智能化控制系统在铝电解槽上的应用

智能化控制系统在铝电解槽上的应用

The intelligence turns the control system in the application of the aluminum electrolysis slot

Branch in Chinese aluminum industry company, Qinghai one the electrolysis factory(datong qinghai 810108) wangtiancheng

【摘要】把电子智能控制技术应用于铝电解生产，使得铝电解操作工人能够从繁重的体力劳动中解放出来，同时控制系统的升级，能够很大程度的降低能耗，提高电流效率，

增加产出率。

【Summary: 】 apply the electronics intelligence control technique to produce in the aluminum electrolysis, make the aluminum electrolysis operation the worker can come out from the liberation in the heavy manual labor, controling system to get stripe in the meantime, can the very great degree lower it and can consume, raising the electric current efficiency, increasing to produce a rate.

【关键词】控制系统槽电压系列电流解析智能化模糊控制算法【Keyword 】 the control system slot electric voltage series electric current analyze intelligence to turn misty control calculate way

前言

冰晶石－氧化铝熔盐电解制铝法自1888年用于工业生产以来，电解槽便成为炼铝的主要设备。从最初由直流发电机供电的小型预焙阳极电解槽到目前广为采用的现代预焙阳极电解槽，一百余年来，电解槽的结构和容量有了重大变化，但最为惊人的变化则是铝电解槽的控制技术。随着电子智能控制技术的应用，铝电解操作工人已经能够从繁重的体力劳动中解放出来，同时控制系统的升级，很大程度的降低了能耗，提高了电流效率，增加了产出率。

一、电解槽控制系统的发展背景

电解槽控制系统的主要原始参数是动态的槽电压和系统电流，电解槽智能控制机（简称槽控机）通过对这两个原始参数的计算和分析，对电解槽进行各种控制。电解槽控制系统由早期的集中式控制系统到分布式控制系统再到目前的两级分布式控制系统，槽控机的智能化特征越来越明显，因此掌握智能化电解槽控制系统相关知识就变的格外重要了。

过去我国预焙槽生产系列普遍使用的槽控机硬件体系是基于STD总线技术的单片机体系，且采用插板式结构，这类槽控机在设计上存在的主要问题是集成度低，使用电路板数量多，信号通路转接环节（插接件）连接及接触点太多，给运行过程带来的主要问题是：接头插件在电解现场强腐蚀高灰尘的环境中易氧化腐蚀，导致接触不良、信号中断和引发随机性故障，整机的稳定性和可行性降低；对维护水平要求高且维护难度大；备件购置费用和系统的维护费用高。此外，这类槽控机与上位机多采用位总线通信方式进行数据交换，这种通信方式落后，数据交换速率低且稳定性较差。针对以上问题，许多电解铝企业提出了槽控机集约化，控制系统智能化的要求。1997年青海铝业公司经过四年的试验把模糊理论正式引入铝电解控制，使电解铝的控制水平大大提高，电流效率达到90%左右，为后期的控制系统进一步智能化打下了良好的基础，2002年青海铝业公司又进行了槽控机整机改造的工程，

把分布式槽控机改造成为CAN总线网络智能槽控机，使电解槽达到真正的智能化控制，电流效率达到94%，槽电压与设定电压偏差仅在30毫伏以内，效应系数达到0.3天/次以下，减少了操作工的劳动强度，降低了人力资源占有率，为电解铝生产的集团化、规模化奠定了基础。

二、槽控机智能模糊控制理论

2. 1 模糊专家控制器的基本构成

模糊专家控制器是应用模糊专家控制技术开发出来的一种新型控制算法。

由规则库、论域自调整、推理机、数据库、数据处理、信号采集构成，其

基本结构如图1所示。模糊专家控制器基于“近似推理”原理的推理机具

有同时处理精确知识和模糊知识的优点，而它的“论域自调整”机制可根

据槽况的变化和控制模式的切换，自动调输入模糊变量和/或输出模糊变量

所对应的精确值的论域，从而简便而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。实际应用结果表明，其控制精度和稳定性好，

具有显著的增产节能效果。

图1铝电解槽模糊专家控制器结构图

2. 2 规则库的构造

采用“if<条件>then<结论>”（条件和结论都可含模糊子句）的模糊产生式

表示法来统一地表达由推理机使用的各种规则。规则中不精确的子句意味

着模糊变量的存在。规则中模糊变量的语言值和隶属函数是依据模糊数学

理论，通过经验和实验确定的。

大降降平升大升

1

隶

属

度

min max

缩

小

论

域

1 大降降升大升

隶

属

度

min’ 槽电阻斜率max’

图2 槽电阻斜率的隶属函数及论域调整示意图

所有隶属函数被假定为具有三角形或梯形形状。以槽电阻斜率的模糊集所

对应的隶属函数为例，横坐标代表槽电阻斜率的精确值，论域为[min,max]，

当精确值超出论域时，则进行限幅处理（见图2）。

2. 3 论域自调整机制

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，要求控

制器具有自调整和自学习能力，因此采用了“论域自调整算法”，即由推理

根据槽况的变化情况和控制模式的转变而修改输入模糊变量所对应的精确

值的论域和/或输出模糊变量所对应的精确值的论域，从而简便而有效地达

到在线自动调整模糊专家控制器的工作点和动、静态品质的目的。

以推理机根据下料控制模式的转变调整论域为例，当下料控制模式从浓度

校验模式转入常态下料模式时，可认为氧化铝浓度已经进入了设定的低浓

度工作区，为了精细地控制氧化铝稳定在最佳工作点附近，可适当缩小氧

化铝浓度工作区，为此推理机调整一些模糊变量所对应的精确值的论

域――例如，增大槽电阻斜率的精确值的论域的下限，减小其上限，实际

上通过增大量化因子K缩小了槽电阻精确值的论域，使精确值对应量化值

增大，此过程如图2所示。用同样的方法可缩小下料速率的精确值论域，

以达到根据槽电阻斜率等变量的较小变化而细微地调整下料速率的目的。

2. 4 推理机

我们按照模糊专家系统的推理技术构造推理机（图3）。推理机的推理过程

应用了一种“近似推理”算法来计算规则的前件与精确的断言的匹配度。

精确的前件与精确的断言的匹配度只能在0和1两者中取其一，否则根据

与模糊集相关联的运算来确定，获得一个0与1之间的值。当某条规则的

整个前件均经匹配，其中最小的匹配度便是该规则的匹配度。只要该规则

的匹配度大于预先设定阈值，该规则就进入触发规则集。

为了消除从触发规则集中选取最终被执行的规则时的冲突，应用了下列策

略：一是将规则按规则集分类，每次从每一规则集中最多选择一条规则；

二是每一规则集中的规则都分配了一个优先级，因此如果触发规则集中来

自同一规则集的规则多于一条，则选取优先级高的规则，而若优先级相同，