铝电解模糊专家控制器的开发与应用.pdf

第5 2 卷第4 期 2000 年1 1 月 有色金属 N o N F E R R O U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 ．N O ．4 N o v e m b e r2 0 00 铝电解模糊专家控制器的开发与应用 李劫1 ，丁凤其1 ，邹忠1 ，李民军1 ， 刘业翔1 ，边友康2 ，吴智明2 ，刘钢2 1 ．中南大学冶金科学与工程系，长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．青海铝业公司，西宁8 1 0 1 0 8 摘要为了对铝电解过程控制系统中称为“槽控机”的基本控制单元进行升级改造，应用模糊专家控制技术开发了一 种称为“模糊专家控制器”的新型控制算法。它的基于“近似推理”原理的推理机具有同时处理精确知识和模糊知识的优点。 而它的“论域自调整”机制可根据槽况的变化和控制模式的切换，自动调整输入模糊变量和／或输出模糊变量所对应的精确值 的论域，从而简便而有效地达到在线自动调整控制器的工作点和动、静态品质的目的。 葶键词．鹭铝肇；过程控制；模糊专家控枨、国 i V t ■ 中图分类号T F 8 2 1 文献标识码A 文章编号 中国铝工业为了进行现代化改造，于8 0 年代 后期及9 0 年代初期开发了点式下料和自适应控制 技术 1 - 3 J ，其后又针对自己的特点绝大部分 预焙铝电解槽设计落后且相关装备陈旧，开发出称 之为“智能模糊控制”的新型控制技术【4 J 。该技 术在中国一些大型铝厂的应用中被证明对于提高预 焙铝电解槽的技术经济指标作用显著。1 9 9 7 年以 来，针对该技术又作了改进工作，主要是应用模糊 专家控制技术改进过程控制系统的直接控制级 槽控机的控制算法。 1模糊专家控制器的基本构成 由于能被采集用于槽况分析与控制的信息以及 从领域专家那里收集的知识和经验多半都是不精确 的，因此一个用来控制铝电解过程的基于规则的系 统应该能使用由精确和不精确子句 命题 任意混 合的规则进行工作。为了实现这一目标，本文综合 应用模糊逻辑控制技术和基于规则的专家系统技术 开发出用于铝电解槽控制的称之为“模糊专家控制 器”的新型控制算法，其基本构成如图1 所示。 2 规则库的构造 采用“i f 条件 t h e n 结论 ” 条件和结论 都可含模糊子句 的模糊产生式表示法来统一地表 达由推理机使用的各种规则。为了简化推理机的构 收稿日期2 0 0 0 0 4 2 9 ；修回日期2 0 0 0 0 5 2 3 作者简介李劫 1 9 6 3 一 。男，博士，教授，主攻铝电解新 工艺与智能控制技术研究 造，我们仅采用简单规则和“A N D ”类型的复合 规则来表达全部规则，这是因为其他类型的规则均 可以拆分为这两种类型的规则。“A N D ”类型的复 合规则的表达形式如下 i f [ P i lA N DP j 2 ⋯A N DP ；。] t h e n [ Q i lA N DQ j 2 ⋯A N DQ j 。] 图1铝电解槽模糊专家控制器结构图 F i g ．1 T h es t r u c t u r eo fF E C 其中，P i i 代表规则j 的第1 个子前提，Q j l 代表规则 j 的第1 个子结论，两者都可为模糊或精确的子句， 其余依次类推。上述规则表示前件 即条件 中含 有m 个前提，并且只有当“ z 个前提均成立 或均 可能成立 ，结论才能成立 或才可能成立 。若前 件中只含1 个前提，结论中只有1 个子结论，则便 是简单规则，可见简单规则是“A N D ”类型复合 规则的一个特例。 规则中不精确的子句意味着模糊变量的存在。 万方数据 有色金属第5 2 卷 规则中模糊变量的语言值和隶属函数是依据模糊数 学理论，通过经验和实验确定的。所有隶属函数被 假定为具有三角形或梯形形状。以槽电阻斜率的模 糊集所对应的隶属函数为例 图2 ，横坐标代表 槽电阻斜率的精确值，论域为[ m i n ，m a x ] ，当精 确值超出论域时，则进行限幅处理。图中的5 个梯 形表示槽电阻斜率的5 个模糊集所对应的隶属函 数。其中语言值为“升”的隶属函数可由图中标注 了a 、b 、C 、d 的四个顶点的量化值坐标所唯一地 确定。显然，若b ，c 两点重合，则隶属函数成为 三角形。因此梯形和三角形的隶属函数可统一地用 四个顶点存贮。需指出，顶点的值采用量化值而非 精确值，量化值与精确值的关系是 量化值 精确值量化因子 k 隶 属 度 1 1 1 1 1 1 m a x 槽电阻斜率 图2 槽电阻斜率的隶属函数 及论域调整示意图 F i g ．2 S k e t c hm a po fm e m b e r s h i pf u n c t i o n so fa c c u m u l a t e d s l o p eo f c e l lr e s i s t a n c ea n de x a m p l eo fa d j u s t m e n to f u n i v e r s eo fd i s c o u r s e 3 论域自调整机制 由于电解槽，尤其是设计较差的电解槽具有非 线性、时变的特性，要求控制器具有自调整和自学 习能力。在这一方面，没有采用常规专家控制器的 直接修改规则的做法，而是采用“论域自调整算 法”，即由推理机根据槽况的变化情况和控制模式 的转变而修改输入模糊变量所对应的精确值的论域 和／或输出模糊变量所对应的精确值的论域，从而 简便地而有效地达到在线自动调整模糊专家控制器 的工作点和动、静态品质的目的。 以推理机根据下料控制模式的转变调整论域为 例，当下料控制模式从浓度校验模式转入常态下料 模式时，可认为氧化铝浓度已经进入设定的低浓度 工作区。为了精细地控制氧化铝浓度稳定在最佳工 作点附近，可适当缩小氧化铝浓度工作区。为此推 理机调整一些模糊变量所对应的精确值的论域，例 如，增大槽电阻斜率的精确值的论域的下限，减小 其上限。