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1 引言
鎳電解車間的三段凈化工序（除鐵、除銅、除鈷）是整個鎳精練系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，陽極液的凈化深度直接決定著電鎳的品位。由于電解現(xiàn)場物化條件差，設備（尤其是傳感元件）的可靠性不高，由于設備容量大，料液充分混合和反應時間長，在控制上出現(xiàn)大滯后，料液配比也很難達到自動控制，傳統(tǒng)自動控制系統(tǒng)很難達到較好的控制效果，本文根據(jù)現(xiàn)場工藝過程，基于現(xiàn)場工程師控制經(jīng)驗的總結(jié)，提出一種包含神經(jīng)網(wǎng)絡建模、多變量模糊控制、專家控制和預測控制相結(jié)合的智能控制系統(tǒng)，以良好的控制效果提高系統(tǒng)的工藝水平。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)分為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)站、操作車間站（加料設備站、三段流量控制站）、儀表檢測站（pH值檢測、氧化―還原電位檢測、溫度檢測、流量檢測等）、智能控制站。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
(1) FCS操作站 采用Profibus總線與現(xiàn)場總線操作站進行數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)系統(tǒng)溫度、流量、pH值的檢測和調(diào)節(jié)并向智能控制站發(fā)送檢測數(shù)據(jù)，同時接收來自智能控制站的控制信號和控制數(shù)據(jù)。
(2) 操作車間站 操作車間站包括陽極泥與鎳礦加料設備和三段流量現(xiàn)場控制系統(tǒng)。陽極泥與鎳礦加料在設備上采取自動攪拌，緩送填料方式，加料量由智能控制站給出，加料完成后將現(xiàn)場數(shù)據(jù)反送智能控制站，等待下次數(shù)據(jù)。三段流量現(xiàn)場控制系統(tǒng)主要控制除鐵過程中碳酸鎳溶液的流量、除銅過程中硫酸的流量、除鈷過程中精碳酸鎳的流量和氯氣通入量。由智能控制站統(tǒng)一調(diào)配，其數(shù)據(jù)通過上傳儀表檢測站的數(shù)據(jù)得到。在操作車間站設有系統(tǒng)應急保護裝置，作為系統(tǒng)初調(diào)和故障時的手動切換控制，一旦系統(tǒng)投入運行，一切由智能控制站完成。
(3) 儀表檢測站 儀表檢測站主要負責傳感數(shù)據(jù)的采集，時刻采集系統(tǒng)過程中的pH值、氧化―還原電位、系統(tǒng)溫度、溶液流量等信息，并將數(shù)據(jù)上傳到智能控制站。
(4) 智能控制站 智能控制站是整個鎳電解三段控制系統(tǒng)的核心，該站接收來自儀表檢測站的數(shù)據(jù)，并進行大量智能算法和控制策略的實現(xiàn)，然后將數(shù)據(jù)下傳現(xiàn)場總線操作站，由總線操作站控制和督導操作車間站，同時要接收來自現(xiàn)場操作站的數(shù)據(jù)。
3 控制策略
鎳電解三段凈化控制過程存在大時滯、大慣性、非線性、多變量等特點，整個過程既有快速反應過程，又有緩慢過程，既有連續(xù)狀態(tài)信號，又有大量離散狀態(tài)信號，現(xiàn)場控制復雜，單純的控制策略很難取得成效。針對這種混雜系統(tǒng)，必須研究一種行之有效的控制策略。系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場工程師的操作經(jīng)驗和鎳電解三段凈化過程的特點，設計了一種以模糊控制為核心，神經(jīng)非線性內(nèi)模控制為輔助，同時增加專家控制和預測控制，構(gòu)成一種綜合的智能控制算法。
3.1 控制過程及控制器總體設計
控制過程及控制器的總體系統(tǒng)設計如圖2所示，上端為智能控制器部分，中間為檢測及控制部分，下端為控制過程部分。
圖2 控制過程及智能控制器設計
FLC：模糊邏輯控制，建立一系列模糊控制規(guī)則，實現(xiàn)對系統(tǒng)的配方管理控制。
FLC+PREC：模糊邏輯控制+預測控制，分析和處理來自信號檢測傳感變送裝置的信號，并做出預測及控制規(guī)則。
NNC：神經(jīng)內(nèi)模控制，根據(jù)專家和現(xiàn)場工程師經(jīng)驗總結(jié)，建立內(nèi)部模型，處于恒運行狀態(tài)，對系統(tǒng)整體作出反應。
EC：專家控制，對系統(tǒng)各模塊作出反應并進行相互協(xié)調(diào)，必要時對系統(tǒng)施加自己的控制行為。
3.2 模糊控制器設計
系統(tǒng)中檢測變量較多，控制內(nèi)容較多，不能采用同一種模糊規(guī)則，采取面向具體對象模糊控制規(guī)則設計，同時求取偏差e和偏差變量變化率
