автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка и исследование автоматизированной системы управления концентрационным режимом алюминиевых электролизеров

На правах рукописи

Сириченко Андрей Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫМ РЕЖИМОМ АЛЮМИНИЕВЫХ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

Специальность 05.13.07 "Автоматизация технологических процессов и производств" (в области цветной металлургии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических, наук

Москва — 2000

Работа выполнена в Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент ШАПИРОВСКИЙ М. Р.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор РЫКОВ А. С.; кандидат технических наук

Ведущая организация: ОАО "Союзцветметавтоматика"

ДВИНИН Ю. И.

Защита состоится " с С " Ае^Д^рО 2000 г. на заседании диссерта

ционного совета Д.053.08.07 в Московском государственном институте стали 1

сплавов (МГИСиС) по адресу 117936, г. Москва, Ленинский просп., 4. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИСиС. Автореферат разослан " " Оии^л ■£_2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Е. А. Калашников

К5Н5.ЩО

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из важных условий достижения высоких технико-экономических показателей электролиза алюминия является поддержание технологически оптимального концентрационного режима процесса электролиза.

Особенность обработки электролизеров с помощью различного рода передвижных механизмов по жесткому временному регламенту один раз в 3—6 часов обусловливает значительные изменения концентрации глинозема за период между обработками. Это ставит перед обслуживающим персоналом достаточно сложную задачу управления концентрационным режимом: во-первых, не допустить выпадения глиноземных осадков; во-вторых, избежать возникновения (особенно частых) анодных эффектов; в-третьих, с целью обеспечения высоких технико-экономических показателей стараться вести процесс электролиза в области низких значений концентраций глинозема (около 2—3 %). Выполнения этих условий можно достичь лишь, управляя количеством подаваемого в элек-гролит глинозема.

В этой связи существующий способ питания электролизеров, когда величина порции глинозема строго фиксирована и корректируется лишь в случае зозникновения серьезных технологических расстройств, не является достаточ-*о эффективным.

Таким образом, разработка технических средств и алгоритмов управления ¡агрузкой глинозема является в настоящее время актуальной задачей автомати-¡ации процесса электролиза алюминия.

Цели диссертационной работы:

1. Исследование взаимосвязи между концентрацией глинозема и основными параметрами технологического режима.

2. Разработка алгоритмов обработки измерительной информации (рабоче-'о напряжения электролизера и тока серии).

3. Синтез алгоритма диагностики концентрационного состояния электро лизной ванны.

4. Разработка алгоритма управления концентрационным режимом алюми ниевого электролизера.

5. Исследование эффективности алгоритмов диагностики и управлени. концентрационным режимом при помощи имитационной модели, связываю щей параметры электрического режима с концентрацией глинозема.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработк алгоритмов диагностики технологического состояния и управления питание) алюминиевого электролизера, в основу которых положены элементы модел! рования действий человека-эксперта по управлению данным технологически объектом.

Практическая ценность работы. Разработанный алгоритм дает возмоя ность оценивать концентрационный режим работы электролизера по косве! ному параметру электрического режима и вырабатывать соответствутощс управляющее воздействие по количеству подаваемого глинозема. Это позвол. ет избежать сильного истощения или перепитки электролизной ванны, тем с мым, повышая технико-экономические показатели процесса и снижая ри< возникновения тяжелых технологических нарушений, требующих проведет трудоемких операций по восстановлению работоспособности электролизера.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 статьи.

Объем рукописи. Диссертация состоит из введения, шести глав, заюпоч ния, списка литературы и содержит 137 страниц основного текста.

Предметом защиты являются алгоритмы диагностики состояния и упрг ления концентрационным режимом алюминиевых электролизеров, обрабат ваемых с помощью передвижных механизмов. На защиту вынесены теорети1 ские и инженерные разработки по методическому и алгоритмическому обеа чению систем управления концентрационным режимом.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА АЛЮМИНИЯ

В данной главе рассмотрены важнейшие технологические аспекты процесса электролиза алюминия, представлены основные задачи управления процессом и проведен обзор современных систем управления электролизом.

