基于行为策略的铝电解建模控制研究

陈铁军，黄　超，张　瑾

基于行为策略的铝电解建模控制研究

陈铁军1，黄超1，张瑾2

(1.郑州大学 电气工程学院，河南 郑州 450001； 2.河南师范大学新联学院 经济与管理系，河南 郑州 450000)

摘要：针对存在非线性、大滞后和多变量互关联等特性的铝电解过程，分析了影响预焙铝电解槽物料平衡和能量平衡主要因素的相互关联关系.基于行为策略思想，建立了铝电解过程的多级分布式关联模型，该系统模型由氧化铝质量分数和电解温度2个二级关联系统和6个三级关联子系统构成.提出了铝电解过程中关于氧化铝质量分数和电解温度的多级分布式控制方案，给出了该系统的多级分布式预估算法和控制算法，确定了各级子系统间的协调机制.各个子系统分工合作、协同运行，获得全局控制功能.仿真结果表明，应用该控制方法后，铝电解动态过程具有较强的鲁棒性和抗干扰能力.

关键词：行为策略；铝电解；建模；控制；氧化铝质量分数

0引言

铝电解系统是一个非线性、多变量、大滞后、强耦合的复杂受控对象，用传统控制方法很难取得比较理想的控制效果.不少学者开展了对铝电解过程建模仿真和控制研究[1-4].很多学者尝试将模糊控制、支持向量机、神经网络、专家系统和粒子群算法等方法运用到铝电解生产过程中，进而控制氧化铝质量分数、电解温度等关键参量，获得了不错的效果[5-8].闫纲等[2]基于最小二乘支持向量机提出了融合LS-SVM和混沌优化的控制氧化铝质量分数的新策略；任必军等[6]采用自适应模糊控制算法对电解温度和初晶温度进行控制，提高了电流效率.这些控制策略大多只对一项指标进行控制，没有涉及到多项关键指标之间的耦合性.袁艳等[7]基于神经网络、支持向量机、模糊控制等多种智能算法，对铝电解过程中的多项关键指标进行全局优化控制，但建模控制机理过于复杂，在实际生产当中不易操作和推广.

Willems[9]提出了一种针对开放、互关联系统的行为策略，该控制理念通过拆裂、聚焦以及链接对复杂对象进行建模，解决复杂控制问题.笔者将行为策略思想应用到铝电解生产当中，有望对其中的多项关键指标取得较好的协同控制，获得铝电解系统的整体优化.通过对铝电解过程中大滞后、强耦合等现象的深入分析，理清影响氧化铝质量分数和电解温度的相关因素及耦合关系，提取主要关联关系，建立涉及这2个关键参量的多级分布式关联控制系统.该系统由2个二级关联系统构成，第一个是物料平衡关联系统，第二个是能量平衡关联系统，每个二级关联系统分别由与其相对应的三级关联子系统聚焦而成.同时，2个二级关联系统之间存在重要的耦合关联，进而构成一个全局的多级动态分布式预估控制模型.

1铝电解系统的关联分析与建模

1.1铝电解系统的关联分析

在铝电解生产过程中，电解槽的物料平衡和能量平衡相互作用，是两个始终需要引起高度重视的角色.物料平衡的外在表现形式体现在氧化铝质量分数上，能量平衡的外在表现形式体现在电解温度上.

1)氧化铝质量分数的关联分析.由于每次的投料量是固定不变的，下料间隔时间的长短决定了总投料量.投料次数越频繁，电解槽中氧化铝质量分数就越大，反之就越小.槽电压的升高或降低，氧化铝质量分数会随之发生一定的变化.出铝量、系列电流、电解质水平、铝液水平、氧化铝的溶解速度等对氧化铝质量分数也有一定的关联影响.

2)电解温度的关联分析.通过升高槽电压可以改变输入能量的大小，进而影响电解温度.投料量的瞬间增大，会造成电解槽内电解温度下降，反之，电解温度上升.出铝量、系列电流、电解质水平、铝液水平等对电解温度也有一定的关联影响.

1.2铝电解系统建模

通过对铝电解生产过程的深入分析，将铝电解系统拆裂成众多三级子系统，三级子系统通过聚焦组合出二级关联系统，二级关联系统进而链接出铝电解大系统.二级关联控制系统共有2个，第一个是物料平衡关联控制系统(即氧化铝质量分数关联控制系统)L1;第二个是能量平衡关联控制系统(即电解温度关联控制系统)L2.

假设下料间隔控制信号为Z10，下料间隔时间为Z11，总投料量为Z12，氧化铝质量分数为Z13，把系列电流、铝液水平、电解质水平、氧化铝溶解速度等对氧化铝质量分数的关联影响视为干扰V10，并且K1=3，即该关联控制系统包含3个三级子系统，则物料平衡关联控制系统L1为

L1={〈Z10,Z11〉,〈Z11,Z12〉,〈Z12,Z13〉} .

(1)

假设极距调整控制信号为Z20，极距调整量为Z21，槽电压为Z22，电解槽电解温度为Z23，把出铝量、系列电流等参量对电解温度的关联影响视为干扰V20，并且K2=3，即该关联控制系统包含3个三级子系统，则该关联分系统L2为

L2={〈Z20,Z21〉,〈Z21,Z22〉,〈Z22,Z23〉} .

