铝电解模糊专家控制系统的研究

    摘要：介绍了模糊专家技术在铝电解持产过程中的应用；给出了铝是解模糊专家控制器系统结构图和模糊关系。应用该技术控制铝电解生产取得了较好的控制效果。

    关键词：电解槽 模糊控制 专家系统

铝电解是电解槽通以直流电，将氧化铝电解成金属铝的高电耗电压生产过程。高效节能是铝工业技术发展的主要方向。在槽型确定的情况下，为降低吨铝电耗，提高电流效力、优化铝电解生产工艺技术条件就成提高电解技术经济指标的决定因素。技术条件的优化主要靠自控技术的不断发展和控制水平的不断提高来实施。

1 铝电解控制过程分析

铝电解控制系统能实时采集生产过程中信号民，包括：电解槽槽电压（V）和系列电流（I）对生产过程实施的控制有两种，即极距离调节和打壳下料，分别控制槽电压（或槽电阻）和电解质熔体中的氧化铝浓度。氧化铝浓度目前无法在线检浊，但是它和槽电阻（R）存在在一定性U关系，并且和氧化铝下料量有一定的滞后关系。R可由（1）式求得：

R＝（V－E）／I

式中：E－电解槽反电势设氧化铝浓度为C（下料方式：欠料、过料），周期改变氧化铭下料速度，使氧化铝浓度在一定范围内变化（dc/dt≠0 ）。假定在未调节极距（称动阳极）期间电阻变化由氧化浓度所引起的，即：

dR／dt＝dR／dc×dt

dR／dt（槽电阻随时羊变化速率）的大小反映了dR／dc（槽电阻随氧化铝浓度变化速率）的大小；槽电阻R在一定时间的累积斜反映了氧化浓度的变化率。氧化铝浓度C应设置为不易发生阳效应、不易产生沉淀。为了利用dR／dt来判断氧化铝浓度C。在C工作区槽电阻R对氧化铝浓度的导数就足够大，能满足浓度工作区1.5％－3.5％为最佳浓度控制。

2 控制方法研究

2.1 模糊控制（FUZZY）

铝电解模糊控制器系统结构见图1。

Yr、Y分别为输入、输出量，E、Ee、U分别偏差e、偏差变化率ec和控制量μ的模糊语言变量，K1、K2为量化系数。取E、Ec、U的论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}，论域上均取七个FUZZY集，即：正大，正中，正小，零，负小，负中，负大，并赋予它们各自对应的模糊集取值（即隶属度值）。

2.2 建立模糊控制规则表

模糊控制规则表示基于操作者手动控制策略的总结和归纳，根据实际操作经验写成的推理语言控制规则可表示为：

U＝-[a(k)E+(1-a)Ec]    a∈(0,1)

U、E、Ec分别为u、e、e，语言变量值，a为修正因子，[]表示对其中数据按四舍五入规则取整。

2.3 建立查询表

按直乘运算规则求FUZZY关系Ri，通过对所有FUZZY关系Ri（I＝1，2，……n）的运算，要以获取表征铝电解控制系统控制规则总的FUZZY关系R。计算R后，基于推理合成规则，针对论域全部元素的甩有组合，求出相应的控制决策U的FUZZY集合；再按取隶属度最大原则对此集合进行判断，得到相应控制量，最后获得FUZZY控制查询表。将该表存入计算机中，实时根据E、Ec直接查找控制表，获取控制量，再乘比例系数K3即呆作为输出去控制生产过程。

3 建立模糊专家控制方案

模糊专家控制器的一般结构形式见图2。

3.1 铝电解模糊专家控制方案

铝电解模糊专家控制器的结构示意图见图3。

根据工艺要求，下料模糊控制和极距模糊控制由推理机根据结果选择合适的的控制模式。模糊控制规则表达综合为两种形式：一种是“如果（条件）”则“结论”的规则形式，用于表达各种特定的或异常工作况下模糊控制规则；另一种是采用带修正因子控制规则自动修正模糊控制修正表达形式，用于表达常态工况下模糊控制规则，以便通过引入可自动调整的控制规则修正因子，实现对模糊控制规则的在线自动调整。

模糊专家推理根据电解模糊控制规则和改变控制效果，使控制器具有同时处理精确知识和模糊知识的优点，可用于不能建立精确数学模型的被控对象的高性能控制。模糊专家推理机综合运用如下四种形式：①选择不同的控制模式；②调整控制规则表达式的修正因子；③调整模糊变量论域；④调整模糊控制设定值。

论域自调整机制的建立使控制器可根据槽况的变化的控制模式的切换，自动调整输入、输出模式变量所对应的精确值的论域，从而可简便有效地达到在线自动调整控制器的工作点和动、静态品质的目的。模糊专家控制利用上位机人机接口来实现规则库的数据调整，因而为知识获取与应用提供很强的灵活性。

4 系统运行的效果与主要技术指标

（1）实现下列监控效果

氧化铝浓度波动偏差：2（Wt）％

正常槽温度波动范围：±3℃

阳极效应系数：<0.5

阳极效应预报成功率：90％

（2）模糊专家控制槽控机主要技术指标

测量精度：<±0.1％

控制精度：<±0.3％

超调整量：<±0.5％

（3）系统运行稳定可靠，能自动进行故障诊断。由模糊专家控制的槽控机投运后，电流效率提高3.11％；直流电耗降低411kWh／t。A.

铝电解模糊专家控制系统在本厂生产过程中获得了面功应用，把电解专家、操作者经验判断和处理归纳在一起，获得了最佳控制效果。该系统稳定可靠，智能化程度高，可实现对电解槽生产的高效控制，对于实现我国铝电工业的节能降耗和解决环境污染问题、提高铝电解工业生产自动化水平意义重大。