Электролиз криолит-глиноземных расплавов является доминирующим :пособом промышленного получения алюминия.

Основным сырьем, используемым при электролитическом производстве 1ЛЮМШШЯ, является глинозем (А1203).

Процесс электролиза алюминия проводится в ваннах (электролизерах), футерованных углеродистыми материалами. На подине электролизера находится в расплавленном состоянии выделяющийся в результате электролиза алюминий, выше — слой электролита. Сверху в ванну опущен угольный анод, шсти'шо погруженный в электролит. Катодом служит расплавленный алюминий. Электролит представляет собой расплавленный криолит (№3А1Еб) с не-эолыиим избытком ЛП;з, в котором растворен глинозем. В состав электролита также входят А1Рз, КаБ, СаР2, М§Р2,1лР и ряд окислов, поступающих в него с исходными продуктами. Температура процесса составляет 950—965 °С.

Процесс электролиза заключается в электролитическом разложении глинозема, растворенного в электролите. На катоде выделяется алюминий, на ано-це происходит окисление выделяющимся кислородом углерода с образованием СО и С02:

А1,03 + ЗС = 2А1 + ЗСО;

(1)

А1203 +1,5С = 2А1 + 1,5С02.

Основными задачами управления электролизом алюминия является обеспечения наилучших технико-экономических показателей технологического

процесса, важнейшим из которых является выход по току Т]т. Основными факторами, влияющими на т)х, являются температура электролита, его состав, величина межполюсного расстояния (МПР) и др.

Однако вследствие исключительной агрессивности промышленных электролитов, контроль большинства его параметров не только не автоматизирован, но и не механизирован и представляет собой сложную задачу. Исключение составляют лишь электрические параметры (напряжения электролизера и ток серии), контроль которых легко поддается автоматизации.

Количество реализуемых в автоматическом режиме оперативных управляющих воздействий также невелико. Это изменение межполюсного расстояния в целях управления потреблением электроэнергии электролизером и изменение тока серии в целях управления потреблением электроэнергии серией электролизеров, а также подача глинозема.

Для управления процессами получения алюминия в 60-х гг. были разработаны АСУ ТП серии "Алюминий", которые позволили перейти на автоматизированное управление рядом операций по обслуживанию электролизеров и повысили технико-экономические показатели процесса.

Основная задача рашшх АСУ процессом электролиза сводилась в основном к стабилизации определенного теплоэнергетического режима путем поддержания заданного значения МПР.

Однако дальнейшая интенсификация процесса электролиза алюминия, рост мощности электролизеров, расширение и усложнение автоматизируемых функций управления, появление и развитие усовершенствованных средств вычислительной техники привели к созданию более сложных и совершенных систем управления технологическими процессами производства алюминия.

Функции современных АСУ ТП электролиза существенно расширились и могут включать задачи автоматического управления подачей глинозема, прогнозирования анодных эффектов, диагностики технологических нарушений и др.

В середине 80-х гг. была разработана и внедрена АСУ ТП серии "Электролиз". В настоящее время на отечественных алюминиевых предприятиях успешно эксплуатируются АСУ ТП различного класса, среди которых можно выделить систему разработки АО "КрАЗ", АО "Союзцветметавтома-тика" и фирмы "Сименс" (КрАЗ); отечественную систему "Электролиз—4" разработки АО "Союзцветметавтоматика" и АО "КрАЗ" (КрАЗ, ВгЛЗ); систему "Тролль" (СаАЗ); новую перспективную систему "Нева" разработки АО ВАМИ и др.

Обеспечение высоких технико-экономических показателей электролиза тесно связано с поддержанием оптимального состава электролита, в первую очередь с содержанием в нем растворенного глинозема.

Регулирование количества глинозема в электролите преследует две цели: во-первых, избежать анодных эффектов; во-вторых, поддерживать концентрацию глинозема (Сг), близкой к оптимальной.

Наилучшие технико-экономические показатели процесса обеспечиваются при поддержании концентрации глинозема на уровне 1,5—3,5 %. Чрезмерное снижение концентрации влечет за собой возникновение анодных эффектов, а при повышенных концентрациях может происходить выпадение глиноземных осадков.

