易勇廳

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1 智能控制技術(shù)內(nèi)容分析

智能控制通過(guò)構(gòu)建精確數(shù)學(xué)模型解決問(wèn)題，借助人工智能和邏輯推理作為數(shù)學(xué)模型的知識(shí)基礎(chǔ)，屬于邊緣性的交叉學(xué)科。

1.1 專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字化和智慧化的人工智能程序，通過(guò)把人類長(zhǎng)期以來(lái)積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)融合到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，然后對(duì)人類處理事情的推理決策手段過(guò)程模擬演練，得到相關(guān)權(quán)威專家的研究成果來(lái)解決在研究中遇到的困難。

1.2 模糊控制

模糊控制工作，依據(jù)相關(guān)原理可知，模糊控制工作在運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，其內(nèi)部的復(fù)雜性和精確性會(huì)大大降低，在觸碰到規(guī)定限制值時(shí)，兩者就會(huì)產(chǎn)生排斥的情況。模糊控制工作促進(jìn)大腦與計(jì)算機(jī)之間互通聯(lián)系，基于模糊集合理論的核心，形成大腦和計(jì)算機(jī)間的聯(lián)系互通，能把人類科學(xué)家長(zhǎng)久形成的模糊知識(shí)內(nèi)容和經(jīng)驗(yàn)等信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成能夠被計(jì)算機(jī)識(shí)別運(yùn)行的理論規(guī)則。基于此，計(jì)算機(jī)進(jìn)行模糊信息的處理工作，進(jìn)行推理和判斷。

1.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要內(nèi)容是指對(duì)人體思維進(jìn)行高效的模擬和應(yīng)用，經(jīng)過(guò)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析加工，具有通用性，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其主要針對(duì)人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和行為，并形成一個(gè)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)的分散和聯(lián)合處理能力突出。在這個(gè)過(guò)程中，該網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的容錯(cuò)能力，可以執(zhí)行有效的關(guān)聯(lián)和推廣工作[1]。

2 鋁電解智能控制技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀分析

目前工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)邁入工業(yè)4.0 時(shí)代，主要內(nèi)容包括以下3 個(gè)方面：①實(shí)現(xiàn)人工智能工廠建設(shè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的智能化、高效化和網(wǎng)絡(luò)化；②實(shí)現(xiàn)機(jī)器大生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的倉(cāng)儲(chǔ)物流、人工操作和立體三維技術(shù)的智能化；③實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)物流管理，大大提高物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)和資源處理效率，并對(duì)其進(jìn)行整合。然而鋁工業(yè)仍處于工業(yè)2.0 時(shí)代，行業(yè)的智能化控制滯后，例如，能量流輸入和輸出的智能監(jiān)控和分析，物料流的輸入和輸出的智能統(tǒng)計(jì)分析，槽控系統(tǒng)仍處于模糊控制階段。

2.1 物料的輸入和輸出過(guò)程控制

過(guò)程控制是通過(guò)一定數(shù)量的開(kāi)放式智能操控機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，不同的智能操控機(jī)空控制對(duì)應(yīng)的電解槽，一般情況下通過(guò)一臺(tái)專門設(shè)備在應(yīng)用中得到的數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集，分析解決實(shí)時(shí)操控，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息互通。

2.2 過(guò)程優(yōu)化

過(guò)程優(yōu)化環(huán)節(jié)主要由接口監(jiān)控機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器設(shè)備等構(gòu)成。這一環(huán)節(jié)分成了通訊、監(jiān)控管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和遠(yuǎn)程控制4 個(gè)不同的模塊，但不同模塊間又具有各自獨(dú)立性，過(guò)程優(yōu)化在進(jìn)行集中管理工作時(shí)，就顯得尤為重要。因此，將計(jì)算機(jī)作為中介連接體，實(shí)現(xiàn)接口監(jiān)控機(jī)設(shè)備，進(jìn)行備用服務(wù)器的計(jì)算機(jī)的準(zhǔn)備。當(dāng)出現(xiàn)服務(wù)器設(shè)備故障情況時(shí)，計(jì)算機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的一些功能各個(gè)接口監(jiān)控機(jī)設(shè)備間可以互相成為備用機(jī)，這樣的設(shè)計(jì)方法可以更好地保障系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠[2]。