(2)

2个二级关联控制系统之间的关联链接：分系统L1的总投料量Z12关联影响分系统L2的电解温度Z23；氧化铝质量分数Z13关联影响分系统L2的槽电压Z22；分系统L2的槽电压Z22关联影响分系统L1的氧化铝质量分数Z13.

铝电解生产过程的多级分布式预估控制系统模型框图如图1所示，其由2个二级关联分系统、6个三级关联子系统以及3个链接关系构成.

(3)

图1　铝电解过程的模型框图

关于物料平衡关联控制系统L1：

(4)

(5)

(6)

关于能量平衡关联控制系统L2：

(7)

(8)

(9)

其中，a1、a2、b1、b2、c1、c2、c3、d1、d2、e1、e2、e3、f1、f2、f3分别可以通过最小二乘法辨识得到.

2多级分布式模型的预估和控制

2.1预估算法

(10)

由此，可以得到物料平衡关联控制系统L1的预估算法：

(11)

(12)

(13)

类似地，可以写出能量平衡关联控制系统L2的预估算法为

(14)

(15)

(16)

2.2控制算法

(17)

式中：M=1-pz-1p为可调的待定系数，z-1为一步延迟算子；N=1-p,-1

(18)

(19)

(20)

由式(11)、(12)、(13)、(18)、(19)、(20)可以得到物料平衡关联控制系统L1的控制算法：

(21)

(22)

(23)

同理，可以得到能量平衡关联控制系统L2的控制算法为

(24)

(25)

上述各式中：a1、a2、b1、b2、c1、c2、c3分别为辨识参数；p1、p2、p3、p4、p5、p6分别为设计参数.

3系统仿真

以某铝电解生产车间某台槽框较好的240 kA预焙铝电解槽为仿真对象，控制目标是在有外界干扰的情况下，将氧化铝质量分数、电解温度分别控制在1.5%～3.5%，940～960 ℃的合理范围内.下料间隔控制信号调节范围是0～10，极距调整控制信号调节范围是0～10.由生产车间提供的80组样本数据，运用最小二乘法对所建模型进行系统参数辨识，运用MATLAB软件进行仿真，仿真结果如图2和图3所示.

图2　氧化铝质量分数仿真曲线

图3　电解温度仿真曲线

仿真结果表明，基于行为策略的多级分布式预估控制算法使氧化铝质量分数、电解温度几乎不受外界干扰V10和V20的影响，二者的波动幅度被控制在合理范围内.

4结论

笔者基于行为策略的拆裂、聚焦及链接等控制思想，提出了多级分布式预估控制方法，建立了铝电解生产过程的动态数学模型，设计了由氧化铝质量分数、电解温度2个二级关联系统构成的分布式控制模型.2个二级关联系统分别由与其相对应的三级关联子系统构成，并对模型进行了有效的预估和控制.仿真结果表明，所建的多级分布式预估控制模型能够有效控制铝电解过程中的氧化铝质量分数与电解温度.另外，系统几乎不受外界干扰的影响，能够快速恢复到正常水平，具有较强的鲁棒性.因此，采用多级分布式预估控制，为调控铝电解生产过程提供了一种新途径.

参考文献：

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[11]陈铁军.结构分散化方法控制理论[M].乌鲁木齐: 新疆人民出版社,2004.

Research on Modeling and Control of Aluminum Electrolysis Based on Behavioral Approach

CHEN Tiejun1， HUANG Chao1， ZHANG Jin2

(1.School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.Department of economics and management, Xinlian College, Henan Normal University, Zhengzhou 450000, China)

Abstract:The mutual correlation of main factors is analyzed which influences the material balance and energy balance of pre-roasting aluminum electrolytic tank in allusion to such characteristics as nonlinearity, large time-delay and correlation of multivariable in aluminum electrolysis process. Then a multistage-distributed correlation model about aluminum electrolysis process is established based on behavioral approach. The system model consists of two secondary-correlated systems and six related third-level subsystems, which are related to the concentration and electrolytic temperature of alumina.Furthermore, the multistage-distributed control scheme about the concentration and electrolytic temperature of alumina in aluminum electrolysis process is proposed, multistage-distributed predictive algorithms and control algorithms are used to coordinate the operation of different subsystems. The global control performance is achieved through division and cooperation of the subsystems. The simulation results show that the multistage-distributed system built and its control algorithm have remarkable robustness and anti-interference ability in the dynamic aluminum electrolysis process.

Key words:behavioral approach; aluminum electrolysis; modeling; control; alumina concentration

收稿日期:2015-04-13；

修订日期：2015-06-19

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41174127)

作者简介:陈铁军(1954—)，男，河南信阳人，郑州大学教授，博士，博士生导师，主要从事复杂工业过程控制技术及控制系统方面的研究，E-mail：tchen@zzu.edu.cn.

文章编号:1671-6833(2016)01-0006-04

中图分类号：TP273

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201504024

引用本文：陈铁军，黄超，张瑾.基于行为策略的铝电解建模控制研究[J].郑州大学学报(工学版)，2016，37(1)：6-9.