Как было сказано ранее, ряд важнейших технологических показателей процесса электролиза, в число которых входит и концентрация растворенного в электролите глинозема, недоступен для автоматического контроля промышленными средствами. Поэтому в промышленных условиях Сг приходится оценивать косвенным путем, обычно, по результатам измерения тока и напряжения.

Значительные производственные мощности алюминиевых заводов России составляют электролизеры с самообжигающимися анодами с верхним токопод-водом, питание глиноземом которых осуществляется с помощью различного рода передвижных механизмов, и производится по жесткому временному per-

ламенту. Подача глинозема порционная, величина дозы фиксирована, при этом частота питания определяется регламентом и корректируется только при обнаружении признаков расстройства технологического режима.

Один раз за период Т (3—6 часов) загружается порция глинозема, расходуемая в течение этого периода, и стабилизация концентрации в достаточно узкой области оптимальных значений, обеспечивающих наибольшую эффективность работы электролизера, невозможна. Концентрация глинозема циклически меняется от Ста^=6—8 %, достигаемой непосредственно после обработки, до Ст,„=1—2 % перед началом следующей обработки.

Задача управления концентрационным режимом электролизеров, обрабатываемых с помощью передвижных механизмов, состоит в том, чтобы подавать в электролит такое количество глинозема, которое не приводило бы к выпадению глиноземных осадков, а по мере его расхода не происходило бы сильного истощения ванны, сопровождаемого возникновением анодного эффекта. При этом процесс электролиза стараются вести вблизи нижнего предела концентрации глинозема (2-—3 %), при котором достигается максимальный выход по току.

Анализ работы современных алгоритмов управления концентрационным режимом таких электролизеров свидетельствует об их недостаточной эффективности. Так в современных системах автоматического управления подачей глинозема имеется возможность воздействия на электролизер с помощью ограниченного числа управляющих воздействий по количеству подаваемого глинозема: "Обработка по регламенту", ''Пропустить обработку", что существенно затрудняет поддержание наилучшего концентрационного режима.

Таким образом, для более эффективного решения задачи управления концентрационным режимом необходима разработка алгоритмов, позволяющих осуществлять коррекцию количества загружаемого глинозема в зависимости от имеющего место концентрационного состояния.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИИ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ ГЛИНОЗЕМА В ЭЛЕКТРОЛИТЕ И ПАРАМЕТРАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА

Так как непосредственное оперативное измерение концентрации глинозема в электролите в условиях существующего промышленного производства невозможно, на первый план выходят методы косвенной оценки Сг по величинам, характеризующим электрический режим работы электролизера (рабочее напряжение и ток серии).

В данной главе исследованы процессы, определяющие вид временных зависимостей рабочего напряжения, и осуществлен выбор косвенных параметров для оценивания концентрации глинозема.

Величина падения напряжения на электролизной ванне описывается выражением следующего вида:

U = IR + Е, (2)

где I — ток серии, A; R —• активное сопротивление электролизера, Ом; Е — ЭДС, В.

На характер изменения во времени рабочего напряжения U определяющее влияние оказывают следующие процессы: изменение величины МПР; периодические колебания концентрации глинозема; перемещение анодного массива; возникновение анодных эффектов; флуктуация тока серии и др.

Изменение величины МПР обусловлено разностью в скорости сгорания анода и нарастания уровня металла. На нормально работающих ваннах анод сгорает быстрее, чем повышается уровень металла, и при штатном протекании процесса средняя скорость увеличения МПР составляет около 5 мм в сутки. Таким образом, составляющая изменения напряжения, обусловленная этим явлением, должна достигать приблизительно 140—150 мВ в сутки.

Наиболее существенными (до 100—200 мВ между обработками) являются териодические колебания рабочего напряжения электролизера, связанные с

изменением концентрации глинозема в электролите. Промышленные электролизеры, обрабатываемые с помощью передвижных механизмов, работают в диапазоне концентраций глинозема от 6—8 % после подачи глинозема до 1—2 % перед очередной загрузкой.