2.3 槽控系統(tǒng)仍處于模糊控制階段

鋁電解生產(chǎn)智能模糊控制系統(tǒng)是建立在模糊數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上模仿人的日常管理對(duì)電解槽進(jìn)行控制。其控制系統(tǒng)遵守“勤加工，少下料”的電解生產(chǎn)原則，并以系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到槽電阻的變化來(lái)確定電解質(zhì)中氧化鋁濃度，以“正常、減量、增量”來(lái)確定下料量，又以“大下料、小下料”來(lái)完成工藝要求的氧化鋁濃度控制。

3 鋁電解控制過(guò)程內(nèi)容分析

在鋁電解槽中，主要功能復(fù)雜多樣且相互作用。其充滿了電場(chǎng)、磁場(chǎng)、熱場(chǎng)。在物理和電化學(xué)作用下，狀態(tài)變化更是復(fù)雜多變的。該過(guò)程受常規(guī)手動(dòng)操作和傳統(tǒng)生產(chǎn)工序的影響，常見(jiàn)的干擾是鋁生產(chǎn)和陽(yáng)極更換，很難識(shí)別堆疊控制錯(cuò)誤和創(chuàng)建復(fù)雜的時(shí)變內(nèi)容。因此，很難在此基礎(chǔ)上開(kāi)展檢測(cè)工作。目前，控制系統(tǒng)可直接不間斷收集到的電解槽信號(hào)有電解槽電壓和系列電流兩個(gè)，這些可以通過(guò)機(jī)械裝置來(lái)對(duì)這個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行直接的控制調(diào)節(jié)，可以調(diào)整兩極間距和打殼下料部分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電解槽電壓和電解質(zhì)中氧化鋁的濃度大小進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。現(xiàn)階段的技術(shù)還不能做到對(duì)氧化鋁濃度直接在線監(jiān)測(cè)，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)和電阻二者之間形成不對(duì)稱的U 型關(guān)系，通過(guò)把調(diào)整下料和上料之間的關(guān)系從而使其周期進(jìn)行來(lái)回變換，借此保證氧化鋁濃度在一個(gè)比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)變化，將陽(yáng)極設(shè)置成為移動(dòng)方向，電解槽電阻的改變只受到氧化鋁濃度的影響，其中槽電阻數(shù)值伴隨時(shí)間變化速率數(shù)值的大小來(lái)反映槽電阻的氧化鋁濃度導(dǎo)數(shù)大小數(shù)值[3]。

槽電阻數(shù)值是指在一定時(shí)間范圍內(nèi)，氧化鋁濃度的實(shí)際變化率在累積斜率數(shù)值上的反應(yīng)。氧化鋁濃度數(shù)值設(shè)定在不容易產(chǎn)生樣機(jī)效應(yīng)和不容易出現(xiàn)沉淀的范圍之內(nèi)。考慮通過(guò)電解槽電阻時(shí)間變化速率的數(shù)值來(lái)顯示氧化鋁濃度的數(shù)值，氧化鋁濃度對(duì)導(dǎo)數(shù)具有相當(dāng)高的要求，一定要使導(dǎo)數(shù)盡可能大，從而實(shí)現(xiàn)最佳濃度控制數(shù)值在最佳濃度范圍內(nèi)。

