張礦偉， 雷金輝， 張玉忠， 黃皓月

(1.玉溪師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院， 云南 玉溪 653100；2.昆明理工大學(xué)云南省有色金屬真空冶金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 云南 昆明 650093；3.中國(guó)鋁業(yè)公司鄭州輕金屬研究院， 河南 鄭州 450041)

目前，生產(chǎn)氧化鋁采用的工藝基本歸為四大類：堿法、酸法、酸堿混合法和熱法[1-2]。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，氧化鋁的生產(chǎn)工藝都采用堿法生產(chǎn)，通常包括：燒結(jié)法、拜耳法、混聯(lián)法或串聯(lián)法。在拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中，溶出工序是全廠的生產(chǎn)核心，溶出率的高低直接關(guān)系到氧化鋁的回收率和生產(chǎn)成本，而影響溶出率最為關(guān)鍵的一個(gè)控制參數(shù)就是溶出溫度。本項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用在中國(guó)鋁業(yè)集團(tuán)有限公司某分公司拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中，該分公司拜耳法氧化鋁生產(chǎn)的加壓溶出工序采用了雙流法溶出工藝，其溫度控制之前采用普通的PID控制，這種控制模式無(wú)法精確調(diào)控溫度，并且PID參數(shù)的整定也非常繁瑣，操作人員的人為因素影響大，不僅溫度波動(dòng)大能耗高，而且不能保證礦漿的溶出率。根據(jù)雙流法氧化鋁生產(chǎn)的工藝流程，在傳統(tǒng)的溫度控制模式中加入模糊控制思想，構(gòu)成Fuzzy-PID控制系統(tǒng)，控制器的參數(shù)可以通過(guò)上位機(jī)自動(dòng)整定。通過(guò)檢查值和設(shè)定值進(jìn)行比較，偏差值較大時(shí)主要是模糊控制起作用[3-11]，能夠很快減少設(shè)定值和測(cè)量值的差距，系統(tǒng)處理偏差的能力大大改進(jìn)，設(shè)定值與測(cè)量值差不多接近時(shí)，開(kāi)始啟用PID來(lái)進(jìn)行控制。氧化鋁加壓溶出過(guò)程中的溫度控制參數(shù)可以根據(jù)溫度的實(shí)際變化情況，由上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤整定。這種控制系統(tǒng)極大地提高了溶出溫度的控制精度，減少了人為干預(yù)，改善了加壓溶出工序的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，降低了能耗，提高了氧化鋁的產(chǎn)量。

1 雙流法加壓溶出的生產(chǎn)流程

圖1 雙流法氧化鋁生產(chǎn)流程

在拜耳法氧化鋁生產(chǎn)中，所謂雙流法加壓溶出工藝是將部分循環(huán)母液送入磨礦車間，在磨機(jī)內(nèi)與鋁土礦、石灰混合磨制成合格礦漿，另一部分循環(huán)母液與液堿調(diào)配成合格堿液，兩股料流分別用溶出后礦漿多級(jí)自蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽不同程度地預(yù)熱，堿液流再單獨(dú)用新蒸汽加熱，兩股物料流在混合器內(nèi)匯合，匯合后料漿在溶出器中用新蒸汽直接加熱至溶出溫度并在其后的溶出器中完成溶出過(guò)程。其工藝流程見(jiàn)圖1。

2 對(duì)象特性分析

氧化鋁溶出器中溫度控制對(duì)象具有非線性、大慣性和純滯后的特性[15-18]。溫度的動(dòng)態(tài)控制實(shí)時(shí)性較差，主要是在控制過(guò)程中溫度上升時(shí)慣性較大，檢測(cè)值與設(shè)定值之間會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。對(duì)于本系統(tǒng)中氧化鋁溶出器溫度的變化，可以用一階慣性和一個(gè)延遲環(huán)節(jié)脈沖傳遞函數(shù)G(s)表達(dá)，如式1。