Зависимость сопротивления электролизера И от содержания в нем глинозема в первом приближении можно считать линейной, а ЭДС Е — обратно-пропорциональной. Тогда, результирующая зависимость рабочего напряжения и от Сг носит экстремальный характер (рис. 1). После подачи в электролизную ванну порции глинозема по мере его выработки происходит снижение рабочего напряжения. Производная сШ7с1Сг первоначально положительна и уменьшается по мере снижения Сг, а после достижения значения Сг»3—4 % меняет знак, причем модуль сШЛЮг резко возрастает по мере дальнейшего уменьшения концентрации глинозема.

2,2

т

Й к

м

1,8 -

1,6 -

1,4

\/

V Е --

ж

с;

4,1 4

3,9 3,8 3,7 3,6

0 1 2 3 4 5 6 7

Сг, %

Рис. 1. Зависимость рабочего напряжения электролизера и, сопротивленш II, помноженного на номинальное значение тока серии I, и ЭДС Е от концентрации глинозема Сг

2

Промышленные электролизеры обычно работают в режимах, при которы перед началом очередной обработки достигается предельное значение концеи

трации глинозема (1—1,2 %) и нелика вероятность возникновения анодных эффектов. Возникновение анодного эффекта даже на одном электролизере серии приводит к резким снижениям тока серии до 5 % и более относительно стабилизируемого номинального значения 1н.

Флуктуации тока серии, связанные с возникновением анодных эффектов, изменением сопротивления электролизеров и напряжения питающей сети, оказывают возмущающее воздействие на зависимость и<Х). Попытки учесть и снизить это влияние привели к необходимости расчета псевдосопротивления К

где Е„ — номинальное значение величины ЭДС (обычно принимается равным 1,6 В); 1н — номинальное значение тока серии, А.

Среди имеющихся параметров электрического режима (рабочее напряжение, ток серии, приведенное напряжение, ЭДС и др.) наиболее целесообразно использовать для оценивания концентрации глинозема величину приведенного напряжения ипр или линейно связанного с ним псевдосопротивления И..

При этом характер изменения <Шпр/Л за период между обработками зависит от начального значения Сг, достигаемого непосредственно после растворения глинозема (рис. 2). Так, в области низких концентраций, когда начальное значение Сг меньше некоторого оптимального, скорость изменения напряжения ипр может быть положительна с самого начала и ее модуль к концу периода Т резко возрастает (кривая 1, рис. 2). В области же высоких концентраций значение ипр может падать весь период времени между обработками и достигнуть в конце своего минимального значения (кривая 3, рис. 2). Таким образом, вы-

(3)

или приведенного значения напряжения и,

пр

и -Т5 ипр=-Г-й1„+Е11,

(4)

сокая скорость приращения напряжения в конце периода Т должна свидетельствовать о сильном истощении ванны, незначительный рост или даже снижение — о возможной перепитке ванны.

Т, мин.

Рис. 2. Динамика рабочего напряжения электролизера после обработки при различных значениях концентрации глинозема

Глава 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ФИЛЬТРАЦИИ И ОЦЕНИВАНИЯ СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПРИВЕДЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Зависимость и„р(1:) зашумлена высокочастотными составляющими изменения приведенного напряжения, что в значительной мере затрудняет ее анали, и делает необходимым фильтрацию в целях эффективного оценивания скорости изменения приведенного напряжения.

В настоящей главе представлен алгоритм фильтрации зависимости ипр(1:) < помощью цифрового фильтра, исследованы особенности реализации процеду ры фильтрации, а также осуществлен выбор настроечных коэффициентов обеспечивающих эффективную обработку сигнала.

Анализ методов фильтрации показал, что наиболее эффективная фильтра ция и оценивание величины (Шщ/с^ достигается при использовании рекурсив

него цифрового фильтра Холта-Винтерса, важным достоинством которого является простота реализации и настройки. Процедура цифровой фильтрации Холта-Винтерса описывается следующими уравнениями:

где ЦГф — отфильтрованное значение приведенного напряжения; <Шпр — оценка приращения приведенного напряжения; g¡ и — настроечные коэффициенты.

