稀土萃取分離過程組分含量區(qū)間控制方法探析

孫書鵬，李琦

（內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙 包頭 014014）

1 引言

稀土本身是一種稀缺資源，具有不可再生性，也是高新技術(shù)發(fā)展中一種不可或缺的元素。對于化工企業(yè)而言，稀土產(chǎn)品的生產(chǎn)原理為通過相應(yīng)的工藝流程，對混合稀土溶液中的稀土元素進行萃取分離，其生產(chǎn)的過程不僅專業(yè)性強，還具有非線性、強耦合的特點，變量眾多，很容易對得到的產(chǎn)品組分產(chǎn)生影響。為了保證稀土萃取分離的效果，這里將稀土的萃取分離環(huán)節(jié)進行相應(yīng)簡化，代之以雙輸入雙輸出系統(tǒng)，選擇某企業(yè)CePr/Nd的萃取過程，對其運行數(shù)據(jù)進行整理分析，配合相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成模型構(gòu)筑工作，再以可靠的區(qū)間孔子方法，將原本系統(tǒng)存在的輸出約束進行轉(zhuǎn)換，希望借此實現(xiàn)對稀土萃取分離過程的有效控制。

2 萃取過程

稀土元素本身的分離系數(shù)相對較少，因此在工業(yè)生產(chǎn)中，一般都會將多個萃取槽進行串聯(lián)，確保被萃取物質(zhì)可以與有機相、水相等實現(xiàn)多次接觸，將稀土元素有效分離出來，得到兩個及以上的產(chǎn)品，同時也能夠保證產(chǎn)品的純度和收率?？紤]系統(tǒng)萃取分離過程屬于時間序列相關(guān)問題，一般情況下都會利用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行解決，不過因為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身的復(fù)雜性，訓(xùn)練環(huán)節(jié)眾多，因此在很多時候，并不適合針對非線性時間序列進行預(yù)測分析。對此，提出了一種基于ESN網(wǎng)絡(luò)的時間序列預(yù)測方法，權(quán)值的訓(xùn)練更加簡單，也可以對記憶漸消問題進行有效規(guī)避[1]。

圖1 ESN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 模型構(gòu)建

ESN網(wǎng)絡(luò)本身屬于

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種特殊形式，在實踐中，能夠?qū)鹘y(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的中間層替換成遞歸網(wǎng)絡(luò)，對原本煩瑣的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程進行優(yōu)化。ESN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ESN網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)顟B(tài)儲備池分為數(shù)百上千個神經(jīng)單元，這些神經(jīng)單元保持隨機稀疏連接狀態(tài)，矩陣譜半徑小于1。而在開展網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時，連接儲備池的權(quán)矩陣會在訓(xùn)練的過程中隨機產(chǎn)生，而且一旦產(chǎn)生就會固定下來，考慮到狀態(tài)變量、輸入輸出之間屬于線性關(guān)系，可以通過對線性回歸問題的求解，獲取對應(yīng)的連接權(quán)[2]。

稀土萃取過程模型構(gòu)建中得到的是雙輸入雙輸出模型，其中的輸入量u1代表萃取劑的流量，u2代表洗滌劑的流量，輸出量y1代表萃取段兩側(cè)監(jiān)測級的組分含量，y2代表洗滌段兩側(cè)監(jiān)測級組分含量。ESN 模型輸入 u（k）=[u1，u2]T，第 k 步 ESN網(wǎng)絡(luò)輸入儲備池狀態(tài)為x（k）=[x1（k），x2（k），…，xN（k）]T，模型輸出y（k）=[y1（k），y2（k）]T。在經(jīng)過訓(xùn)練得到Wout的數(shù)值后，代入回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)方程就能夠得到ESN網(wǎng)絡(luò)模型的輸出y，模型構(gòu)建全部完成。

4 控制方法

4.1 區(qū)間預(yù)測控制

預(yù)測控制具備很多優(yōu)點，如反饋控制、控制優(yōu)化、多步控制等，能夠有效應(yīng)對工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，以及存在于過程控制中的隨機干擾問題，配合相應(yīng)的多步最小化性能指標函數(shù)，也能夠?qū)時刻存在的，隸屬于未來某個時間段的最優(yōu)控制序列進行計算，而且預(yù)測控制本身能夠?qū)υ据斎胼敵鲎兞恐械募s束條件進行轉(zhuǎn)化，形成相應(yīng)的控制律求解問題。利用預(yù)測控制，完成對于稀土分離過程中組分含量的區(qū)間控制，依照相應(yīng)的區(qū)間控制方法，技術(shù)人員能夠針對預(yù)測值進行優(yōu)化調(diào)整，確定好未來的最佳控制作用。在調(diào)整優(yōu)化的過程中，主要是運用滾動優(yōu)化，必須進行反復(fù)計算，且計算必須在線進行[3]。

