芻議智能控制技術在鋁電解過程中的應用

易勇廳

（吉利百礦集團有限公司，廣西 百色 533045）

1 智能控制技術內容分析

智能控制通過構建精確數學模型解決問題，借助人工智能和邏輯推理作為數學模型的知識基礎，屬于邊緣性的交叉學科。

1.1 專家系統

專家系統是一個數字化和智慧化的人工智能程序，通過把人類長期以來積累的知識和經驗融合到計算機系統中，然后對人類處理事情的推理決策手段過程模擬演練，得到相關權威專家的研究成果來解決在研究中遇到的困難。

1.2 模糊控制

模糊控制工作，依據相關原理可知，模糊控制工作在運轉的同時，其內部的復雜性和精確性會大大降低，在觸碰到規定限制值時，兩者就會產生排斥的情況。模糊控制工作促進大腦與計算機之間互通聯系，基于模糊集合理論的核心，形成大腦和計算機間的聯系互通，能把人類科學家長久形成的模糊知識內容和經驗等信息進行轉換，形成能夠被計算機識別運行的理論規則。基于此，計算機進行模糊信息的處理工作，進行推理和判斷。

1.3 人工神經網絡

人工神經網絡的主要內容是指對人體思維進行高效的模擬和應用，經過大量數據進行簡單的分析加工，具有通用性，實現了互聯互通，形成了復雜的網絡結構。其主要針對人腦神經網絡的結構和行為，并形成一個非線性動態系統。主要特點是數據的分散和聯合處理能力突出。在這個過程中，該網絡具有強大的容錯能力，可以執行有效的關聯和推廣工作[1]。

2 鋁電解智能控制技術應用現狀分析

目前工業化生產已經邁入工業4.0 時代，主要內容包括以下3 個方面：①實現人工智能工廠建設，實現生產的智能化、高效化和網絡化；②實現機器大生產，實現生產過程中的倉儲物流、人工操作和立體三維技術的智能化；③實現大數據物流管理，大大提高物聯網中的數據和資源處理效率，并對其進行整合。然而鋁工業仍處于工業2.0 時代，行業的智能化控制滯后，例如，能量流輸入和輸出的智能監控和分析，物料流的輸入和輸出的智能統計分析，槽控系統仍處于模糊控制階段。

2.1 物料的輸入和輸出過程控制

過程控制是通過一定數量的開放式智能操控機系統構成，不同的智能操控機空控制對應的電解槽，一般情況下通過一臺專門設備在應用中得到的數據，完成數據采集，分析解決實時操控，進行數據信息互通。

2.2 過程優化

過程優化環節主要由接口監控機和數據庫服務器設備等構成。這一環節分成了通訊、監控管理、實時數據庫和遠程控制4 個不同的模塊，但不同模塊間又具有各自獨立性，過程優化在進行集中管理工作時，就顯得尤為重要。因此，將計算機作為中介連接體，實現接口監控機設備，進行備用服務器的計算機的準備。當出現服務器設備故障情況時，計算機就可以實現服務器的一些功能各個接口監控機設備間可以互相成為備用機，這樣的設計方法可以更好地保障系統的穩定可靠[2]。

2.3 槽控系統仍處于模糊控制階段

鋁電解生產智能模糊控制系統是建立在模糊數學的基礎上模仿人的日常管理對電解槽進行控制。其控制系統遵守“勤加工，少下料”的電解生產原則，并以系統監測得到槽電阻的變化來確定電解質中氧化鋁濃度，以“正常、減量、增量”來確定下料量，又以“大下料、小下料”來完成工藝要求的氧化鋁濃度控制。

3 鋁電解控制過程內容分析

在鋁電解槽中，主要功能復雜多樣且相互作用。其充滿了電場、磁場、熱場。在物理和電化學作用下，狀態變化更是復雜多變的。該過程受常規手動操作和傳統生產工序的影響，常見的干擾是鋁生產和陽極更換，很難識別堆疊控制錯誤和創建復雜的時變內容。因此，很難在此基礎上開展檢測工作。目前，控制系統可直接不間斷收集到的電解槽信號有電解槽電壓和系列電流兩個，這些可以通過機械裝置來對這個環節進行直接的控制調節，可以調整兩極間距和打殼下料部分，從而實現對電解槽電壓和電解質中氧化鋁的濃度大小進行調節控制。現階段的技術還不能做到對氧化鋁濃度直接在線監測，但在實際生產過程中，會和電阻二者之間形成不對稱的U 型關系，通過把調整下料和上料之間的關系從而使其周期進行來回變換，借此保證氧化鋁濃度在一個比較穩定的范圍內變化，將陽極設置成為移動方向，電解槽電阻的改變只受到氧化鋁濃度的影響，其中槽電阻數值伴隨時間變化速率數值的大小來反映槽電阻的氧化鋁濃度導數大小數值[3]。