Проведенные в настоящей главе исследования показали, что фильтр устойчив при всех значениях, настроечных коэффициентов, выбираемых из интервала 0<Й1<1, 0<§2<1.

Фильтр с оптимальными значениями коэффициентов gl и g2 должен обеспечивать наилучшее оценивание скорости изменения приведенного напряжения.

В ходе проведенных исследований установлено, что наилучшее оценивания достигается при значениях коэффициентов §1=0,3 и 52=0,3, при которых обеспечивается минимум потери измерительной информации. Выбор значений gl и производился методом перебора с целью достижения минимума следующего функционала:

в случае отсутствия пульсаций тока серии; ипр(Ч) — оценка скорости изменения приведенного напряжения, соответствующего реальным производственным условиям с колебаниями тока серии относительно стабилизируемого номинального значения.

иф И = Е,ипр[п] + (1 - е, Хиф[п -1] + сЮпр [п - 1]), ¿ипр[п]^2(иф[п] - иф[п -1])+ (1 - §2>1ипр[п -1],

(5)

(6)

Здесь и,т(0 —это оценка скорости изменения приведенного напряжения

Величины 11эт(1) и ип? (I) получены с помощью математической модели,

связывающей параметры электрического режима (напряжение, ЭДС и сопротивление) с концентрацией глинозема.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫМ РЕЖИМОМ АЛЮМИНИЕВОГО ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА. ВЫБОР МЕТОДА УПРАВЛЕНИЯ

В данной главе рассмотрены основные особенности оценивания концентрации глинозема по косвенным параметрам электрического режима работы электролизера и затронуты вопросы использования и формализации экспертной информации в алгоритмах управления концентрационным режимом.

Методы оценивания концентрации глинозема по параметрам электрического режима в общей массе не обладают большой точностью. Причина в том, что данные лишь о величине напряжения и тока серии без учета ряда других параметров (температуры электролита, скорости потребления глинозема и др.) недостаточны для получения оценки Сгс приемлемой точностью.

Большинство работ, посвященных контролю Сг по косвенным параметрам, вообще не предусматривает определение численных значений концентрации глинозема. Основная часть исследований посвящена некоторой качественной оценке Сг ("Сг изменилось до уровня, когда необходимо уменьшить (увеличить) подачу глинозема" и др).

Таким образом, алгоритмы управления концентрационным режимом приходится разрабатывать в условиях значительного дефицита информации, заключающегося не только в ее недостаточном количестве, но и в качественном характере части этой информации, существенно усложняющем ее формализацию и обработку.

Поэтому эффективная автоматизация управления концентрационным режимом требует особых подходов к решению поставленной задачи, наиболее

перспективным из которых является использование методов ситуационного управления.

Методы ситуационного управления позволяют эффективно решать задали управления такими системами, для которых, с одной стороны, невозможна или нецелесообразна формализация процесса управления в виде систем математических уравнений, а с другой — возможно описание этого процесса в виде совокупности фраз естественного языка. Источником такого описания является человек-эксперт.

Построение моделей ситуационного управления предусматривает активную работу с опытным специалистом-экспертом с целью получения от него информации об особенностях управления объектом. Как правило, эксперту легче всего дать такую информацию в неформализованном виде, на уровне качественных описаний.

Эксперт оперирует такими качественными понятиями как "много", "мало" и т. д. При этом, следует учитывать, что эти качественные понятия носят, по сути, нечеткий характер. Поэтому при реализации алгоритмов ситуационного управления требуется каким-то образом формализовать нечеткость представлений и суждений экспертов.

Наиболее перспективным средством работы с такой плохо формализуемой информацией является теория нечетких множеств. В основе этой теории лежит понятие нечеткого множества, с помощью которого осуществляется математическая формализация качественной информации, используемой при анализе, моделировании и управлении технологическими объектами.

В ходе обработки экспертной информации важную роль играют нечеткие и лингвистические переменные. С их помощью описывается качественная информация об объекте управления, представленная в словесной форме специалистами-экспертами.

