范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了稀土萃取過(guò)程產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定控制。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的有益效果是，稀土萃取過(guò)程動(dòng)態(tài)特性具有非線性、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，一般采用萃取過(guò)程平衡狀態(tài)下的軟測(cè)量模型即靜態(tài)模型，它能用來(lái)解決工藝設(shè)計(jì)問(wèn)題，但難以實(shí)現(xiàn)萃取過(guò)程組分含量的在線預(yù)測(cè)以及難以建立精確的控制模型，從而影響稀土組分含量跟蹤控制的效果。本技術(shù)方案首先根據(jù)稀土萃取分離運(yùn)行樣本數(shù)據(jù)特點(diǎn)以及預(yù)測(cè)問(wèn)題的實(shí)際需求確定訓(xùn)練樣本的長(zhǎng)度以及預(yù)測(cè)時(shí)域，得到網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出對(duì)，然后初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)是我輸出連接權(quán)矩陣，再進(jìn)行新序列值得預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)結(jié)果。提出基于廣義預(yù)測(cè)控制的稀土萃取過(guò)程組分含量區(qū)間控制方法，根據(jù)區(qū)間控制策略進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化計(jì)算，得到稀土萃取過(guò)程的準(zhǔn)確控制量，使稀土萃取過(guò)程組分含量滿足區(qū)間控制要求，保證了兩端出口產(chǎn)品的質(zhì)量?？蔀橄⊥凛腿‖F(xiàn)場(chǎng)提供可靠的信息。本發(fā)明適用于稀土萃取過(guò)程建模和優(yōu)化控制。附圖說(shuō)明圖1為稀土萃取分離生產(chǎn)過(guò)程描述(有機(jī)相進(jìn)料)；圖2為稀土萃取過(guò)程組分含量預(yù)測(cè)控制框圖；圖3為基于區(qū)間控制的預(yù)測(cè)控制圖解；圖4為CePr/Nd萃取分離過(guò)程建模測(cè)試結(jié)果，圖4(1)為20級(jí)組分含量預(yù)測(cè)誤差曲線，圖4(2)為50級(jí)組分含量預(yù)測(cè)誤差曲線；圖5為兩端監(jiān)測(cè)級(jí)組分含量區(qū)間預(yù)測(cè)控制曲線，圖5(1)為20級(jí)水相難萃組分含量區(qū)間預(yù)測(cè)控制曲線，圖5(2)為50級(jí)水相難萃組分含量區(qū)間預(yù)測(cè)控制曲線，圖5(3)為萃取劑流量控制曲線，圖5(4)為洗滌劑流量控制曲線。具體實(shí)施方式本發(fā)明實(shí)施例選用CePr/Nd萃取分離過(guò)程研究對(duì)象，生產(chǎn)過(guò)程圖如圖1所示。采集該三組分生產(chǎn)線上實(shí)際運(yùn)行過(guò)程數(shù)據(jù)包括萃取劑流量、洗滌劑流量、監(jiān)測(cè)級(jí)組分含量，結(jié)合“模擬分液漏斗法”數(shù)據(jù)，開(kāi)展回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)建模及運(yùn)行控制仿真驗(yàn)證。采用稀土萃取過(guò)程的ESN模型辨識(shí)稀土萃取分離過(guò)程，ESN中動(dòng)態(tài)儲(chǔ)備池的神經(jīng)元個(gè)數(shù)為250，隱含層保持1％的稀疏連接和矩陣的譜半徑設(shè)置為0.85。本實(shí)施例采用稀土萃取分離多組分含量的區(qū)間控制方法對(duì)CePr/Nd萃取分離過(guò)程進(jìn)行組分含量區(qū)間控制。圖3描述了區(qū)間控制的預(yù)測(cè)控制圖解。相應(yīng)的誤差曲線如圖4所示，其中，圖4(1)為20級(jí)組分含量預(yù)測(cè)誤差曲線，圖4(2)為50級(jí)組分含量預(yù)測(cè)誤差曲線；CePr/Nd萃取分離過(guò)程模型測(cè)試的相對(duì)誤差均在±2％內(nèi)，所建立模型能以較高精度模擬兩端監(jiān)測(cè)級(jí)組分含量與各控制流量間的非線性函數(shù)。圖5為兩端監(jiān)測(cè)級(jí)組分含量區(qū)間預(yù)測(cè)控制曲線。其中，圖5(1)為20級(jí)水相難萃組分含量區(qū)間預(yù)測(cè)控制曲線，圖5(2)為50級(jí)水相難萃組分含量區(qū)間預(yù)測(cè)控制曲線，圖5(3)為萃取劑流量控制曲線，圖5(4)為洗滌劑流量控制曲線。表1為稀土萃取過(guò)程控制量和被控制量約束范圍表1稀土萃取過(guò)程控制量和被控制量約束范圍根據(jù)圖5和表1可知，各組分含量的輸出在不同工況條件下均有良好的跟蹤能力，保證兩端監(jiān)測(cè)級(jí)組分含量穩(wěn)定在給定范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)稀土萃取過(guò)程產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定控制，能以較高精度滿足運(yùn)行控制要求。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3