铝电解设备_工艺与控制技术的综合仿真优化方法

1、中南工业大学学报第33卷第4期Vol.33 No.42002年8月Aug. 2002J.CENT.SOUTHUNIV.TECHNOL.铝电解设备、工艺与控制技术的综合仿真优化方法李吉力,周乃君,丁凤其,邹 忠,张文根,叶绍龙,彭胜光(中南大学冶金科学与工程系,湖南长沙 410083)摘要:根据铝电解过程的特性,对铝电解设备、工艺和控制技术进行综合仿真优化,将这3方面的模拟(或仿真)模型与算法有机地结合起来,建立了综合仿真优化模型与算法,并建立了铝电解在线综合仿真优化与闭环控制系统.实践结果表明:该系统不仅能实现常规的静态仿真计算,而且能实现在线闭环控制过程中的动态仿真计算,从而为铝电解设备、工

2、艺及控制技术的综合优化提供了新的方法与手段.关键词:铝电解;仿真;优化;智能控制中图分类号:TF821;TF355.2文献标识码:A文章编号:1005 9792(2002)04 0356 04自A.Ek等于20世纪60年代后期开始应用基于数值计算的计算机模拟方法对铝电解槽的热、电和化学行为进行数学模拟分析以来1,2,电解槽物理场(包括电、磁、热场、流体流动场等)的数学模拟成为铝电解槽优化设计的有力工具3,4.目前,对电解槽的研究从 片断 仿真向 全息 仿真的方向发展,并提出了 可视化电解槽 或 软件槽 的设计概念5.自20世纪80年代以来,国内外一些科技工作者针对铝电解槽是一个多变量、非线性、

3、强耦合、慢时变且具有模型不确定性的复杂被控对象的特点而逐步引入了智能控制技术,如基于推理规则的下料控制方法6、自适应控制技术7、铝电解专家系8,910统、智能模糊控制技术等.铝电解生产实践表明,铝电解设备、工艺以及控制技术这3个方面的因素相互耦合、相互作用,共同决定铝电解槽的行为特性,特别是采用现代高效型工艺技术条件后,电解槽物理场分布的变化和控制器性能的改变更显著地影响电解槽的动态行为.因此,电解槽的结构、工艺以及电解过程控制器的性能只有综合优化才能实现电解槽的最佳运转.在此,作者建立铝电解综合仿真优化与控制系统,为铝电解设备、工艺及控制技术的综合仿真与优化提供方法与手段.高温电化学反应器,

4、其特点是:在强大的直流电作用下,电解槽内产生若干物理场,如电流场、磁场、热场(温度场)、熔体流速场、浓度场、应力场等.电流场(电流与电压分布)是电解槽运行的能量基础,是其他各物理场产生的根源:电流产生磁场,电流的热效应(焦耳热)产生热场;磁场分布不平衡导致电解质与铝液运动,即形成流场,后者又影响电解质中Al2O3和金属的扩散与溶解,即形成浓度场;温度分布形成槽帮结壳,并产生热应力,使槽体结构发生变形,从而形成应力场,同时对熔体的运动及物质扩散产生影响.各种物理场呈现为互相耦合关系,其综合效果决定电解槽的运行状态,从而决定其技术经济指标,如电流效率、直流电耗和槽寿命等.物理场的这种复杂耦合关系如

5、图1所示.由于热应力引起槽体结构的变形,熔体渗透等因素引起阴极和内衬材质传热与导电特性的改变具有不可逆性,因此,在电解槽的整个寿命期,物理场的分布没有恒定不变的最优值.物理场之间具有强烈耦合关系,对各物理场的求解理论上应当耦合求解,但因耦合关系较复杂,计算方法较局限,长期以来都将其分割(或部分分割)进行研究(解析),在各种假设条件下,得到每种场的特性和规律.由于电解槽中高温熔体的强腐蚀性限制了各类接触式传感器探头的应用,使许多重要的物理场参数、电化学参数以及与过程控制关系密切的工艺参数(如电解质温度、氧化铝浓度等)均难以1 铝电解槽的特性分析铝电解槽是电、磁、热、流体综合作用下的复杂收稿日期:

6、2001-12-24基金项目:霍英东教育基金会第7届高等院校青年教师基金资助项目(710147)作者简介:李吉力(1963-),男,湖南汩罗人,中南大学教授,博士,从事冶金过程建模与智能控制研究.第4期 李 ,等:铝电解设备、工艺与控制技术的综合仿真优化方法357图1 铝电解槽多种物理场的耦合关系直接检测,这不仅使物理场的直接监测与研究困难,而且使电解槽成为具有模型不确定性的复杂被控对象.在电解槽运行过程中,控制器对输入变量的改变、操作人员对控制器的调整或对电解槽的直接干预、环境条件变化或外界干扰都会引起工艺参数变化,从而引起电解槽热平衡(热场)和物料平衡(浓度场)变化.这种变化会引起槽膛内形

7、及沉淀分布状态发生变化,从而引起电流场变化和各种物理场分布发生变化.c 建立冲突消解与参数自校正、自优化推理规则,综合解决各模块求解结果间的矛盾并分析解析结果与目标值的偏差,实现对仿真(模拟)模型参数的自校正与自优化功能.采用VB与VF相结合的编程技术,开发可运行于WinNT或Win98等操作系统的32位应用软件,并使用Access数据库技术.按此思想构造的离线综合仿真优化系统的基本结构如图2所示,它可以在高性能的计算机工作站上运行.2 综合仿真优化与控制系统的建立只有对电解槽的设计参数(结构参数与材质物性参数)、运行时的工艺参数以及控制器的品质参数进行综合优化,才能获得全局最优值.综合应用冶

8、金、自动控制、计算机及信息科学等学科领域的知识及研究方法,将设备、工艺及控制器这3方面的模拟(或仿真)模型与算法有机地结合起来,建立综合仿真模型与算法;再将仿真与控制融合为一体,建立一套铝电解综合仿真优化与控制系统,以实现常规的静态仿真以及在线闭环控制过程中的动态仿真计算,达到综合优化的目的.2.1 离线综合仿真优化系统a 对静态(且孤立的)物理场仿真模型与算法,电解质化学及电化学过程模拟模型与算法,智能控制器及其仿真模型与算法的结构进行适当改造,分别建立相对独立的算法与软件模块;b 应用面向对象的编程技术、共享动态数据库(含知识库)技术以及多任务分时处理技术实现各模;图2 铝电解离线综合仿真

9、优化系统结构2.2 在线综合仿真优化与闭环控制系统将综合仿真优化系统与 上位机 槽控机 两级分布式智能控制系统有机结合起来,便构成在线综合仿真优化与闭环控制系统.具体方案是:将离线综合仿真优化系统中除智能控制器模拟模块之外的模块与智能控制系统的上位机监控模块结合起来,并将离线综合仿真系统的共享动态数据库与智能控制,358中南工业大学学报 第33卷共享动态数据库;将离线综合仿真优化系统中模拟的智能控制器用实际的智能控制器!智能槽控机(下位机)替代,且智能槽控机中的数据库通过CAN总线与上位机中的共享动态数据库相联,实现上、下位机数据的实时交换与共享.按此方案构造的在线综合仿真优化与闭环控制系统的

10、基本构成如图3所示.实际的被控对象(电解槽)实施闭环控制,进行以在线动态仿真和闭环控制为核心的实验研究,达到确定铝电解设备、工艺与控制技术综合优化方案和提高铝电解智能控制系统性能的目的.这样,一方面,通过该系统的运行,测试和分析该系统的性能,检验综合仿真优化与智能控制模型的有效性,并利用系统闭环控制中所具备的自校正与自优化功能动态地检验和调整系统的数据库(包括知识库)和控制器的动态静态性能,优化被控对象的工艺技术条件,确立综合优化的技术方案;另一方面,将该系统的在线综合仿真优化功能及自校正与自优化功能引入铝电解智能控制系统中,可提高智能控制系统的性能,尤其是在线综合仿真优化模块,它可收集和量化