Глава 5. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫМ РЕЖИМОМ АЛЮМИНИЕВЫХ

ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ

В данной главе представлена структура автоматизированной системы управления концентрационным режимом алюминиевого электролизера и изложены принципы функционирования ее составных частей.

Систему автоматического управления концентрационным режимом алюминиевых электролизеров, обрабатываемых с помощью передвижных механизмов, целесообразно разделить на три функциональных составляющих: блок оценки состояний (БОС), блок принятия решений (БПР), блок выдачи управляющих решений (БВУР).

При функционировании этих блоков используются элементы моделирования действий специалиста-человека при управлении объектом; необходимая для их работы информация получается опросом экспертов.

Для описания концентрационного состояния электролизера целесообразно ввести лингвистическую переменную "Концентрационный режим" (КР).

Экспертным опросом выявлено, что при описании ситуации, сложившейся к моменту оценки состояния электролизера, эксперту удобно оперировать следующими понятиями: "Перепитка (ПП)", "Нормальный режим (Н)", "Недопитка (НИ)" в зависимости от скорости изменения приведенного напряжения ипр. Эти понятия описываются нечеткими переменными, составляющими терм-множество лингвистической переменной "Концентрационный режим"

Таким образом, лингвистическая переменная "Концентрационный режим' характеризуется набором (КР, Т, П1) с терм-множеством Т={ПП, Н, НП} и об ластью определения Ог={0; 0,005; ...; 0,03} мВ/с.

При скорости роста приведенного напряжения выше 0,03 мВ/с прогнози руется анодный эффект. В том случае, когда скорость меньше нуля, то есть ве личина приведенного напряжения падает, концентрация глинозема больше 3-

4 %, и имеет смысл выдать рекомендацию о пропуске обработки данного электролизера.

Возможные управляющие решения по количеству загружаемого глинозема целесообразно ограничить тремя управляющими воздействиями из терм-множества лингвистической переменной "Подача глинозема" (ПГ): "Уменьшить подачу (УМ)", "Не изменять (НИ)", "Увеличить подачу (УВ)".

Лингвистическая переменная "Подача глинозема" определяется набором (ПГ, Я, 02) с терм-множеством К^{УМ, НИ, УВ} и областью определения 02={70; 130;...; 430} кг.

При создании систем управления с использованием нечеткой логики фундаментальным является этап построения функций принадлежности нечетких множеств, описывающих значения лингвистических переменных, используемых в алгоритме управления. Для их построения проводится экспертный опрос.

Непрерывные кусочно-линейные аппроксимированные функции принадлежности термов лингвистических переменных "Концентрационный режим" и "Подача глинозема", построенные методом парных сравнений, изображены на рис. 3.

Рассмотрим назначение каждого блока системы управления концентрационным режимом.

Блок оценки состояния предназначен для идентификации ситуации, которой описывается сложившееся к моменту оценки состояние объекта. Для идентификации некоторой входной ситуации ^ используется базовая шкала лингвистической переменной "Концентрационный режим" (рис. 3), при помощи которой происходит преобразования числового значение сЮпр/(11 в нечеткое значение в виде степеней принадлежности термов лингвистической переменной "Концентрационный режим".

Блок принятия решений предназначен для определения необходимых при тан ной входной ситуации управляющих решений.

сЮщ/й, мВ/с

I-1--н---1-1

70 130 190 250 310 370 430

вг, КГ

Рис. 3. Функции принадлежности термов лингвистических переменных "Концентрационный режим" и "Подача глинозема"

В основу функционирования БПР положен принцип определения по системе продукций необходимых при данной входной ситуации управляющю решений. Продукционная система должна ставить в соответствие каждой ситуации 'б, из набора эталонных ситуаций некоторое управляющее решение И из множества К. Тогда, управляющее решение, которое необходимо принять например, при входной ситуации "ё0, определяется ситуацией "к, из набора 85, 1 некотором смысле наиболее близкой ситуации Набор эталонных типовые ситуаций и соответствующие им управляющие решения выглядит следующил образом.

Если имеет место ситуация б; = {<1/ПП), <0,11/Н), <0/НП)}, то УМ.