实际上通过增大量化因子k 缩小了槽电阻 精确值的论域，使精确值对应的量化值增大，此过 程如图2 所示。用同样方法可缩小下料速率的精确 值论域，以达到根据槽电阻斜率等变量的较小变化 而细微地调整下料速率的目的。 再以推理机根据槽况的变化情况调整论域为 例，在下料控制中的一种调整方式是，如果当前 “效应距今”变量取值t 。 ￡。e 0 ，表明目前距上次效应发生的 时间较远，此时控制的重点目标是控制较低的氧化 铝浓度以防生成沉淀，因此可按相反的方向调整某 些模糊变量的精确值的论域来适当降低氧化铝浓度 工作区。 4推理机 本文按照模糊专家系统的推理技术构造推理机 图3 。推理机的推理过程应用了一种“近似推 理”算法[ 5 ] 来计算规则的前件与来自数据库的断 言的匹配度。精确的前件与精确的断言的匹配度只 能在0 和1 两者中取其一，否则根据与模糊集相关 联的运算来确定，获得一个0 与1 之间的值。当某 条规则的整个前件均经匹配，其中最小的匹配度便 是该规则的匹配度。只要该规则的匹配度大于预先 设定的阈值，该规则就进入触发规则集。 为了消除从触发规则集中选取最终被执行的规 万方数据 第4 期李劫等铝电解模糊专家控制器的开发与应用 6 3 则时的冲突，应用了下列策略一是将规则按规则 集分类，每次从每一规则集中最多选择一条规则； 二是每一规则集中的规则都分配了一个优先级，因 此如果触发规则集中来自同一规则集的规则多于一 条，则选取优先级高的规则，而若优先级相同，则 选取匹配度高的规则。 图3 推理机推理过程图 F i g ．3 I n f e r e n c er o u t i n e 当某一规则被执行后便可获得一条结论，该结 论的每一子结论对应某一变量的取值，该变量可以 是一个输出变量或用于推理或计算的中间变量。若 该变量是模糊语言变量，则按最大隶属度法进行解 模糊来获得一个量化值，该量化值乘以一个比例因 子便得到一个精确值。 5实际应用效果 采用了本文所述的模糊专家控制器的智能模糊 控制系统分别于1 9 9 8 年7 月和1 9 9 9 年7 月在青海 铝业公司第一、第二电解系列 两个产能分别为 1 0 万t 的1 6 0 k A 预焙铝电解槽生产系列 上投入 应用。到1 9 9 9 年1 2 月的统计表明，改进后的系统 的控制精度、鲁棒性和稳定性显著优于从前，这是 使两个电解系列的工艺技术条件得以显著改进的关 键。电流效率从8 8 ％提高到9 2 ％～9 3 ％，直流电 耗从1 4 1 0 0 k w h ／tA l 降低到1 3 5 0 0 k w h ／tA I 。 6结论 1 为了对铝电解过程控制系统中称之为“槽 控机”的基本控制单元进行升级改造，本文应用模 糊专家控制技术开发了一种称之为“模糊专家控制 器”的新型控制算法。它的基于“近似推理”原理 的推理机具有同时处理精确知识和模糊知识的优 点，而它的“论域自调整”机制可根据槽况的变化 和控制模式的切换，自动调整输入模糊变量和／或 输出模糊变量所对应的精确值的论域，从而简便而 有效地达到在线自动调整控制器的工作点和动、静 态品质的目的。 2 在工业槽上的应用结果表明，其控制精 度、鲁棒性和稳定性好，取得了显著的增产节能效 果。 参考文献 L iJ i ee ta 1 ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 4 4 4 1 L iJ i ee ta 1 ．T r a n s a c t i o n so fN o n f e r r o u sM e t a l sS o c i e t yo fC h i n a ，1 9 9 4 ，4 1 2 6 Y a oS h i h u a n ，Z h o uT i e t u o ．L i g h tM e t a l s ，1 9 9 2 4 7 1 L iJ i ee t a 1 ．I n P r o c e e d i n g so f I n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nA r t i f i c i a lI n t e l l i g e n c ef o rE n g i n e e r i n g ，W u h a n ，C h i n a H U S T P r e s s ，1 9 9 8 ．4 7 6 C h oSe ta 1 ．E u z z yS e t sa n dS y s t e m s ，1 9 9 2 ，4 9 3 2 8 5 S e eP ．9 1f o rt h ea b s t r a c t 万方数据 第4 期焦彤等钨合金模拟弹侵彻钢板的实验与细观响应分析9 1 用H o p k i n s o n 压杆加载，用一根直径为9 m m 长 3 5 m m 的9 W 一6 N i 一3 C o 的棒以3 0 0 m ／s 的速度去撞 击同样大小、材料的一根钨棒，并在其中产生了绝 热剪切带。他们认为在这样的材料中产生绝热剪切 带的临界条件是压力要达到2 0 0 0 M P a ，而局部塑 性应变应达到0 。5 ，并且局部化开始时温度大约是 在4 0 0 。到6 0 0 。之间。 参考文献 1 朱晓畅．穿甲技术文集 Ⅳ ．北京兵器工业出版社，1 9 9 5 ．4 2 赵国志．穿甲工程力学．北京兵器工业出版社，1 9 9 2 3 魏志刚．中国科学技术大学硕士论文，1 9 9 5 4 李世君，黎晓华，白玉英等．见第四届兵工材料动态力学学术研讨会，1 9 9 5 5C o u q u eH ，E c h e sN ．JP H Y S ，I VF R A N C E7 ，1 9 9 7 ．4 0 3 M I C R o - B E H A V I o RO F9 0 W ．