槽電阻數值是指在一定時間范圍內，氧化鋁濃度的實際變化率在累積斜率數值上的反應。氧化鋁濃度數值設定在不容易產生樣機效應和不容易出現沉淀的范圍之內。考慮通過電解槽電阻時間變化速率的數值來顯示氧化鋁濃度的數值，氧化鋁濃度對導數具有相當高的要求，一定要使導數盡可能大，從而實現最佳濃度控制數值在最佳濃度范圍內。

上述內容表明，鋁電解槽是一個具有可變特性、非線性和高滯后的慣性系統。該模型的應用存在不確定性，鋁電解過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程中統籌兼顧，確定其準確的兩極間距和下料控制措施，環節中能夠精準確定的數學模型較少。在鋁電解生產過程中實現智能控制，應用智能控制技術優點更為突出，相對于其他的控制方法來講，先進的鋁電解過程控制策略，智能控制技術提供重要手段，提升控制效果，滿足經濟技術指標需求。

4 控制方法研究

智能控制技術在應用過程中，通過對于鋁電解槽作為基礎的綜合應用，構成新型化的鋁電解槽模糊專家系統，系統中會涵蓋不同的子系統，各子系統間獨立完成工作同時又互通信息，相互協調共同完成系統工作。這些子系統分為實時控制子系統、三場動態仿真子系統和神經網絡槽況診斷專家子系統3 個。在具體工作運行中，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信息傳遞到槽況診斷系統中，同時也要為實時控制專家系統提供對應信息[4]。

三場動態仿真系統把信息傳遞到槽況診斷系統，槽況診斷系統進行信息分析處理得到結果，再結合人工輸入得到的信息，來對電解槽的具體實際情況進行判斷，總結出電解槽內中長期的情況預報。實施控制系統再根據動態仿真信息系統的診斷預報結果，配合解析結果，最終給出有針對性的方法進行控制，鋁電解生產中的兩極間距和槽內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條件。

（1）實時控制系統、人類專家積累的知識和長期經驗得到很好的利用，進一步改善控制達到的優化生產結果，需要結合專家系統技術和模糊控制技術二者，共同發揮作用，來完成技術進一步突破。要完成這一技術開發，可以參考模糊生產表示方法，其統一表達推理機使用的多樣性規則。所有規則應根據統一的存儲規則進行分組，然后根據規則進行應用。控制庫的內容主要包括儲罐狀態的自行診斷和分析、相應控制模式的選擇以及設定值的控制和校正。參考近似推理原理和模糊專家系統的推理技術，完成推理機的建設，這樣的推理方法需要在數據庫中的原始實際數據和不同規則的條件下進行匹配。數據庫中原來的數據一定要有較高的準確性和可實用性，但也不是對所有的不精確數據嗤之以鼻，因此，匹配時，推理機也不是必須要求數據一定要有準確性，其也允許不具有準確性的數據存在，以確保部分匹配也適用。為了適應一般性規則，設定了前件和斷言間之間的最低等效水平。這個值對比提前設置的閾值要偏大，規則就會到觸發規則集里面，通過規則設定進行分組、優先級和匹配程度中的矛盾處理方法來給出最終的執行規則。基于電解質電池的非線性和時變特性，想要優化控制器的性能，就需要利用論域自調整算法進行，即推理機根據電解槽內的情況變化進行控制模式的轉變，對于模糊的變量改正后輸入，相對應的精確數值論域同樣進行改正輸入，這樣的方法可以自動在線改變模糊專家控制設備動態和靜態工作，效果更加明顯，且更加簡單方便。

（2）在線仿真系統是以物理場計算機仿真原理為基礎，工作中收集并數值化物理場變化生產的信息，通過動態性仿真數學模型分析出未知的物理場特征相關數據，在需要的時候，再通過二位動態顯示出仿真分析的對應結果，這其中電解槽內溫度值范圍和槽膛內形是動態顯現的價值。

