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

【摘 要】在對稀土元素進(jìn)行萃取和分離的過程中，得到的各種組分含量并不固定，而是會在一定范圍內(nèi)波動，這樣可能會對產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響?；诖?，論文從稀土元素生產(chǎn)中萃取和分離過程出發(fā)，對其組分含量的區(qū)間控制方法進(jìn)行了分析和討論，結(jié)合仿真試驗，對控制方法的可行性和可靠性進(jìn)行了驗證。

【關(guān)鍵詞】稀土;萃取分離;組分含量;區(qū)間控制

【Keywords】rare earth; extraction separation; component content; interval control

【中圖分類號】O65? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）01-0146-02

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(jìn)行萃取分離，其生產(chǎn)的過程不僅專業(yè)性強(qiáng)，還具有非線性、強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行串聯(lián)，確保被萃取物質(zhì)可以與有機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行有效規(guī)避[1]。

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(jìn)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(jī)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(jī)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]。

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(jī)干擾問題，配合相應(yīng)的多步最小化性能指標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行反復(fù)計算，且計算必須在線進(jìn)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(jìn)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(biāo)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?；趨^(qū)間控制的預(yù)測控制如圖2所示。

如果預(yù)測輸出落在上圖中標(biāo)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(jìn)行適當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(jìn)行相應(yīng)調(diào)整;當(dāng)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(jìn)行驗證，選擇某公司CePr/Nd萃取分離過程作為對象進(jìn)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(jìn)行采集，采用隨機(jī)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(jìn)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(jìn)行準(zhǔn)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(biāo)，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(jī)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(jìn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)企業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的提高。

【參考文獻(xiàn)】

【1】馮雪嬌，崔紅敏，黃勇，等.稀土提取與分離技術(shù)專利分析[J].江西科學(xué)，2018，36（04）：687-693.

【2】吳新友.稀土礦測試分析狀況及解決方法[J].冶金與材料，2018，38（03）：47+49.

【3】陳燕飛，季尚軍，常宏濤，等.P292與Alamine336協(xié)同萃取稀土元素的研究[J].有色金屬（冶煉部分），2018（06）：45-47，55.

【4】劉飛飛，古帥奇，劉龍細(xì)，等.基于QPSO-ELM的稀土萃取過程組分含量預(yù)測研究[J].有色金屬（冶煉部分），2017（05）：37-40.

【5】陸榮秀，何麗娟，張國慶，等.稀土萃取分離過程組分含量區(qū)間控制方法[J].化工學(xué)報，2017，68（03）：1058-1064.