王蕊 韓啟勇

摘 要：氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)中分解溫度的控制存在滯后和不穩(wěn)定的問(wèn)題。由于種子分解是一個(gè)典型的多變量、大滯后、許多工藝參數(shù)無(wú)法在線獲得的復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，因此很難完全從機(jī)理上建立控制模型對(duì)其實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，至今為止仍然采用半人工半自動(dòng)的方法對(duì)種子分解生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。本文采用Smith預(yù)估控制算法很好地解決了傳統(tǒng)控制方法調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性差的不足，為傳統(tǒng)控制方法提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：PID控制器；分解溫度；Smith預(yù)估控制；大滯后

1 前言

拜耳法作為當(dāng)今世界生產(chǎn)氧化鋁最主流生產(chǎn)工藝，種子分解是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵工序，它對(duì)最終氧化鋁的產(chǎn)量和質(zhì)量以及全廠的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)存在很大的影響。但由于它是一個(gè)典型的多變量、大滯后、很多工藝參數(shù)無(wú)法在線獲得的復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，利用滯后幾天后的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)料量及中間槽溫度的調(diào)節(jié)，末槽分解率得不到及時(shí)、精確的控制，可能會(huì)出現(xiàn)分解率不合格，造成能源浪費(fèi)，甚至產(chǎn)品不合格。因此對(duì)分解溫度及時(shí)、有效的控制和調(diào)節(jié)尤為重要。想要能夠很好地克服大滯后帶來(lái)的影響，在眾多的解決方式中smith預(yù)估算法控制器是重要的一種。

2 Smith預(yù)估算法在種子分解控制上的應(yīng)用

溫度控制對(duì)分解過(guò)程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量有很大影響。當(dāng)其他條件不變時(shí)，合理地控制種子分解的溫度，就能夠提高分解槽的單位產(chǎn)能和分解率。種子分解的溫度是影響氫氧化鋁粒度的最主要的因素。氫氧化鋁結(jié)晶長(zhǎng)大的速度在80℃時(shí)比50℃時(shí)增大約5～9倍。種子分解溫度的升高有利于減少或者避免晶核的產(chǎn)生，得到強(qiáng)度大、結(jié)晶較完整的Al（OH）3。因此，在拜耳法工廠里生產(chǎn)砂狀氧化鋁的分解初溫一般控制在70～85℃之間，終溫也達(dá)到60℃，這對(duì)分解率和產(chǎn)能顯然是不利的。因此當(dāng)分解原液的成分不變時(shí)，確定和控制好溫度是種分過(guò)程的主要任務(wù)之一。

合理的溫度控制包括分解初溫、降溫速度以及終溫的控制。實(shí)踐證明，合理的降溫制度應(yīng)當(dāng)是，分解初溫較快地降溫，分解后期則放慢。這樣既能保證分解率，又不致明顯影響氫氧化鋁粒度。而被控制對(duì)象的大滯后特征，在許多工業(yè)生產(chǎn)控制過(guò)程中普遍存在。這種大滯后的控制過(guò)程被我們認(rèn)為是較難控制的部分，其大滯后的時(shí)間占整個(gè)過(guò)程時(shí)間越長(zhǎng)，控制難度也就越高。由于滯后時(shí)間的存在，使得被控量無(wú)法立即感受到擾動(dòng)存在于整個(gè)的系統(tǒng)中。因此，像這樣的調(diào)節(jié)過(guò)程和控制方式一定存在比較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和明顯的超調(diào)量，使整個(gè)種子分解過(guò)程的穩(wěn)定性降低。Smith預(yù)估控制器就是在PID控制中并接一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了這種大滯后的補(bǔ)償模型。分解溫度控制方塊圖如圖1：

如圖1所示，由于大滯后特性的存在，使得分解母液的溫度y不能及時(shí)地反映出擾動(dòng)D在整個(gè)系統(tǒng)中的影響，即使溫度變送器的測(cè)量信號(hào)已經(jīng)達(dá)到了調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在接受到該調(diào)節(jié)信號(hào)以后立即動(dòng)作，也仍然需要經(jīng)過(guò)一段大滯后的時(shí)間τ后，才能夠影響到分解母液的溫度y，使其受到應(yīng)有的控制。

3 種子分解溫度Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

將圖1中種子分解溫度控制的方塊圖，將其轉(zhuǎn)化成為單回路控制系統(tǒng)，如圖2中所示，其系統(tǒng)方塊圖為：

如圖2，方塊圖的特征方程為1 + Gc（s）Go（s）e-τs = 0，因?yàn)槠渲写嬖谘舆t環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果延遲時(shí)間τ越大，控制系統(tǒng)將越不穩(wěn)定。而在特征方程中出現(xiàn)了e-τs，是因?yàn)閺姆綁K圖e-τs之后的a點(diǎn)引出了反饋信號(hào)，如果能從e-τs之前的b點(diǎn)引出信號(hào)，就把回路中的純延遲環(huán)節(jié)e-τs移到外面，反饋信號(hào)x沒(méi)有經(jīng)過(guò)e-τs，這個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間將會(huì)縮短。可是在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，b點(diǎn)也許受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制，也許是不存在的，根本無(wú)法引出信號(hào)。

設(shè)分解槽溫度的傳遞函數(shù)為：Gp（s）= kpe-τs /（Tps+1）= Go（s）e-τs應(yīng)用數(shù)字smith算法可得：e2（k）= e1（k）- xm（k）+ ym（k）= r（k）- y（k）- xm（k）+ ym（k）如果模型是精確的，則y（k）= ym（k），e2（k）= r（k）- xm（k）。其中e2（k）為數(shù)字控制器Gc（z）的輸入，Gc（z）一般采用PI算法。

例如在實(shí)際種子分解工藝生產(chǎn)中分解槽溫度為：Gp（s）=e-20s /（60s+1）每20s采樣一次，按照數(shù)字Smith算法來(lái)設(shè)計(jì)控制器。其中R為指令信號(hào)的類型，R=1時(shí)為階躍響應(yīng)，R=2時(shí)為方波響應(yīng)，N代表2種情況：N=1為模型精確，N=2為采用PI控制。利用Matlab分別對(duì)R=2時(shí)N=1和 N=2進(jìn)行仿真。在PI控制中，kp=0.50，ki =0.01。將這一過(guò)程用Matlab進(jìn)行仿真從得到的結(jié)果可以看出，數(shù)字smith預(yù)估算法使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提升，達(dá)到了我們的控制預(yù)期。

4 小結(jié)

通過(guò)Matlab對(duì)兩種情況的仿真證明，數(shù)字Smith預(yù)估控制對(duì)參數(shù)的變化適應(yīng)能力強(qiáng)，對(duì)大滯后的非線性時(shí)變系統(tǒng)有較理想的控制效果。對(duì)于解決分解槽這種大滯后系統(tǒng)有很大的幫助和應(yīng)用前景。

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（作者單位：東北大學(xué)設(shè)計(jì)院（有限公司））