鋁電解槽氣體焙燒啟動過程的自尋優模糊控制系統設計

仵征，路建坤

（1.河南化工職業學院，河南 鄭州 450042；2.中鋼集團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模糊控制系統設計

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

仵征1，路建坤2

（1.河南化工職業學院，河南 鄭州 450042；2.中鋼集團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、陽極和陰極燒蝕嚴重，特別是異型陰極電解槽的陰極凸臺脫落嚴重等問題，以鋁電解槽陰極表面溫度和煙氣中的空氣過剩系數為主要控制參數，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模糊控制模型，實現對鋁電解槽氣體焙燒啟動過程的有效控制。試驗結果表明，該方法易于實現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

預焙鋁電解槽氣體焙燒方法（即高溫煙氣焙燒方法）是近幾年國內外出現的新型先進的焙燒啟動方法。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,產生的高溫煙氣由噴射器噴入電解槽內，對大型預焙鋁電解槽加熱焙燒，達到啟動所需的工藝溫度。

本文通過對最優升溫曲線進行分析，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模糊控制模型，搜尋燃料和空氣最佳配比（燃空比）的科學方法，使焙燒啟動過程處于最佳燃燒區，既提高燃燒熱效率，又節約能源。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的組成

鋁電解槽氣體焙燒啟動過程控制系統由溫度模糊控制FTC、燃空比自尋優模糊控制FAC組成。FTC是根據溫度信號對燃料量和空氣量進行調節；FAC不斷發出試探信號，依據對燃料量的測量，搜索最佳燃空比，對空氣、燃料控制采用并行結構。上位機采用觸控一體機作為曲線顯示、控制、數據記錄分析的人機界面。

2 最佳溫升曲線的分析

基于影響焙燒質量的陰極炭塊表面、斷面的溫度梯度和熱應力、陰極扎固糊的加熱工藝、陰極材料中附著水與結晶水的排出速度，和影響焙燒經濟性的焙燒時間和能量利用率等因素，我們研究了高溫煙氣焙燒方法的加熱制度，得出焙燒過程最佳升溫曲線。

3 氣體焙燒啟動過程自動控制系統的設計

3.1 氣體焙燒啟動過程自動控制系統的原理

鋁電解槽氣體焙燒啟動過程控制系統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模糊控制算法對燃料與風量進行最佳配比控制，以實現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

在溫度控制系統中，控制器的設計是關鍵。常規的模糊控制器一般均采用MISO的二維結構。這樣在控制過程中,不僅對被控量的誤差進行反饋，同時還對被控量的誤差變化進行反饋，從而保證了系統的穩定性，不至于產生振蕩現象。系統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經輸出環節轉換為實際控制量對被控對象實施控制。常用的輸出環節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較慢，且有較大的超調；比例輸出階躍響應快，但屬于有差控制［5］。

本控制模型采用比例、積分輸出結合的輸出結構，兼具超調小、暫態時間短等優點。

3.3 燃空比自尋優模糊控制FAC模型的建立

燃空比自尋優模糊控制是以最小燃料耗量為指標，通過變步長的調節方法實現燃空比的精準控制，燃空比自尋優模糊控制模型如圖2所示。系統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，輸出為本周期尋優步長Δxt。

圖2 燃空比模糊自尋優控制原理

為實現在較高的搜索速度時搜索損失最少，采用模糊自尋優控制實現變步長的自動調節。控制策略為：在極值點附近，控制曲線平緩，減小步長搜索；在遠離極值點處，控制曲線變陡，增大步長搜索。

4 試驗及實際運行結果分析

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

（1）該方法易于實現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控制節省20%的燃料消耗。

5 結語

本文將模糊控制理論應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-），碩士學歷，講師，主要研究方向為機電一體化檢測與控制技術。

2015-08-11

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