11、所有能反映电解槽物理场和电化学过程变化的信息,对未知的物理场及电化学过程的特征参数求解,可完成对电解槽运行态势的分析与预测,从而提高智能控制系统对槽况的综合分析能力与参数优化决策功能.4 结 论a 铝电解设备、工艺与控制技术这3个方面的因素相互耦合、相互作用,共同决定铝电解槽的行为特征,因此,只有将它们综合优化才能实现电解槽的最佳运转.b 将铝电解设备、工艺及控制器这3个方面的模拟(或仿真)模型与算法有机地结合起来,可建立综合仿真模型与算法;再将仿真与控制融合为一体,可建立铝电解综合仿真优化与控制系统,从而既能实现常规的静态仿真计算,又能实现在线闭环控制图3 铝电解在线综合仿真优化与闭环控制系

12、统结构图过程中的动态仿真计算,达到综合优化的目的.c 将在线综合仿真优化的模块与方法引入铝电解智能控制系统,可提高智能控制系统对槽况的综合分析能力与参数优化决策能力.参考文献:1 EkA,FlankmarkGE.Simulationofthermal/electricalandchemicalbehaviorofanaluminiumcellonadigitalcomputerA.ClackV.LightMetalsC.NewYork:TheMetallurgicalSocietyofAIME,1973:85 104.2 SulmontB.Applicationofthermo electri

13、cmodeltotheinvestigationofreductioncellthermalequilibriumA.PetersonWS.LightMetalsC.NewYork:TheMetallurgicalSocietyofAIME,1978:73 86. ofdynamice3 综合仿真优化方法与系统的应用利用离线综合仿真优化系统,可针对任一给定的电解槽模型,用电解槽的稳定性、电流效率和吨铝直流电耗来构造综合优化的目标函数,进行计算机离线仿真运算和模拟控制;在一定的边界条件下求解多维非线性空间内的寻优问题,确定与最优目标相对应的结构参数、工艺参数以及控制器参数,从而确定槽型结构、工艺

14、技术条件、控制参数和控制器性能参数的综合优化技术方案.第4期 李 ,等:铝电解设备、工艺与控制技术的综合仿真优化方法reductioncellsA.HuglenR.LightMetalsC.Warrendale:Penn sylvania,1997:443 448.4 BosJ,BouzatG,deVerdiereCJ,etal.Numericalsimulation,toolstodesignandoptimizesmeltertechnologyA.WelchB.LightMetalsC.Warrendale:Pennsylvania,1998:393 402.5 YurkovVV,Man

15、nVC,PiskazhovaTV,etal.VirtualaluminiumreductioncellA.AnjierJL.LightMetalsC.Warrendale:Penn sylvania,2001:1259 1266.6 BonnyP,GerphagnonJL,LaboureG,etal.Processandapparatusforaccuratelycontrollingtherateofintroductionandthecontentofalu minainanigneouselectrolysistankintheproductionofaluminiumP.USPaten

16、t:4431491.1984 02 14.3597 AalbuJ,MoenT,AalbuS,etal.MethodofcontrollingthealuminafeedintoreductioncellsforproducingaluminiumP.USPatent:4766552,1988 08 23.8 TikaszL.ExpertsystemsappliedtocontrolofaluminiumsmeltersA.BohnerHO.LightMetalsC.NewYork:TheMetallurgicalSocietyofAIME,1985:459 469.9 RollandWK,St

17、einsnesA,PaulsenKA,etal.Haldris:AnexpertsystemforprocesscontrolandsupervisionofaluminumsmeltersA.RooyE.LightMetalsC.Warrendale:Pennsylvania,1991:437 443.10 李吉力.预焙铝电解槽智能模糊控制系统J.中国有色金属学报,1998,8(3):557 562.Comprehensivesimulationandoptimizationofaluminiumreductionequipment,technologyandcontroltechnique

18、sLIJie,ZHOUNai jun,DINGFeng qi,ZOUZhong,ZHANGWen gen,YEShao long,PENGSheng guang(DeptarmentofMetallurgicalScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)Abstract:Throughtheanalysisonthecharacteristicsofaluminiumelectrolyticprocess,themethodofcomprehensivesim ulationandoptimizationofaluminiumreductionequipment,technologyandcontroltechniquesisputforward.Basedonmodernaluminiummetallurgicalengineeringscience,modelsandalgorithmsinthreeaspects,i.e.,aluminiumreductionequipment,technologyandcontrollerscanbeorganicallycombinedtoestablishthe