張礦偉， 雷金輝， 張玉忠， 黃皓月

(1.玉溪師范學院物理與電子工程學院， 云南 玉溪 653100；2.昆明理工大學云南省有色金屬真空冶金重點實驗室， 云南 昆明 650093；3.中國鋁業(yè)公司鄭州輕金屬研究院， 河南 鄭州 450041)

目前，生產(chǎn)氧化鋁采用的工藝基本歸為四大類：堿法、酸法、酸堿混合法和熱法[1-2]。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，氧化鋁的生產(chǎn)工藝都采用堿法生產(chǎn)，通常包括：燒結法、拜耳法、混聯(lián)法或串聯(lián)法。在拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中，溶出工序是全廠的生產(chǎn)核心，溶出率的高低直接關系到氧化鋁的回收率和生產(chǎn)成本，而影響溶出率最為關鍵的一個控制參數(shù)就是溶出溫度。本項技術創(chuàng)新應用在中國鋁業(yè)集團有限公司某分公司拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中，該分公司拜耳法氧化鋁生產(chǎn)的加壓溶出工序采用了雙流法溶出工藝，其溫度控制之前采用普通的PID控制，這種控制模式無法精確調(diào)控溫度，并且PID參數(shù)的整定也非常繁瑣，操作人員的人為因素影響大，不僅溫度波動大能耗高，而且不能保證礦漿的溶出率。根據(jù)雙流法氧化鋁生產(chǎn)的工藝流程，在傳統(tǒng)的溫度控制模式中加入模糊控制思想，構成Fuzzy-PID控制系統(tǒng)，控制器的參數(shù)可以通過上位機自動整定。通過檢查值和設定值進行比較，偏差值較大時主要是模糊控制起作用[3-11]，能夠很快減少設定值和測量值的差距，系統(tǒng)處理偏差的能力大大改進，設定值與測量值差不多接近時，開始啟用PID來進行控制。氧化鋁加壓溶出過程中的溫度控制參數(shù)可以根據(jù)溫度的實際變化情況，由上位機對其進行實時跟蹤整定。這種控制系統(tǒng)極大地提高了溶出溫度的控制精度，減少了人為干預，改善了加壓溶出工序的各項技術指標，降低了能耗，提高了氧化鋁的產(chǎn)量。

1 雙流法加壓溶出的生產(chǎn)流程

圖1 雙流法氧化鋁生產(chǎn)流程

在拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中，所謂雙流法加壓溶出工藝是將部分循環(huán)母液送入磨礦車間，在磨機內(nèi)與鋁土礦、石灰混合磨制成合格礦漿，另一部分循環(huán)母液與液堿調(diào)配成合格堿液，兩股料流分別用溶出后礦漿多級自蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽不同程度地預熱，堿液流再單獨用新蒸汽加熱，兩股物料流在混合器內(nèi)匯合，匯合后料漿在溶出器中用新蒸汽直接加熱至溶出溫度并在其后的溶出器中完成溶出過程。其工藝流程見圖1。

2 對象特性分析

氧化鋁溶出器中溫度控制對象具有非線性、大慣性和純滯后的特性[15-18]。溫度的動態(tài)控制實時性較差，主要是在控制過程中溫度上升時慣性較大，檢測值與設定值之間會出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。對于本系統(tǒng)中氧化鋁溶出器溫度的變化，可以用一階慣性和一個延遲環(huán)節(jié)脈沖傳遞函數(shù)G(s)表達，如式1。

一階慣性加純延遲系統(tǒng)包含：時間常數(shù)T、滯后時間τ、放大系數(shù)(靜態(tài)增益)K三個參數(shù)，這三個參數(shù)能夠很好的反映出系統(tǒng)的性能[19]。根據(jù)氧化鋁在制備過程中溶出溫度的模型，對模型參數(shù)的求取使用階躍響應曲線法來完成，通過理論計算可以得到整個制備過程中系統(tǒng)的三個參數(shù)值，如圖2所示。

圖2 氧化鋁制備過程溫度特性曲線

根據(jù)階躍響應曲線法求得的結果，得到氧化鋁溶出器中溫度控制系統(tǒng)的三個參數(shù)依次為：K=1.8，τ=132，T=160。把三個參數(shù)分別代入式1就能得到系統(tǒng)的溫度控制對象的近似數(shù)學模型，如式2[3]。

3 Fuzzy-PID控制器的設計

3.1 Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制原理

模糊參數(shù)自整定PID控制器是PID控制和模糊控制的結合運用[20]，這種控制模式是把傳統(tǒng)的控制思想加入模糊分析理念，完成對被控對象的控制?？刂破鲗娜齻€參數(shù)值需要用模糊分析的方式確定出參數(shù)變化量ΔKP、ΔKi、ΔKd，疊加在原PID控制器的最初計算出的給定值上，再賦值給PID控制器，從而通過上位機自動求出溫度變化時控制器的輸出量，如式3。

式3中，KP0、Ki0、Kd0是PID控制器設定的初始參數(shù)值，ΔKP、ΔKi、ΔKd是按照控制系統(tǒng)設計要求整定的變化量。模糊參數(shù)自整定PID控制原理如圖3所示[3]。

圖3 模糊參數(shù)自整定PID 控制器原理圖

本控制器的設計思路是在普通PID控制中把模糊控制算法加入到其中進行混合使用，實現(xiàn)控制參數(shù)跟隨檢測值的變化而變化，上位機自動整定控制參數(shù)，把整個控制系統(tǒng)分塊進行設計。即檢測值與給定值之間偏差大時通過模糊控制進行處理，保證系統(tǒng)的實時性；檢測值與給定值接近時主要起作用的是PID控制，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該控制器把兩種不同的控制策略的優(yōu)勢進行有效的融合，這樣可以很好的完成氧化鋁溶出時對溶出溫度的控制要求。