上述內(nèi)容表明，鋁電解槽是一個(gè)具有可變特性、非線性和高滯后的慣性系統(tǒng)。該模型的應(yīng)用存在不確定性，鋁電解過(guò)程的控制主要基于電池的電阻與極性距離的比率。其他影響因素需要在此過(guò)程中統(tǒng)籌兼顧，確定其準(zhǔn)確的兩極間距和下料控制措施，環(huán)節(jié)中能夠精準(zhǔn)確定的數(shù)學(xué)模型較少。在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)智能控制，應(yīng)用智能控制技術(shù)優(yōu)點(diǎn)更為突出，相對(duì)于其他的控制方法來(lái)講，先進(jìn)的鋁電解過(guò)程控制策略，智能控制技術(shù)提供重要手段，提升控制效果，滿足經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)需求。

4 控制方法研究

智能控制技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)對(duì)于鋁電解槽作為基礎(chǔ)的綜合應(yīng)用，構(gòu)成新型化的鋁電解槽模糊專家系統(tǒng)，系統(tǒng)中會(huì)涵蓋不同的子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)間獨(dú)立完成工作同時(shí)又互通信息，相互協(xié)調(diào)共同完成系統(tǒng)工作。這些子系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)、三場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真子系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)槽況診斷專家子系統(tǒng)3 個(gè)。在具體工作運(yùn)行中，分類別收集并分析電解槽傳遞的信息，然后把分析得到的下一級(jí)信息傳遞到槽況診斷系統(tǒng)中，同時(shí)也要為實(shí)時(shí)控制專家系統(tǒng)提供對(duì)應(yīng)信息[4]。

三場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)把信息傳遞到槽況診斷系統(tǒng)，槽況診斷系統(tǒng)進(jìn)行信息分析處理得到結(jié)果，再結(jié)合人工輸入得到的信息，來(lái)對(duì)電解槽的具體實(shí)際情況進(jìn)行判斷，總結(jié)出電解槽內(nèi)中長(zhǎng)期的情況預(yù)報(bào)。實(shí)施控制系統(tǒng)再根據(jù)動(dòng)態(tài)仿真信息系統(tǒng)的診斷預(yù)報(bào)結(jié)果，配合解析結(jié)果，最終給出有針對(duì)性的方法進(jìn)行控制，鋁電解生產(chǎn)中的兩極間距和槽內(nèi)氧化鋁濃度得到有效控制，以此完成電流效率需要的工藝技術(shù)條件。

（1）實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)、人類專家積累的知識(shí)和長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)得到很好的利用，進(jìn)一步改善控制達(dá)到的優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)果，需要結(jié)合專家系統(tǒng)技術(shù)和模糊控制技術(shù)二者，共同發(fā)揮作用，來(lái)完成技術(shù)進(jìn)一步突破。要完成這一技術(shù)開(kāi)發(fā)，可以參考模糊生產(chǎn)表示方法，其統(tǒng)一表達(dá)推理機(jī)使用的多樣性規(guī)則。所有規(guī)則應(yīng)根據(jù)統(tǒng)一的存儲(chǔ)規(guī)則進(jìn)行分組，然后根據(jù)規(guī)則進(jìn)行應(yīng)用。控制庫(kù)的內(nèi)容主要包括儲(chǔ)罐狀態(tài)的自行診斷和分析、相應(yīng)控制模式的選擇以及設(shè)定值的控制和校正。參考近似推理原理和模糊專家系統(tǒng)的推理技術(shù)，完成推理機(jī)的建設(shè)，這樣的推理方法需要在數(shù)據(jù)庫(kù)中的原始實(shí)際數(shù)據(jù)和不同規(guī)則的條件下進(jìn)行匹配。數(shù)據(jù)庫(kù)中原來(lái)的數(shù)據(jù)一定要有較高的準(zhǔn)確性和可實(shí)用性，但也不是對(duì)所有的不精確數(shù)據(jù)嗤之以鼻，因此，匹配時(shí)，推理機(jī)也不是必須要求數(shù)據(jù)一定要有準(zhǔn)確性，其也允許不具有準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)存在，以確保部分匹配也適用。為了適應(yīng)一般性規(guī)則，設(shè)定了前件和斷言間之間的最低等效水平。這個(gè)值對(duì)比提前設(shè)置的閾值要偏大，規(guī)則就會(huì)到觸發(fā)規(guī)則集里面，通過(guò)規(guī)則設(shè)定進(jìn)行分組、優(yōu)先級(jí)和匹配程度中的矛盾處理方法來(lái)給出最終的執(zhí)行規(guī)則。基于電解質(zhì)電池的非線性和時(shí)變特性，想要優(yōu)化控制器的性能，就需要利用論域自調(diào)整算法進(jìn)行，即推理機(jī)根據(jù)電解槽內(nèi)的情況變化進(jìn)行控制模式的轉(zhuǎn)變，對(duì)于模糊的變量改正后輸入，相對(duì)應(yīng)的精確數(shù)值論域同樣進(jìn)行改正輸入，這樣的方法可以自動(dòng)在線改變模糊專家控制設(shè)備動(dòng)態(tài)和靜態(tài)工作，效果更加明顯，且更加簡(jiǎn)單方便。