Если имеет место ситуация ^-{<0,12/ПП>, (1/Н), (0,12ШП)}, то НИ.

Если имеет место ситуация ^ ={<0/ПП), (0,11/Н), (1 /НП)}, то УВ.

В качестве меры близости ситуации ^ эталонной ситуации ^ принимает ся мера нечеткого равенства этих ситуаций 5.

Таким образом, в качестве управляющего принимается решение Я; из множества II, соответствующего некоторой эталонной ситуации "¡¡|, для которой

Основной задачей блока выдачи управляющих решений является определение числового значения выбранного в Б11Р управляющего решения и предъявление его в четком или нечетком виде оператору с последующей выдачей на исполнительные механизмы.

Применение конкретного управляющего решения из множества 11={УМ, НИ, УВ} осуществляет определенное преобразование признаков исходной ситуации "§0 и перевод объекта в некоторую ситуацию Поэтому в БВУР должны оцениваться характеристики величины этого преобразования, для чего включены матрицы Мум, Мни и Мув, описывающие силу воздействий значения соответствующего управляющего решения. Построение матриц осуществляется путем экспертного опроса. Каждая из этих матриц характеризует некоторое нечеткое бинарное отношение.

Ситуация ?0|, характеризующая ожидаемое состояние объекта после применения управляющего решения 11,, определяется на основе композиционного правила выводы, для чего необходимо вычислить композицию отношения, задающего силу воздействия соответствующего управляющего решения, и нечетких значений признаков, характеризующих текущую ситуацию

Путем вычисления декартова произведения 1% х определяется матрица нечеткого управляющего решения М1, содержащая в себе величину управляющего воздействия по признакам {УМ, НИ, УВ}.

Для дальнейшего представления этого решения в блоке выдачи управляющего решения необходимо получить разложение управляющего решения в базисе {УМ, НИ, УВ}, то есть определить нечеткое множество

К' = {<Це, (УМ)/Ш>,(ц-, (НИ) / НИ), (ц., (УВ) / У В)}.

(7)

Для определения коэффициентов (УМ), ц^(НИ), (УВ) необходимо вычислить степени включения отношения М1 в отношения Мум, МцИ, Мув-

Таким образом, можно получить управляющее решение в нечетком виде. При этом для выдачи управляющего решения на утверждение оператору-технологу или непосредственно на исполнительные механизмы необходимо представить его в виде конкретного числового значения количества подаваемого глинозема.

Задача определения числового значения признака "Подача глинозема", выраженного в виде нечеткого значения II1, является обратной задаче перехода от числового значения признака к его нечеткому значению, осуществляемой в БОС. Переход от нечеткого значения управляющего решения к его четкому значению осуществляется при помощи шкалы, задающей терм-множество лингвистической переменной "Подача глинозема" (рис. 3).

Глава 6. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

КОНЦЕНТРАЦИОННЫМ РЕЖИМОМ И ЕЕ АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ

РЕАЛИЗАЦИЯ

В предыдущей главе была описана структура автоматизированной системы управления концентрационным режимом и изложены принципы функционирования ее составных частей. В данной главе исследована эффективности разработанной системы управления концентрационным режимом алюминиевых электролизеров.

Исследование разработанной системы управления и оценка адекватности вырабатываемых ей управляющих решений проведены с помощью математической (имитационной) модели, связывающей значения параметров электрического режима и концентрацию глинозема.

Эффективность работы системы оценивалась по следующим показателям по возможности распознавания текущей ситуации, по выработке адекватной

управляющего воздействия, по сложившемуся концентрационному режиму после принятия управляющего воздействия.

Результаты моделирования подтверждают эффективность управления концентрационным режимом электролизера. Так на рис. 4 (кривые 1 и 2) представлены результаты моделирования работы алгоритма в области высоких значений концентрации (концентрация в конце цикла питания достигла значения 4 К|). Рекомендовано при очередной обработке уменьшить количество подаваемого глинозема до 135 кг. Это позволило вывести электролизер из области пе-зепитки (кривая 2).

