浅论铝电解智能控制技术的应用与发展

浅论铝电解智能控制技术的应用与发展
摘要本文论述了铝电解智能控制技术的应用与发展，为铝电解智能控制技术的应用走可持续发展的道路提供了一定的见解。

关键词铝电解智能控制技术，应用与发展
引言
因为铝电解生产以多达数百台电解槽申联成一个生产系列的方式进行，耗能巨大（吨铝电能消耗为13，000-13，600kWh ），所以节能降耗一直是铝业界研究的主题。

虽然开始于20世纪60年代的计算机控制技术对铝电解生产过程的节能降耗发挥了巨大的作用，但是其也存在许多缺陷。

其主要表现在：依赖于精确的数学模型；控制算法较为理想化；控制输出变量少；执行机构简单以及难以有效利用铝电解专家的知识和逻辑思维来解决问题[1]。

1 对铝电解智能控制技术的应用现状的分析与认识
1.1 铝电解槽分布式控制系统结构
（1）过程控制级
过程控制级由几十台至上百台开放式智能槽控机系统组成。

每台智能槽控机控制一台电解槽，独立完成现场数据采集、实时槽况解析和数据通信的任务。

其具有电解生产过程打壳、下料、阳极升、阳极降、效应报警、效应处理、出铝、边加、换极、抬母线等功能，并根据实时槽况解析结果进行相应的电解控制。

（2）过程优化级
过程优化级由接口监控机和数据库服务器组成。

系统分为四个独立模块：通讯模块、监控管理模块、实时数据库模块和远程监控模块。

由于过程优化级是实现集中管理的核心，因此在这里采用了冗余设计。

一台计算机用做服务器，其余的计算机用做接口监控机。

在接口监控机中有一台可以作为备用服务器。

当服务器发生故障时，该接口监控机可承担服务器功能。

另外，各接口监控机之间还具有互为备用功能。

这种冗余设计大大地提高了系统的可靠性。

（3）生产管理级
生产管理级由生产调度、电解车间、整流所、化验室、铸造部等工作站和
Web服务器系统组成。

其搜集电解生产各部门的大量数据，为企业经营决策提供数据平台，便于管理人员进行综合数据统计分析，即成为企业集团总体协调、计划管理、预测决策的重要依据。

1.2 主要控制方法
铝电解生产过程控制的基本任务是对电解槽的物料平衡和能量平衡进行稳定性控制。

电解槽运行的理想控制状态是保持极距、电解质温度和电解质组成有恒定不变的最佳值[2]。

2 依靠技术进步，以促进铝电解智能控制技术的应用的可持续发展
2.1 铝电解过程控制智能算法的研究
（1）控制算法的研究
对于一些复杂被控对象（如氧化铝浓度），虽然无法建立定量的、完整的数学模型，但被控对象可测变量与不可测的控制变量之间所存在的可以“分辨”的对应关系却依然是过程控制的重要依据。

另外，对于这类受控对象，其依赖于严格的数学模型的传统控制理论不能取得良好的控制效果。

而智能控制不需要被控对象的数学模型。

（2）系统在线智能辨识原理的应用
氧化铝浓度控制策略涉及的内容很多控制技术在氧化铝浓度控制中的应用情况。

①描述可測变量与不可测控制变量之间关系的模糊语言变量
对于氧化铝浓度的控制，最重要的是“辨识”氧化铝浓度与槽电阻的对应关系曲线的形状特征和位置以及当前工作点（氧化铝浓度）在特征曲线上所处的位置。

为此，定义两个模糊语言变量来分别描绘曲线的形状特征和位置，并定义一个模糊语言变量（氧化铝浓度）来表示工作点的位置。

②“激励”信号序列的设计
为了对描述可测变量与控制变量之间关系的模糊语言变量值进行“辨识”，特设计若干组可由控制器智能调度的输入变量序列。

输入变量是下料间隔时间（即下料速率），用“欠量（-a），正常（0），过量（+a）”3种基本的下料速率来组合。

组合方式的关键是：既能满足对系统充分激励的要求，又能满足对电解槽浓度控制的平稳性和精度的要求.因此其需要提供若干组激励信号序列和激励强度（即欠量、过量的程度），由控制器根据智能辨识结果及“事件记录”选择一组最适宜的激励信号序列和最佳激励强度。

③在线智能辨识
控制器通过模糊推理方法分析被控对象对特定输入序列的“响应”，确定当前的特征曲线的平坦度和极值点位置（语言值），以及当前工作点在特征曲线上所处的位置（语言值）。

（3）模糊变量论域自调整（变论域）策略
由于电解槽，尤其是设计较差的电解槽具有非线性、时变的特性，因此要求控制器具有自调整和自学习能力。

在这一方面，没有采用常规专家控制器的直接修改规则的做法，而是采用了“论域自调整算法”。

2.2 智能控制技术在铝电解过程中的研究与应用
（1）智能控制技术
智能控制利用人工智能（即模拟人的大脑）的知识表达和逻辑推理方式来解决难以建立精确数学模型的控制问题，是一门边缘交叉学科。

（2）铝电解控制过程分析
铝电解槽内除了电、磁、热、流场的复杂的交互作用以及复杂的物理化学与电化学反应使其状态变化十分复杂外，还因其受到周期进行的人工作业工序（如出铝、更换阳极、边部加工等）的干扰，以及难以检测的控制误差的积累而使其呈现出复杂的时变特性。

（3）控制方法的研究
智能控制技术在铝电解槽上综合应用形成一个新型的铝电解槽模糊专家系统。

该系统包含三个即相互独立，又相互沟通的子系统；最终实现一个共同的目的。

这三个子系统分别称为实时控制子系统（简称模糊专家控制器）、三场动态仿真子系统和神经网络槽况诊断专家子系统（简称槽况诊断子系统）[3]。

3 结束语
为了追求最大程度的节能降耗，铝工业研究人员不断改进工艺技术条件，而且其要求对铝电解生产过程控制技术的不断改进。

由于铝电解槽是一个复杂的非线性时变系统，因此使用常规的或单一的控制方法已难以满足进一步提高控制效果的要求。

其人工智能为铝电解控制提供了新的有效解决途径。

结合铝电解过程的特点，把智能控制的三大分支-专家系统、模糊控制和人工神经网络有机结合、综合应用于铝电解过程，组成智能控制系统是目前铝电解控制技术发展的趋势。

参考文献
[1] 姜帆，吴军.铝电解过程控制智能算法的研究[J].冶金自动化，2004，28（s1）：709-712.
[2] 林学会，林学亮，高峰，等.铝电解智能控制技术的研究与应用[J].自动化技术与应用，2008，（06）：109-112.
[3] 吴军.智能控制技术在铝电解过程中的研究与应用[J].电气自动化，2003，（06）：21-26.
单鹏飞（1977-），男，助理工程师，主要从事铝及铝合金加工装备的管理及技术研发的工作。