（2）在線仿真系統(tǒng)是以物理場(chǎng)計(jì)算機(jī)仿真原理為基礎(chǔ)，工作中收集并數(shù)值化物理場(chǎng)變化生產(chǎn)的信息，通過(guò)動(dòng)態(tài)性仿真數(shù)學(xué)模型分析出未知的物理場(chǎng)特征相關(guān)數(shù)據(jù)，在需要的時(shí)候，再通過(guò)二位動(dòng)態(tài)顯示出仿真分析的對(duì)應(yīng)結(jié)果，這其中電解槽內(nèi)溫度值范圍和槽膛內(nèi)形是動(dòng)態(tài)顯現(xiàn)的價(jià)值。

（3）情況診斷專家子系統(tǒng)內(nèi)容，在槽況診斷過(guò)程中，數(shù)據(jù)具有多種類型、缺點(diǎn)缺陷較多和不確定性等特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，需要借用與此相匹配的生產(chǎn)方法來(lái)對(duì)槽況進(jìn)行診斷和表達(dá)，即“if-條件-then-結(jié)論”，很難應(yīng)用有效的規(guī)則來(lái)描述各種可能情況的完整性，從而導(dǎo)致知識(shí)庫(kù)的爆炸性傳播情況的發(fā)生。為了避免上述情況，可以使用一種更有效的方法來(lái)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)置槽況診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)，這一技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于表現(xiàn)、總結(jié)和提升都具有非常重要的意義。主要可以通過(guò)應(yīng)用下面幾種方法來(lái)獲得槽況診斷信息：①槽控機(jī)設(shè)備的相關(guān)信息，②三場(chǎng)仿真信息，③人工檢查測(cè)驗(yàn)得到的信息數(shù)據(jù)。槽部分診斷專家系統(tǒng)知識(shí)分為槽況診斷知識(shí)和槽況控制決策知識(shí)，考慮此情況，網(wǎng)絡(luò)要把二者分成兩種通過(guò)并聯(lián)方式連接而成的4 層子網(wǎng)絡(luò)，來(lái)形成槽況診斷專家系統(tǒng)。這樣系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)信息的抓取、電解槽具體情況的斷定都非常有效。槽況維護(hù)決策網(wǎng)絡(luò)主要用以獲得當(dāng)天出鋁量情況和當(dāng)天設(shè)定電壓調(diào)整情況，這些都是通過(guò)人工來(lái)控制相應(yīng)參數(shù)或者自動(dòng)設(shè)置對(duì)應(yīng)的閾值，然后來(lái)完成對(duì)應(yīng)的決策。

5 鋁電解生產(chǎn)過(guò)程智能集成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)內(nèi)容分析