На рис. 4 (кривые 3 и 4) представлены результаты моделирования в облас-и низких значений концентрации (концентрация в конце цикла питания дос-игла значения 1,3 %). Рекомендации по коррекции количества подаваемого линозема заключаются в увеличении его подачи до 320 кг (кривая 4). Подобия коррекция позволила избежать возникновения анодного эффекта.

Таким образом, разработанная система управления концентрационным ежимом различает характерные ситуации типа "Недопитка" и "Перепитка" и существляет в каждом случае адекватное управляющее воздействие.

ЗАКЛЮЧЕНИЯ И ВЫВОДЫ

1. Эффективное управление концентрационным режимом алюминиевого тектролизера является одним из важнейших условий обеспечения высоких зхнико-экономических показателей процесса электролиза.

2. Предложенные на сегодняшний день алгоритмы управления концентра-яонным режимом электролизеров, обрабатываемых с помощью различного )да передвижных механизмов, не могут быть признаны достаточно эффектными.

3. Характерной особенностью управления процессом электролиза алюми-ш является малый объем автоматического контроля за ходом процесса, что не >зволяет непосредственно и оперативно получать информацию о важнейших

показателях технологического режима, к числу которых относится и концентрация глинозема. Поэтому широкое распространение получили методы контроля концентрации глинозема, основанные на взаимосвязи концентрации глинозема Сг с косвенными параметрами электрического режима (рабочее напряжение, ток серии, приведенное напряжение, ЭДС и др.).

4. Среди имеющихся параметров электрического режима наиболее целесообразно использовать для оценки концентрационного состояния приведенное напряжение ипр.

5. Наиболее эффективная фильтрация и оценивание величины скорости изменения приведенного напряжения (Юрр/ск достигается при использовании рекурсивного цифрового фильтра Холта-Винтерса.

6. Методы оценивания концентрации глинозема по параметрам электрического режима работы электролизера позволяют получить лишь некоторую приблизительную (качественную) оценку концентрации. Поэтому эффективная автоматизация управления концентрационным режимом требует особых подходов к решению поставленной задачи, наиболее перспективным из которых яв-пяется использование методов ситуационного управления.

7. Построение моделей ситуационного управления предусматривает активную работу с опытным специалистом-экспертом с целыо получения от него шформации об особенностях управления объектом. Как правило, эксперту 1егче всего дать такую информацию в неформализованном виде, на уровне ка-¡ественных описаний.

8. Наиболее перспективным средством работы с такой плохо формализуе-юй информацией является теория нечетких множеств.

9. Систему автомагического управления концентрационным режимом це-есообразно разделить на три функциональных составляющих: блок оценки остояний (БОС), блок принятия решений (БПР), блок выдачи управляющих ешений (БВУР).

10. Исследование разработанной системы управления и оценка адекватности вырабатываемых ей управляющих решений проведено с помощью математической (имитационной) модели, связывающей значения параметров электрического режима и концентрацию глинозема.

Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, состоят в следующем:

1. Исследована взаимосвязь косвенных величин, определяющих электрический режим работы электролизера (в частности, скорости изменения приведенного напряжения), с концентрационным состоянием электролизной ванны, что позволило создать алгоритм оценивания концентрации глинозема по косвенным показателям.

2. Разработан алгоритм обработки результатов измерения технологических параметров работы электролизера (рабочего напряжения, приведенного напряжения), обеспечивающий фильтрацию высокочастотных шумов и оценивания скорости изменения ипр.

3. Разработан алгоритм управления концентрационным режимом алюминиевого электролизера, в значительной мерс использующий опыт человека-эксперта по управлению данным технологическим объектом. Для формализации качественной экспертной информации использован аппарат нечеткой математической логики.

4. Проведено исследование эффективности функционирования разработанного алгоритма управления концентрационным режимом с помощью имитационной модели, связывающей значения параметров электрического режима и концентрацию глинозема.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

3. Шапировский М. Р., Исаев Д. В., Меликянц Р. В., Сириченко А. В. Оценка ЭДС и сопротивления алюминиевого электролизера по его вольтам-перным характеристикам // Цветные металлы. 1999, № 10, стр. 67—70.