4.2 區(qū)間控制策略

在針對相應(yīng)的模型控制參數(shù)進行調(diào)整后，配合以區(qū)間預(yù)測為基礎(chǔ)的控制算法，將可變權(quán)矩陣Q引入到系統(tǒng)性能指標中，運用相應(yīng)的預(yù)測控制器，在滿足區(qū)間約束條件的前提下，使被控變量可以優(yōu)先落在期望控制區(qū)間中。基于區(qū)間控制的預(yù)測控制如圖2所示。

圖2 基于區(qū)間控制的預(yù)測控制

如果預(yù)測輸出落在上圖中標明的三個區(qū)間內(nèi)，或者超出區(qū)間范圍，輸出誤差權(quán)矩陣Q（i）會結(jié)合預(yù)先設(shè)定好的區(qū)間控制策略，對其進行適當調(diào)整，作為對角矩陣，權(quán)矩陣本身的對角元素與被控變量的重要性呈正比。當預(yù)測輸出落在區(qū)間Ⅰ中時，調(diào)整權(quán)矩陣Q（i）=0，將區(qū)間內(nèi)輸出的變化忽略，i=1,2，…，P；當預(yù)測輸出落在區(qū)間Ⅱ、Ⅲ中時，將會超出期望區(qū)間，則需要對權(quán)值進行相應(yīng)調(diào)整；當預(yù)測輸出落在三個區(qū)間外時，將會完全超出給定的約束條件，此時權(quán)值最大，存在Q（i）=1，所有被控變量都會落在規(guī)定范圍內(nèi)[4]。

5 仿真分析

為了對上文提出方法的有效性進行驗證，選擇某公司CePr/Nd萃取分離過程作為對象進行仿真分析。先對萃取過程中不同階段產(chǎn)生的4000組動態(tài)過程數(shù)據(jù)進行采集，采用隨機方式，在4000組數(shù)據(jù)中，選出3000組作為建模參數(shù)，剩下的數(shù)據(jù)則作為對比測試的樣本，基于廣義預(yù)測的方法，配合上文構(gòu)建的模型，對稀土萃取分離過程進行控制。

5.1 仿真結(jié)果

結(jié)合上文構(gòu)建出的ESN網(wǎng)絡(luò)模型分析，在CePr/Nd萃取分離過程中，存在于模型動態(tài)儲備池內(nèi)的神經(jīng)元數(shù)量為250，隱含層保持約1%的稀疏連接，同時矩陣譜半徑數(shù)值為0.85。為了針對CePr/Nd萃取分離過程中的模型精度進行準確衡量，在開展仿真試驗的過程中，對比模型得到的輸出值和樣本的實質(zhì)數(shù)值，利用兩者存在的相對誤差作為性能指標，經(jīng)測試后得到誤差曲線，可以看出，萃取分離過程中，模型測量相對誤差在2%以內(nèi)，表明模型精度較高。

5.2 控制過程

設(shè)定預(yù)測時域為P=8，M=2，結(jié)合相應(yīng)的工藝要求，將萃取段監(jiān)測級中20級水相CePr的組分含量變化范圍設(shè)定為0.9418～0.9918,50級監(jiān)測級有機相Nd組分含量變化范圍為0.8717～0.9217，設(shè)定好相應(yīng)的約束條件，配合上文提到的組分含量區(qū)間控制方法，針對稀土萃取分離過程進行仿真控制。對照結(jié)果分析，在稀土萃取分離過程中，如果存在干擾，兩端監(jiān)測級中的組分含量會產(chǎn)生波動，因此，選擇廣義預(yù)測控制方法，就稀土萃取分離過程中，萃取劑的流量和洗滌液的流量進行必要調(diào)整，通過這樣的方式，可以切實保障兩端監(jiān)測級的組分含量被控制在給定的區(qū)間范圍內(nèi)[5]。

6 結(jié)論

總而言之，工業(yè)生產(chǎn)中，稀土萃取分離過程存在不少問題，利用相應(yīng)的回聲狀態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，描述稀土萃取分離過程，構(gòu)建動態(tài)模型，然后結(jié)合區(qū)間控制的有效方法以及廣義預(yù)測控制算法，實現(xiàn)了對萃取液和洗滌液流量的實時調(diào)節(jié)，以此來保證稀土萃取分離過程組分含量的區(qū)間控制。通過相應(yīng)的仿真試驗可知，當存在邊界條件干擾時，本文提出的區(qū)間控制方法具備良好的控制效果，可以將兩端監(jiān)測級組分含量控制在給定范圍內(nèi)，促進企業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益的提高。