（电子科学与技术专业论文）基于svr的铝电解槽极距软测量模型的研究.pdf

舢| i | f i | | f | i | | j | | i | i | i | i | | 舳 y 17 19 5 9 8 r e s e a r c ho ns u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n 0 f s o f t - s e n s o rm e a s u r e m e n tm o d e l f o r a l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l s p e c i a l t y ： a n o d e c a t h o d e d i s t a n c e m a s t e r d e g r e ec a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e & e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h ah u n a np r c 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：缸一 日期：业年上月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：毯灸导师签名盥日期：旦年月上日 硕士学位论文摘要 摘要 铝电解槽的槽电压是铝电解槽能耗的重要指标，其受极距的制 约，减小极距就相当于降低能耗。所以，减小极距是降低铝电解槽能 耗的关键。传统的节能方法是通过建立槽电压波动模型来实现节能， 而通过建立极距模型来降低极距以实现节能的研究较少。因此，通过 分析极距影响因素建立极距软测量模型来减少极距，对降低铝电解槽 能耗具有重要研究意义。 本文在介绍铝电解工艺过程和及其节能方向的基础上，选择对节 能效果影响较大的铝电解槽极距作为研究对象。在分析影响铝电解过 程中铝电解槽极距变化的因素后，选择导杆等距压降、槽电压、阳极 电阻、导杆温度等作为辅助变量，研究了基于支持向量机的铝电解槽 极距软测量模型，以实现铝电解槽极距在线估计。针对极距影响因素 的复杂性，提出了支持向量回归算法，并用交叉参数优化法对参数进 行选择。随后针对e 一支持向量回归算法本身的限制条件和参数依靠 经验选择的缺点，进一步提出了遗传e 一支持向量回归算法，并建立 了极距软测量模型。 仿真实验结果表明，基于一支持向量回归的铝电解槽软测量模 型由于其算法本身的约束条件和参数选择的困难，造成计算量大，耗 时长和参数依靠经验选择的缺点。而遗传一支持向量回归算法节约 了参数选取时间，增强了模型的实时性，更加有助于铝电解过程的铝 电解槽极距实时在线检测。 关键词铝电解槽，极距，软测量，遗传算法，支持向量回归 硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee e l lv o l t a g eo ft h ea l u m i n u mr e d u c t i o ne e l li st h ei m p o r t a n t t a r g e to ft h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ，i ti s r e s t r i c t e dt oa n o d e c a t h o d e d i s t a n c e ( a c d ) ，r e d u t e dt h ea c di se q u a lt o r e d u c e st h ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h e r e f o r er e d u c e dt h ea c di st h ek e y0 t h ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l le n e r g yc o n s u m p t i o n t h et r a d i t i o n a le n e r g y c o n s e r v a t i o nm e t h o do ft h ee n e r g yc o n s e r v a t i o ni sr e a l i z e dt h r o u g h e s t a b l i s ht h ec e l lv o l t a g ef l u c t u a t i o nm o d e l ，b u tt h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n i sr e a l i z e df e wt h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n ta c dm o d e lt or e d u c e st h e d i s t a n c eo fa c d t h e r e f o m ，t h r o u g ha n a l y s i st h ei n f l u e n c i n gf a c t o rt o e s t a b l i s ht h es o f ts e n s o rm o d e lo ft h ea c di sr e d u c e dt h ed i s t a n c e b e t w e e ne l e c t r o d e s ，i th a si m p o r t a n tm e a n i n gt or e d u c et h ea l u m i n u m r e d u c t i o nc e l le n e r g yc o n s u m p t i o n t h i sa r t i c l ei nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ep r o c e s so ft h ea l u m i n u m r e d u c t i o na n dt h e e n e r g yc o n s e r v a t i o no ft h ea l u m i n u mr e d u c t i o n ， c h o o s i n ga f f e c tt h eb i g g e s te f f e c to ft h ea l u m i n u mr e d u c t i o nc e l la c d i s t a k e nt h eo b j e c to f s t u d y a r e rh a v i n ga n a l y z e di ni n f l u e n c ea l u m i n u m r e d u c t i o np r o c e s so ft h ec h a n g ef a c t o ro ft h ea l u m i n u mr e d u c t i o ne e l l a c d ，c h o o s i n gt h es t e me q u a l - s p a c ev o l t a g e ，t h ea l u m i n u mr e d u c t i o n c e l l v o l t a g e ，t h ea n o d er e s i s t a n c e ，t h es t e mt e m p e r a t