3.2 Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制器的設計

通過對本控制系統(tǒng)每個模塊的設計與分析，最

終把氧化鋁溶出溫度的檢測值和設定值之間的偏差值e和偏差變化率ec看做整個控制器的輸入值。PID控制器的輸出值u分別為Kp、Ki和Kd參數(shù)疊加模糊推理得到的ΔKP、ΔKi、ΔKd值綜合計算后的數(shù)據(jù)。然后，通過對系統(tǒng)的控制要求設計控制器的推理方法，利用上位機自動查詢功能完成三個參數(shù)的修正，最終，達到較為理想的控制參數(shù)，使整個系統(tǒng)能夠很好的滿足溫度的控制要求。模糊控制系統(tǒng)對應的模糊參數(shù)值如表1所示。

表1 模糊變量基本信息表

1)控制系統(tǒng)開始運行時，偏差值e較大，為了減小系統(tǒng)的檢測值與偏差值之間的差值，應該讓比例調(diào)節(jié)Kp值盡量取大些，這樣就能很好的提高系統(tǒng)響應速度；Kd=0以避免積分飽和的情況出現(xiàn)；適當?shù)腒e避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)。

2) 溫度上升到接近設定值的一半左右，對于Kp、Ki、Kd這三個值的選取盡量適中，主要是既能保證系統(tǒng)的響應速度又能保證超調(diào)量不大。

3) 溫度上升到接近設定值時，盡量把比例環(huán)節(jié)Kp值選取稍微大些，這樣可以使系統(tǒng)的靜差有所減?。粚τ诜e分環(huán)節(jié)Ki盡量增大，能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；適當減小微分環(huán)節(jié)Kd值，能夠有效避免振蕩現(xiàn)象。

因此，本設計可以按照控制器的輸入量偏差值e和偏差變化率ec模糊推理計算，在上位機中完成PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的實時整定過程，最終把理想的參數(shù)值賦給PID控制器，很好的達到了氧化鋁生產(chǎn)時所需的溫度控制要求。參數(shù)表達式如式4。

式4中的KP0、Ki0、Kd0分別是通過前期根據(jù)控制要求模糊計算出的三個參數(shù)值。ΔKP、ΔKi、ΔKd這三個參數(shù)值主要是根據(jù)輸入量偏差值e和偏差變化率ec模糊推理計算所得到的參數(shù)值。通過把系統(tǒng)的輸入量進行分析處理，再把系統(tǒng)所對應的模型參數(shù)計算出來。最后，根據(jù)模糊控制算法，按照上位機設定好的程序，完成控制器參數(shù)的設定，通過自動整定的方式求出氧化鋁溫度控制的三個變量值分別為：Kp=2.3、Ki=0.07、Kd=0.25。

4 應用結果分析

采用模糊控制的控制系統(tǒng)自2014年開始應用于某分公司加壓溶出工序。相比原有控制系統(tǒng)在系統(tǒng)的響應時間和控制精度上都有很大的提高，并且使用時比較容易操作，減輕了操作人員的勞動強度。在實際生產(chǎn)過程中，對比兩種不同的控制系統(tǒng)的控制效果，如圖4所示。

圖4(a)是傳統(tǒng)溫控得到的上升曲線，明顯看出，這種控制效果不夠理想，整個控制過程太慢，生產(chǎn)溫度控制不是很適合。并且控制性能指標也不能達到較為理想的值，不能起到節(jié)能的效果。求得的不同性能指標的值依次是：溫度上升到設定值所用的時間為43 min，系統(tǒng)的超調(diào)量為1.477%，進入到穩(wěn)定值范圍內(nèi)所用時間54 min，整個系統(tǒng)的控制精度為0.63%。圖4(b)引入模糊控制思想后的溶出溫度控制系統(tǒng)，可以看出，溫度從常溫上升到設定值所用的時間僅有18 min，系統(tǒng)的超調(diào)量也減少了很多，僅有0.369%，整個系統(tǒng)從開始升溫到達到穩(wěn)定值所用時間僅有21 min，整個控制系統(tǒng)的控制精度也有了很大的提升，僅有0.21%。這種引入模糊控制思想的溫度控制系統(tǒng)對比傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)無論從響應時間、上升時間、調(diào)節(jié)時間、控制精度上都有了很大的改進，能夠很好的滿足控制要求，把整個系統(tǒng)的工作時間大大縮短，真正起到了穩(wěn)定生產(chǎn)的效果，同時也提高了礦漿的溶出率。

圖4 兩種溫度控制系統(tǒng)升溫圖

5 結論

本項技術創(chuàng)新在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁生產(chǎn)中的應用，解決了人工整定PID參數(shù)精度低、工作量大及人為因素的干預等問題，能夠根據(jù)氧化鋁加壓溶出溫度的波動實時調(diào)節(jié)，能夠精確地控制溫度。相比常規(guī)的實時溫度監(jiān)控系統(tǒng)，此溫度控制系統(tǒng)在控制系統(tǒng)響應時間、上升時間、調(diào)節(jié)時間和控制精度上都優(yōu)于常規(guī)控制系統(tǒng)，進而滿足了生產(chǎn)需要，提高了礦漿的溶出率，降低了生產(chǎn)成本。