一階慣性加純延遲系統(tǒng)包含：時(shí)間常數(shù)T、滯后時(shí)間τ、放大系數(shù)(靜態(tài)增益)K三個(gè)參數(shù)，這三個(gè)參數(shù)能夠很好的反映出系統(tǒng)的性能[19]。根據(jù)氧化鋁在制備過(guò)程中溶出溫度的模型，對(duì)模型參數(shù)的求取使用階躍響應(yīng)曲線法來(lái)完成，通過(guò)理論計(jì)算可以得到整個(gè)制備過(guò)程中系統(tǒng)的三個(gè)參數(shù)值，如圖2所示。

圖2 氧化鋁制備過(guò)程溫度特性曲線

根據(jù)階躍響應(yīng)曲線法求得的結(jié)果，得到氧化鋁溶出器中溫度控制系統(tǒng)的三個(gè)參數(shù)依次為：K=1.8，τ=132，T=160。把三個(gè)參數(shù)分別代入式1就能得到系統(tǒng)的溫度控制對(duì)象的近似數(shù)學(xué)模型，如式2[3]。

3 Fuzzy-PID控制器的設(shè)計(jì)

3.1 Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制原理

模糊參數(shù)自整定PID控制器是PID控制和模糊控制的結(jié)合運(yùn)用[20]，這種控制模式是把傳統(tǒng)的控制思想加入模糊分析理念，完成對(duì)被控對(duì)象的控制?？刂破鲗?duì)應(yīng)的三個(gè)參數(shù)值需要用模糊分析的方式確定出參數(shù)變化量ΔKP、ΔKi、ΔKd，疊加在原PID控制器的最初計(jì)算出的給定值上，再賦值給PID控制器，從而通過(guò)上位機(jī)自動(dòng)求出溫度變化時(shí)控制器的輸出量，如式3。

式3中，KP0、Ki0、Kd0是PID控制器設(shè)定的初始參數(shù)值，ΔKP、ΔKi、ΔKd是按照控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求整定的變化量。模糊參數(shù)自整定PID控制原理如圖3所示[3]。

圖3 模糊參數(shù)自整定PID 控制器原理圖

本控制器的設(shè)計(jì)思路是在普通PID控制中把模糊控制算法加入到其中進(jìn)行混合使用，實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)跟隨檢測(cè)值的變化而變化，上位機(jī)自動(dòng)整定控制參數(shù)，把整個(gè)控制系統(tǒng)分塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。即檢測(cè)值與給定值之間偏差大時(shí)通過(guò)模糊控制進(jìn)行處理，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；檢測(cè)值與給定值接近時(shí)主要起作用的是PID控制，保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該控制器把兩種不同的控制策略的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行有效的融合，這樣可以很好的完成氧化鋁溶出時(shí)對(duì)溶出溫度的控制要求。

3.2 Fuzzy-PID參數(shù)自整定控制器的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)本控制系統(tǒng)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與分析，最

終把氧化鋁溶出溫度的檢測(cè)值和設(shè)定值之間的偏差值e和偏差變化率ec看做整個(gè)控制器的輸入值。PID控制器的輸出值u分別為Kp、Ki和Kd參數(shù)疊加模糊推理得到的ΔKP、ΔKi、ΔKd值綜合計(jì)算后的數(shù)據(jù)。然后，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的控制要求設(shè)計(jì)控制器的推理方法，利用上位機(jī)自動(dòng)查詢功能完成三個(gè)參數(shù)的修正，最終，達(dá)到較為理想的控制參數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠很好的滿足溫度的控制要求。模糊控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的模糊參數(shù)值如表1所示。

表1 模糊變量基本信息表

1)控制系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，偏差值e較大，為了減小系統(tǒng)的檢測(cè)值與偏差值之間的差值，應(yīng)該讓比例調(diào)節(jié)Kp值盡量取大些，這樣就能很好的提高系統(tǒng)響應(yīng)速度；Kd=0以避免積分飽和的情況出現(xiàn)；適當(dāng)?shù)腒e避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)。

2) 溫度上升到接近設(shè)定值的一半左右，對(duì)于Kp、Ki、Kd這三個(gè)值的選取盡量適中，主要是既能保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度又能保證超調(diào)量不大。

