摘? 要: 介紹了模糊專家技術在鋁電解生產(chǎn)過程中的應用；給出了鋁電解模糊專家控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和模糊關系。應用該技術控制鋁電解生產(chǎn)取得了較好的控制效果。
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鋁電解是電解槽通以直流電，將氧化鋁電解成金屬鋁的高電耗冶金生產(chǎn)過程。高效節(jié)能是鋁工業(yè)技術發(fā)展的主要方向。在槽型確定的情況下，為降低噸鋁電耗，提高電流效力、優(yōu)化鋁電解生產(chǎn)工藝技術條件就成為提高電解技術經(jīng)濟指標的決定因素。技術條件的優(yōu)化主要靠自控技術的不斷發(fā)展和控制水平的不斷提高來實施。
由于鋁電解槽是一個復雜的系統(tǒng)，存在非線性、大滯后等因素，因此建立精確數(shù)學模型困難，用傳統(tǒng)的控制方法難以達到好的控制效果。而模糊專家控制恰好在解決這類問題中表現(xiàn)出了優(yōu)越性，它具有快速性好、直接根據(jù)人工經(jīng)驗設計、不需要精確數(shù)學模型等顯著特點，為鋁電解控制提供了有效解決途徑。因此本廠將模糊專家控制技術用于鋁電解生產(chǎn)，取得了較好的控制效果。
1 鋁電解控制過程分析
鋁電解控制系統(tǒng)能實時采集生產(chǎn)過程中的信號，包括:電解槽槽電壓(V)和系列電流(I)。對生產(chǎn)過程實施的控制有兩種，即極距調(diào)節(jié)和打殼下料，分別控制槽電壓(或槽電阻)和電解質(zhì)熔體中的氧化鋁濃度。氧化鋁濃度目前無法在線檢測，但是它和槽電阻(R)存在一定性U型關系，并且和氧化鋁下料量有一定的滯后關系。R可由(1)式求得:
式中: E—電解槽反電勢
設氧化鋁濃度為C(下料方式:欠料、過料)，周期改變氧化鋁下料速率，使氧化鋁濃度在一定范圍內(nèi)變化
。假定在未調(diào)節(jié)極距(移動陽極)期間槽電阻變化由氧化鋁濃度所引起，即:
2 控制方法研究
2.1 模糊控制(FUZZY)
鋁電解模糊控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。
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Yr、Y分別為輸入、輸出量，E、Ec、U分別為偏差 e、偏差變化率ec和控制量u的模糊語言變量，K1、K2為量化系數(shù)。取E、Ec、U的論域為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，論域上均取七個FUZZY集，即:正大，正中，正小，零，負小，負中，負大，并賦予它們各自對應的模糊集取值(即隸屬度值)。
2.2 建立模糊控制規(guī)則表
模糊控制規(guī)則表是基于操作者手動控制策略的總結(jié)和歸納，根據(jù)實際操作經(jīng)驗寫成的推理語言控制規(guī)則可表示為：
2.3?建立查詢表
按直乘運算規(guī)則求FUZZY關系Ri，通過對所有FUZZY關系Ri(i=1，2，……n)的運算，可以獲取表征鋁電解控制系統(tǒng)控制規(guī)則總的FUZZY關系R，計算R后，基于推理合成規(guī)則，針對論域全部元素的所有組合，求出相應的控制決策U的FUZZY集合；再按取隸屬度最大原則對此集合進行判斷，得到相應控制量，最后獲得FUZZY控制查詢表。將該表存入計算機中，實時控制時根據(jù)E、Ec直接查找控制表，獲取控制量，再乘比例系數(shù)K3即可作為輸出去控制生產(chǎn)過程。
3 建立模糊專家控制方案
????模糊專家控制器的一般結(jié)構(gòu)形式見圖2。
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3.1 鋁電解模糊專家控制方案
鋁電解模糊專家控制器結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。
????根據(jù)工藝要求，下料模糊控制和極距模糊控制由推理機根據(jù)推理結(jié)果選擇合適的控制模式。模糊控制規(guī)則表達綜合為兩種形式:一種是“如果(條件)” 則“結(jié)論”的規(guī)則形式，用于表達各種特定或異常工況下模糊控制規(guī)則；另一種是采用帶修正因子控制規(guī)則自動修正模糊控制規(guī)則表達形式，用于表達常態(tài)工況下模糊控制規(guī)則，以便通過引入可自動調(diào)整的控制規(guī)則修正因子，實現(xiàn)對模糊控制規(guī)則的在線自動調(diào)整。
模糊專家推理機根據(jù)電解槽所處操作條件和槽況分析結(jié)果來調(diào)整模糊控制規(guī)則和改變控制效果，使控制器具有同時處理精確知識和模糊知識的優(yōu)點，可用于不能建立精確數(shù)學模型的被控對象的高性能控制。模糊專家推理機綜合運用如下四種形式:① 選擇不同控制模式；②調(diào)整控制規(guī)則表達式的修正因子；③調(diào)整模糊變量論域；④調(diào)整模糊控制設定值。
論域自調(diào)整機制的建立使控制器可根據(jù)槽況的變化和控制模式的切換，自動調(diào)整輸入、輸出模式變量所對應的精確值的論域，從而可簡便有效地達到在線自動調(diào)整控制器的工作點和動、靜態(tài)品質(zhì)的目的。模糊專家控制利用上位機人機接口來實現(xiàn)規(guī)則庫和數(shù)據(jù)調(diào)整，因而為知識獲取與應用提供很強的靈活性。
4 系統(tǒng)運行效果與主要技術指標
(1)實現(xiàn)了下列監(jiān)控效果???????
氧化鋁濃度波動偏差:2(Wt)%
正常槽溫波動范圍:±3°C???????
陽極效應系數(shù): <0.5????
陽極效應預報成功率:90%
(2)模糊專家控制槽控機主要技術指標
測量精度: <±0.1%??????????
控制精度: <±0.3%
超調(diào)整量: <±0.5%
(3)系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能自動進行故障診斷。由模糊專家控制的槽控機投運后，電流效率提高3.11%；直流電耗降低411kWh/t.Al。
鋁電解模糊專家控制系統(tǒng)在本廠生產(chǎn)過程中獲得了成功應用，把電解專家、操作者經(jīng)驗判斷和處理歸納在一起，獲得了最佳控制效果。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，智能化程度高，可實現(xiàn)對電解槽生產(chǎn)的高效控制，對于實現(xiàn)我國鋁電解工業(yè)的節(jié)能降耗和解決環(huán)境污染問題、提高鋁電解工業(yè)生產(chǎn)自動化水平意義重大。
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參考文獻
1 孫增圻.智能控制理論與技術.北京:清華大學出版社，1997
2 李友善.模糊控制理論及其在過程控制中的應用.北京:國防工業(yè)出版社，1993
3 孫春亮.基于現(xiàn)場總線的全分布式鋁電解智能控制系統(tǒng)的開發(fā)與應用.輕金屬，2000(4)