鋁電解槽氣體焙燒啟動過程的自尋優(yōu)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

仵征，路建坤

（1.河南化工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042；2.中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院有限公司，河南 鄭州 450001）

鋁電解槽氣體焙燒啟動過程的自尋優(yōu)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計

Self-optimizing fuzzy control system design of aluminum reduction cell gas f ring boot process

仵征1，路建坤2

（1.河南化工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042；2.中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院有限公司，河南 鄭州 450001）

為解決鋁電解槽氣體焙燒啟動過程中溫度場分布不均勻、陽極和陰極燒蝕嚴(yán)重，特別是異型陰極電解槽的陰極凸臺脫落嚴(yán)重等問題，以鋁電解槽陰極表面溫度和煙氣中的空氣過剩系數(shù)為主要控制參數(shù)，通過PLC，采用模糊控制算法，建立了溫度模糊控制和燃空比自尋優(yōu)模糊控制模型，實現(xiàn)對鋁電解槽氣體焙燒啟動過程的有效控制。試驗結(jié)果表明，該方法易于實現(xiàn)鋁電解槽焙燒啟動的自動控制，可以做到使陰極溫度緩慢、均勻、可控地上升，斷面溫度梯度較小、陰極表面溫度均勻。

鋁電解槽；氣體焙燒；模糊控制；燃空比

預(yù)焙鋁電解槽氣體焙燒方法（即高溫?zé)煔獗簾椒ǎ┦墙鼛啄陣鴥?nèi)外出現(xiàn)的新型先進(jìn)的焙燒啟動方法。其焙燒原理是，將氣體或液體燃料在專門的燃燒裝置中完全燃燒,產(chǎn)生的高溫?zé)煔庥蓢娚淦鲊娙腚娊獠蹆?nèi)，對大型預(yù)焙鋁電解槽加熱焙燒，達(dá)到啟動所需的工藝溫度。

本文通過對最優(yōu)升溫曲線進(jìn)行分析，建立了氣體焙燒啟動過程的溫度模糊控制和燃空比自尋優(yōu)模糊控制模型，搜尋燃料和空氣最佳配比（燃空比）的科學(xué)方法，使焙燒啟動過程處于最佳燃燒區(qū)，既提高燃燒熱效率，又節(jié)約能源。研究表明該焙燒方法能夠有效地控制電解槽的加熱速度，使陰極表面溫度緩慢、均勻、可控地上升，斷面溫度梯度較小、陰極表面溫度均勻，焙燒效果良好。

1 鋁電解槽氣體焙燒啟動過程控制系統(tǒng)的組成

鋁電解槽氣體焙燒啟動過程控制系統(tǒng)由溫度模糊控制FTC、燃空比自尋優(yōu)模糊控制FAC組成。FTC是根據(jù)溫度信號對燃料量和空氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)；FAC不斷發(fā)出試探信號，依據(jù)對燃料量的測量，搜索最佳燃空比，對空氣、燃料控制采用并行結(jié)構(gòu)。上位機(jī)采用觸控一體機(jī)作為曲線顯示、控制、數(shù)據(jù)記錄分析的人機(jī)界面。

2 最佳溫升曲線的分析

基于影響焙燒質(zhì)量的陰極炭塊表面、斷面的溫度梯度和熱應(yīng)力、陰極扎固糊的加熱工藝、陰極材料中附著水與結(jié)晶水的排出速度，和影響焙燒經(jīng)濟(jì)性的焙燒時間和能量利用率等因素，我們研究了高溫?zé)煔獗簾椒ǖ募訜嶂贫龋贸霰簾^程最佳升溫曲線。

3 氣體焙燒啟動過程自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 氣體焙燒啟動過程自動控制系統(tǒng)的原理

鋁電解槽氣體焙燒啟動過程控制系統(tǒng)的最終控制對象是鋁電解槽陰極，被控變量是鋁電解槽陰極表面溫度，通過模糊控制和自尋優(yōu)模糊控制算法對燃料與風(fēng)量進(jìn)行最佳配比控制，以實現(xiàn)給定加熱溫度的有效控制。

3.2 溫度模糊控制FTC模型的建立

在溫度控制系統(tǒng)中，控制器的設(shè)計是關(guān)鍵。常規(guī)的模糊控制器一般均采用MISO的二維結(jié)構(gòu)。這樣在控制過程中,不僅對被控量的誤差進(jìn)行反饋，同時還對被控量的誤差變化進(jìn)行反饋，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不至于產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。系統(tǒng)的溫度模糊控制模型如圖1所示。

圖1 溫度模糊控制模型

溫度的偏差e、偏差變化率ec和輸出控制量u經(jīng)模糊化后的語言變量分別為E、EC、U。

模糊控制的輸出量U經(jīng)輸出環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)換為實際控制量對被控對象實施控制。常用的輸出環(huán)節(jié)有積分輸出和比例輸出兩種形式，積分輸出可接近無差控制但響應(yīng)較慢，且有較大的超調(diào)；比例輸出階躍響應(yīng)快，但屬于有差控制［5］。

本控制模型采用比例、積分輸出結(jié)合的輸出結(jié)構(gòu)，兼具超調(diào)小、暫態(tài)時間短等優(yōu)點。

3.3 燃空比自尋優(yōu)模糊控制FAC模型的建立

燃空比自尋優(yōu)模糊控制是以最小燃料耗量為指標(biāo)，通過變步長的調(diào)節(jié)方法實現(xiàn)燃空比的精準(zhǔn)控制，燃空比自尋優(yōu)模糊控制模型如圖2所示。系統(tǒng)的輸入為在每個采樣周期測量的燃料消耗增量Δy和前一周期的步長Δxt-1，輸出為本周期尋優(yōu)步長Δxt。

圖2 燃空比模糊自尋優(yōu)控制原理

為實現(xiàn)在較高的搜索速度時搜索損失最少，采用模糊自尋優(yōu)控制實現(xiàn)變步長的自動調(diào)節(jié)?？刂撇呗詾椋涸跇O值點附近，控制曲線平緩，減小步長搜索；在遠(yuǎn)離極值點處，控制曲線變陡，增大步長搜索。

4 試驗及實際運行結(jié)果分析

本文所設(shè)計的控制方法在75 kA系列預(yù)焙鋁電解槽上進(jìn)行了工業(yè)試驗，并在重新建立新的溫度模糊控制器和新的燃空比自尋優(yōu)控制器后，將其成功應(yīng)用于山東信發(fā)鋁業(yè)240 kA電解槽大修后的重新啟動。試驗及實際運行結(jié)果均表明：

（1）該方法易于實現(xiàn)鋁電解槽焙燒啟動的自動控制，可以做到使陰極溫度緩慢、均勻、可控地上升斷面溫度梯度較小、陰極表面溫度均勻。

（2）燃空比模糊控制收斂速度快，4～6個采樣周期即可達(dá)到最佳值，同時控制過程引入尾氣測量充分保證燃料空氣最佳配比，在整個焙燒階段可較常規(guī)控制節(jié)省20%的燃料消耗。

5 結(jié)語

本文將模糊控制理論應(yīng)用于電解槽氣體焙燒啟動裝置的控制，著重從溫度控制和燃空比控制討論，解決了該裝置常規(guī)控制無法克服的溫升不均勻、溫度分布不均勻和啟動加熱速度等問題。

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TP273.5

1009-797X （2015） 18-0096-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.18.036

仵征（1979-），碩士學(xué)歷，講師，主要研究方向為機(jī)電一體化檢測與控制技術(shù)。

2015-08-11

河南省科技廳重大專項項目（0910SGYG21201-5,10PTGS507-6）142102310122。