鋁電解槽中提供了電、磁、熱和電場(chǎng)等復(fù)雜功能，促使其中的情況更加復(fù)雜，而且該過(guò)程還需要定期手動(dòng)操作，從而產(chǎn)生了許多可變的、可接近的和隨時(shí)間變化的特性。鋁電解生產(chǎn)階段的主要目標(biāo)是基于鋁濃度和電解質(zhì)溫度的數(shù)值預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)鋁濃度和電解液溫度的特定預(yù)測(cè)值，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，納入多樣化因素影響，并且可以檢查極距和放電的實(shí)際控制策略，以確保電解質(zhì)電池的熱平衡和材料平衡。從而達(dá)到最佳的和最優(yōu)的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)質(zhì)量。

基于此，傳統(tǒng)控制技術(shù)主要采用相對(duì)單一的智能控制技術(shù)，控制效果較弱。根據(jù)鋁電解過(guò)程的本質(zhì)特點(diǎn)，將智能集成技術(shù)應(yīng)用于鋁電解過(guò)程控制器中進(jìn)行鋁電解過(guò)程控制工作，設(shè)計(jì)了生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，從而在特定生產(chǎn)中提高了控制效果。

（1）提出了一種基于混沌優(yōu)化的模糊電解質(zhì)溫度控制方法。這個(gè)系統(tǒng)的主要形式是串級(jí)。主控制器是基于混沌優(yōu)化的溫度模糊控制器，副控制器是鎖定槽電壓專家模糊控制器。此外，有必要分析串級(jí)流中變化的槽電壓的影響，并在過(guò)程中添加輸入控制裝置，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率，擾動(dòng)調(diào)節(jié)能力提高后，在提高干擾控制能力的同時(shí)克服對(duì)象的非線性。

（2）在氧化鋁濃度模糊專家控制系統(tǒng)中進(jìn)行鋁電解時(shí)，有必要密切關(guān)注鋁濃度的參數(shù)，并重點(diǎn)關(guān)注其控制。濃度值高，槽底較低，電流效率降低，電阻和陰極降低，鋁液層的穩(wěn)定性受到影響。氧化鋁含量低，極易產(chǎn)生陽(yáng)極效應(yīng)，增加電池電壓，破壞電解質(zhì)電池能量平衡。對(duì)于這些問(wèn)題的具體分析，必須確保電流效率，保持電池的鋁含量處于低濃度，避免產(chǎn)生陽(yáng)性效應(yīng)問(wèn)題。

6 智能控制發(fā)展方向及應(yīng)用

鋁電解生產(chǎn)全周期生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)的建設(shè)及應(yīng)用包括：電解槽設(shè)計(jì)圖紙、內(nèi)村材料質(zhì)量、施工質(zhì)量的過(guò)程管控；能量流全過(guò)程監(jiān)控及分析系統(tǒng)。應(yīng)用能耗橋的思路追蹤能源的去向，并在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)形成分析和優(yōu)化建議；物料流的全過(guò)程監(jiān)控及分析系統(tǒng)。應(yīng)用物耗橋的思路追蹤物料的去向，并在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)形成分析和優(yōu)化建議；槽控系統(tǒng)由模糊控制向智能。實(shí)現(xiàn)高效工藝匹配推薦、異常提示及處理意見(jiàn)推送、形成全過(guò)程健康度診斷及工藝優(yōu)化推薦，綜合形成智能的槽大修推薦及破損槽險(xiǎn)情智能預(yù)警控制方向優(yōu)化[5]。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著人工智能不斷的高速發(fā)展，鋁電解控制工作有新的更好的方法策略。根據(jù)鋁電解生產(chǎn)中的具體情況，智能控制可以設(shè)置專家系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)3 個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間獨(dú)立工作的基礎(chǔ)上相互配合，實(shí)現(xiàn)鋁電解生產(chǎn)過(guò)程智能控制，順應(yīng)未來(lái)鋁電解行業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。鋁電解生產(chǎn)工藝技術(shù)得到進(jìn)一步完善，同時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全也得到保障，降低生產(chǎn)工人的工作壓力，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。