3) 溫度上升到接近設(shè)定值時(shí)，盡量把比例環(huán)節(jié)Kp值選取稍微大些，這樣可以使系統(tǒng)的靜差有所減小；對(duì)于積分環(huán)節(jié)Ki盡量增大，能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性；適當(dāng)減小微分環(huán)節(jié)Kd值，能夠有效避免振蕩現(xiàn)象。

因此，本設(shè)計(jì)可以按照控制器的輸入量偏差值e和偏差變化率ec模糊推理計(jì)算，在上位機(jī)中完成PID參數(shù)Kp、Ki、Kd的實(shí)時(shí)整定過(guò)程，最終把理想的參數(shù)值賦給PID控制器，很好的達(dá)到了氧化鋁生產(chǎn)時(shí)所需的溫度控制要求。參數(shù)表達(dá)式如式4。

式4中的KP0、Ki0、Kd0分別是通過(guò)前期根據(jù)控制要求模糊計(jì)算出的三個(gè)參數(shù)值。ΔKP、ΔKi、ΔKd這三個(gè)參數(shù)值主要是根據(jù)輸入量偏差值e和偏差變化率ec模糊推理計(jì)算所得到的參數(shù)值。通過(guò)把系統(tǒng)的輸入量進(jìn)行分析處理，再把系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)計(jì)算出來(lái)。最后，根據(jù)模糊控制算法，按照上位機(jī)設(shè)定好的程序，完成控制器參數(shù)的設(shè)定，通過(guò)自動(dòng)整定的方式求出氧化鋁溫度控制的三個(gè)變量值分別為：Kp=2.3、Ki=0.07、Kd=0.25。

4 應(yīng)用結(jié)果分析

采用模糊控制的控制系統(tǒng)自2014年開(kāi)始應(yīng)用于某分公司加壓溶出工序。相比原有控制系統(tǒng)在系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和控制精度上都有很大的提高，并且使用時(shí)比較容易操作，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)比兩種不同的控制系統(tǒng)的控制效果，如圖4所示。

圖4(a)是傳統(tǒng)溫控得到的上升曲線，明顯看出，這種控制效果不夠理想，整個(gè)控制過(guò)程太慢，生產(chǎn)溫度控制不是很適合。并且控制性能指標(biāo)也不能達(dá)到較為理想的值，不能起到節(jié)能的效果。求得的不同性能指標(biāo)的值依次是：溫度上升到設(shè)定值所用的時(shí)間為43 min，系統(tǒng)的超調(diào)量為1.477%，進(jìn)入到穩(wěn)定值范圍內(nèi)所用時(shí)間54 min，整個(gè)系統(tǒng)的控制精度為0.63%。圖4(b)引入模糊控制思想后的溶出溫度控制系統(tǒng)，可以看出，溫度從常溫上升到設(shè)定值所用的時(shí)間僅有18 min，系統(tǒng)的超調(diào)量也減少了很多，僅有0.369%，整個(gè)系統(tǒng)從開(kāi)始升溫到達(dá)到穩(wěn)定值所用時(shí)間僅有21 min，整個(gè)控制系統(tǒng)的控制精度也有了很大的提升，僅有0.21%。這種引入模糊控制思想的溫度控制系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)無(wú)論從響應(yīng)時(shí)間、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、控制精度上都有了很大的改進(jìn)，能夠很好的滿足控制要求，把整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)間大大縮短，真正起到了穩(wěn)定生產(chǎn)的效果，同時(shí)也提高了礦漿的溶出率。

圖4 兩種溫度控制系統(tǒng)升溫圖

5 結(jié)論

本項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新在拜耳法生產(chǎn)氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用，解決了人工整定PID參數(shù)精度低、工作量大及人為因素的干預(yù)等問(wèn)題，能夠根據(jù)氧化鋁加壓溶出溫度的波動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，能夠精確地控制溫度。相比常規(guī)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控系統(tǒng)，此溫度控制系統(tǒng)在控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間和控制精度上都優(yōu)于常規(guī)控制系統(tǒng)，進(jìn)而滿足了生產(chǎn)需要，提高了礦漿的溶出率，降低了生產(chǎn)成本。