9 3 WT U N G S T E N A L L o Y SU N D E RI M P A C TD Y N A M I C S J I A OT o n g ，Z H A N GB a o p i n g ，Z H A N GH a i t a o ，L 儿，C h a n g l i n B e O i n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ，B e i j i n g1 0 0 0 8 1 A B S T R A C T T h ed i f f e r e n c eo fm i c r o - b e h a v i o rb e t w e e n9 0 Wa n d9 3 Wt u n g s t e na l l o y su n d e ri m p a c td y n a m i c sw a sa n a l y z e d ．W h e np e n e t r a t i n g ，t h e9 0 Wa l l o yh a sm o r ec h a n c et of o r ma d i a b a t i cs h e a r i n gb a n db e c a u s eo fm o r em a t r i x e si n9 0 Wa l l o y ．H e n c e ，i t sp e n e t r a t i o nd e p t hi sd e e p e r ． K E YW O R D St u n g s t e na l l o y ；p e n e t r a t i o n ；a d i a b a t i cs h e a r i n g c o n t ．f r o mP ．6 3 D E V E L O P M E N To F F U Z Z Y E X P E R TC o N T R o LT E C H N I Q U E F O RA L U M I N U ME L E C T R O L Y S I S L I f i e l ，D I N G F e n g q i l 。Z O U Z h o n 9 1 ，L I M i n g j u n l ，L I UY e x i a n 9 1 ，B I A NY o u k a n 9 2 。W U Z h i m i n 9 2 。L I U G a n 9 2 1 ．C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ；2 ．Q i n g h a iA l u m i n u mC o r p o r a t i o n ，X i n i n g8 1 0 1 0 8 A B S T R A C T I no r d e rt ou p g r a d et h eb a s i cc o n t r o lu n i t c a l l e d “c e l lc o n t r o l l e r ”i nap r o c e s sc o n t r o ls y s t e mo fa l u m i n u m e l e c t r o l y s i s ，f u z z ye x p e r tc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e dt od e v e l o pan e wc o n t r o la l g o r i t h mc a l l e d “F u z z yE x p e r tC o n t r o l l e r F E C ，’．I t si n f e r e n c ee n g i n eb a s e do na n “a p p r o x i m a t er e a s o n i n g ”m e t h o dh a st h ea d v a n t a g eo f n o to n l yp r o c e s s i n gt h ek n o w l e d g eo fc e r t a i no rp r e c i s et y p e ，b u ta l s ot h a to fu n c e r t a i no rf u z z yt y p e ．T h em e c h a n i s mo fS e l f R e g u l a t i o no fU n i v e r s eo fD i s c o u r s ec a na u t o m a t i c a l l ya d ju s tt h eu n i v e r s e so fd i s c o u r s eo fi n p u t a n d ／o ro u t p u tf u z z yv a r i a b l e sa c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fc e l ls t a t ea n dt h et r a n s i t i o no fc o n t r o lm o d e s ，t h u s a c h i e v i n gt h eo b j e c to fo n l i n em o d i f y i n gi t so p e r a t i n gp o i n t sa n dd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c ee f f i c i e n t l ya n d c o n v e n i e n t l y ． K E YW O R D S a l u m i n u m ；a l u m i n u mr e d u c t i o n ；p r o c e s sc o n t r o l ；f u z z ye x p e r tc o n t r o l 万方数据