（3）情況診斷專家子系統內容，在槽況診斷過程中，數據具有多種類型、缺點缺陷較多和不確定性等特點。在此基礎上，需要借用與此相匹配的生產方法來對槽況進行診斷和表達，即“if-條件-then-結論”，很難應用有效的規則來描述各種可能情況的完整性，從而導致知識庫的爆炸性傳播情況的發生。為了避免上述情況，可以使用一種更有效的方法來使用神經網絡技術設置槽況診斷專家系統知識庫，這一技術的應用對于表現、總結和提升都具有非常重要的意義。主要可以通過應用下面幾種方法來獲得槽況診斷信息：①槽控機設備的相關信息，②三場仿真信息，③人工檢查測驗得到的信息數據。槽部分診斷專家系統知識分為槽況診斷知識和槽況控制決策知識，考慮此情況，網絡要把二者分成兩種通過并聯方式連接而成的4 層子網絡，來形成槽況診斷專家系統。這樣系統運行時對信息的抓取、電解槽具體情況的斷定都非常有效。槽況維護決策網絡主要用以獲得當天出鋁量情況和當天設定電壓調整情況，這些都是通過人工來控制相應參數或者自動設置對應的閾值，然后來完成對應的決策。

5 鋁電解生產過程智能集成網絡控制系統內容分析

鋁電解槽中提供了電、磁、熱和電場等復雜功能，促使其中的情況更加復雜，而且該過程還需要定期手動操作，從而產生了許多可變的、可接近的和隨時間變化的特性。鋁電解生產階段的主要目標是基于鋁濃度和電解質溫度的數值預測模型，實現鋁濃度和電解液溫度的特定預測值，構成閉環控制系統，納入多樣化因素影響，并且可以檢查極距和放電的實際控制策略，以確保電解質電池的熱平衡和材料平衡。從而達到最佳的和最優的生產條件和生產質量。

基于此，傳統控制技術主要采用相對單一的智能控制技術，控制效果較弱。根據鋁電解過程的本質特點，將智能集成技術應用于鋁電解過程控制器中進行鋁電解過程控制工作，設計了生產網絡控制系統，從而在特定生產中提高了控制效果。

（1）提出了一種基于混沌優化的模糊電解質溫度控制方法。這個系統的主要形式是串級。主控制器是基于混沌優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，有必要分析串級流中變化的槽電壓的影響，并在過程中添加輸入控制裝置，這種結構優勢可以提高系統的響應速率，擾動調節能力提高后，在提高干擾控制能力的同時克服對象的非線性。

（2）在氧化鋁濃度模糊專家控制系統中進行鋁電解時，有必要密切關注鋁濃度的參數，并重點關注其控制。濃度值高，槽底較低，電流效率降低，電阻和陰極降低，鋁液層的穩定性受到影響。氧化鋁含量低，極易產生陽極效應，增加電池電壓，破壞電解質電池能量平衡。對于這些問題的具體分析，必須確保電流效率，保持電池的鋁含量處于低濃度，避免產生陽性效應問題。

6 智能控制發展方向及應用

鋁電解生產全周期生產智能管控系統的建設及應用包括：電解槽設計圖紙、內村材料質量、施工質量的過程管控；能量流全過程監控及分析系統。應用能耗橋的思路追蹤能源的去向，并在關鍵節點形成分析和優化建議；物料流的全過程監控及分析系統。應用物耗橋的思路追蹤物料的去向，并在關鍵節點形成分析和優化建議；槽控系統由模糊控制向智能。實現高效工藝匹配推薦、異常提示及處理意見推送、形成全過程健康度診斷及工藝優化推薦，綜合形成智能的槽大修推薦及破損槽險情智能預警控制方向優化[5]。

7 結語

綜上所述，隨著人工智能不斷的高速發展，鋁電解控制工作有新的更好的方法策略。根據鋁電解生產中的具體情況，智能控制可以設置專家系統、模糊控制系統和人工神經網絡系統3 個子系統，子系統之間獨立工作的基礎上相互配合，實現鋁電解生產過程智能控制，順應未來鋁電解行業控制技術的發展趨勢。鋁電解生產工藝技術得到進一步完善，同時，經濟效益和生產安全也得到保障，降低生產工人的工作壓力，進一步提高生產效率。