，控制器設計為在偏差變化率較小時采用FLC（模糊邏輯控制），在偏差變化率較大時，采用FLC+PREC（模糊控制+預測控制），模糊控制規(guī)則表的設計在原始控制流程記錄下有專家給出，根據(jù)溫度，流量，pH值等綜合因素設置有溫升、穩(wěn)降狀態(tài)條件下的模糊控制規(guī)則表。根據(jù)具體對象，分別驅(qū)動自己的子控制系統(tǒng)，最大限度的實現(xiàn)解耦和干擾消除。
3.3 神經(jīng)非線性內(nèi)模控制器設計
鎳電解三段凈化過程是一個非線性控制過程，被控對象是非線性的，神經(jīng)網(wǎng)絡具有很強的非線性逼近能力、優(yōu)化能力和容錯能力。典型的神經(jīng)內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，P為非線性被控對象，
為對象的內(nèi)部模型，D為內(nèi)模控制器，內(nèi)部模型和內(nèi)?？刂破饔缮窠?jīng)網(wǎng)絡來實現(xiàn)。
對象P是具有d階時延的非線性系統(tǒng)，u，y分別為系統(tǒng)的輸入、輸出，用差分方程描述為：
圖3 神經(jīng)非線性內(nèi)?？刂破髟O計
內(nèi)部模型
由神經(jīng)辨識器采用串―并聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)：
d階時延逆
，由串―并聯(lián)神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)：
或 
內(nèi)模控制器D取P的逆模型
，此時D的輸入是濾波器F的輸出g，則將
代入，內(nèi)模控制器D為：
濾波器F(z)設計為：
設計神經(jīng)非線性內(nèi)?？刂破骶哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、性能良好的優(yōu)點。在控制的初始階段和干擾作用的初始階段， 與D中的權(quán)值不斷調(diào)整，系統(tǒng)具有自適應性，通過適當調(diào)整參數(shù)，即可達到很好的控制效果。
3.4 專家控制
專家系統(tǒng)無法表達符號以外的知識，并且獲取知識難，實時性和自適應性差，把專家的經(jīng)驗引入到控制系統(tǒng)中，結(jié)合模糊邏輯控制技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)，形成基于專家監(jiān)督指導的智能控制系統(tǒng)，將會取得更好的智能化控制效果。
4 控制軟件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，主要有智能控制計算模塊、通訊模塊、控制參數(shù)設置模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、現(xiàn)場總線模塊、顯示與曲線模塊、數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
4.1 智能控制計算模塊
該模塊主要有模糊算法單元、神經(jīng)網(wǎng)絡單元、專家單元和預測單元構(gòu)成，主要是大量的控制算法，數(shù)值計算，偏差比較等。
4.2 通訊模塊
該模塊包括數(shù)據(jù)采集上傳通訊，與現(xiàn)場總線的組態(tài)軟件的通訊，控制命令下傳通訊等，軟件采用模塊式編程，各負其責。
4.3 現(xiàn)場總線模塊和顯示、報表、打印、趨勢曲線模塊
該兩模塊主要是進行組態(tài)畫面，通過動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）以及組態(tài)軟件自身功能實現(xiàn)現(xiàn)場的控制和實時檢測。
4.4 數(shù)據(jù)采集處理模塊
該模塊主要實現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)處理，采用模塊化編程，針對不同的采集量，對定時采樣數(shù)據(jù)和實時采樣數(shù)據(jù)采取不同的算法，數(shù)據(jù)做歸一化處理，曲線擬合。
4.5 數(shù)據(jù)庫
實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的存儲，系統(tǒng)參數(shù)，控制器參數(shù)的設置、修改、存儲，歷史趨勢曲線表的調(diào)用，實時趨勢曲線表的訪問，報表顯示，系統(tǒng)狀態(tài)查看等功能。
5 結(jié)論
在鎳三段凈化工序中，采用鎳電解三段凈化智能控制系統(tǒng)，通過控制參數(shù)的設置即可完成控制效果的改變，減少了系統(tǒng)的硬件開銷，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，通過接入網(wǎng)絡功能，即可簡單實現(xiàn)管控系統(tǒng)，若對系統(tǒng)整體進行雙機冗余，雙設備冗余和雙網(wǎng)絡冗余，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將會大大提高，鎳電解精練工藝將更加成熟，生產(chǎn)能力不斷擴大，生產(chǎn)技術(shù)指標將得到明顯提高。
圖4 控制軟件結(jié)構(gòu)
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號