u r ea n ds oo n ， s t u d y i n gt h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ( s v m ) o ft h ea c ds o f t - s e n s o r m e a s u r e m e n tm o d e l s ，i sr e a l i z e dt h eo n l i n e e s t i m a t eo ft h ea c d i nv i e w o ft h ea c d sc o m p l e x i t y , i sp r o p o s e dt h es u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ( s v r ) a l g o r i t h m ，c a r r y i n go nt h em o d e lo fa c d w i t ht h eo v e r l a p p i n gp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n a f t e r w a r da i m i n ga t 也es h o r t c o m i n gw h i c ht h ee - s v r p a r a m e t e rd e p e n d e n c ee x p e r i e n c ec h o o s e sa n dl i m i t i n gc o n d i t i o n ，f u r t h e r i sp r o p o s e dg e n e t i c s v r ，a n dh a se s t a b l i s h e dt h ea c ds o rs e n s o r m o d e l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ts h o w e dt h a tb a s e do n s 豫a l u m i n u m r e d u c t i o nc e l ls o rs e n s o rm o d e la sar e s u l to fi t sa l g o r i t h m sc o n s t r a i n t s a n dt h ec h o i c eo f p a r a m e t e ri sd i f f i c u l t ，i sc a u s e dt h ec o m p u t i n gt i m et o b eb i g ，t i m e c o n s u m i n g l o n g a n dt h e s h o r t c o m i n go fp a r a m e t e r d e p e n d e n c ee x p e r i e n c ec h o o s e s b u tg e n e t i c e s v ri ss a v e dt h e h 硕士学位论文 a b s t r a c t p a r a m e t e rs e l e c t i o nt i m e ，s t r e n g t h e n e dt h em o d e lr e a l t i m e ，a n d 。i ti s h e l p e dt ot h ea l u m i n u me l e c t r o l y s i sp r o c e s sa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l a c dr e a l t i m eo n l i n ee x a m i n a t i o n k e yw o r d sa l u m i n u mr e d u c t i o nc e l l ，a n o d e - c a t h o d e d i s t a n c e ， s o f ts e n s o r , g e n e t i ca l g o r i t h m s ，s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n 硕士学位论文 目录 目录 摘j l 2 ；i a b s t r a c t 目两乏i 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 2 铝电解槽设计技术的国内外研究现状1 1 3 软测量技术原理及应用现状3 1 3 1 软测量技术原理3 1 3 2 软测量技术研究及应用现状5 1 4 极距检测技术的研究现状7 1 5 论文主要研究内容及章节安排8 第二章铝电解生产特点及极距影响因素分析9 2 1 铝电解生产特点。9 2 1 1 铝电解原理9 2 1 2 铝电解节能方向一l o 2 2 极距影响因素分析1 2 2 3 本章小结16 第三章统计学习理论及支持向量机。1 7 3 1 统计学习理论概述17 3 1 1 学习问题模型1 7 3 1 2 学习过程的一致性1 8 3 1 3 学习工程推广能力的理论基础1 9 3 2 支持向量机概述2 0 3 2 1 支持向量机基本原理简介2 0 3 2 2 支持向量机算法的发展。2 6 3 3 本章小结2 7 第四章铝电解槽极距软测量建模2 8 4 1 铝电解槽极距软测量模型的提出2 8 4 1 1 软测量模型描述2 9 4 1 2 铝电解槽极距软测量的基本框架2 9 4 2 支持向量机的铝电解槽极距软测量模型的建立3 3 硕士学位论文 目录 4 2 1 极距软测量模型基本结构3 3 4 2 2 铝电解槽极距软测量模型建模和仿真。3 4 4 2 3 基于的s v r 极距软测量建模及实验结果“ 4 3 基于支持向量回归改进算法的极距建模4 5 4 3 1 遗传算法4 5 4 3 2 自适应遗传算法4 6 4 3 3 遗传算法对支持向量回归参数优化4 7 4 3 4 参数优化后的实验结果4 9 4 3 本章小结5 0 第五章总结与展望5 l 5 1 工作总结：。51 5 2 研究展望5 1 参考文献。5 3 致谢5 7 攻读硕士学位期间主要的研究成果。5 8 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍论文的课题来源，以及铝电解槽技术和铝电解槽极距检测技术 的国内外研究现状。随后介绍了软测量技术原理以及它的应用现状，最后是本论 文的章节安排介绍。 1 1 课题背景及研究意义 铝电解工业是有色金属工业的重要组成部分。铝及铝加工材料作为有色金属 行业的基础材料，被广泛应用于国防、交通、轻工、机械、电力、建筑等众多领 域。改革开放的中国电解铝生产起步于2 0 世纪5 0 年代，经过5 0 余年的研究和 发展，铝电解技术得到了长足的发展和进步。2 0 0 1 年中国铝产量首次超过美国， 位居世界第一，产量达到3 5 8 万吨。从2 0 0 3 年起，电解投资热使国内铝电解行 业进入快速发展期，2 0 0 7 年中国铝生产总量占当年1 0 种常用有色金属总产量的 一半以上，达到1 2 5 5 8 6 万吨。 铝具有良好的物理和化学性能，铝及铝合金的可塑性好，可以冷成形，切削 性能也比较好，超强铝合金成形后可通过热处理，获得很高的强度，铝合金的铸 造性能也极好。这就意味着铝及铝合金还有更加广阔的应用前景及发展空间。 近年来有色金属行业掀起了节能降耗、提产提质、节约资源保护环境的科技 创新活动的高潮。然而大型预焙阳极电解槽由于阳极块数多，造成极距的实际均 一性较差，必须保持比较大的极距来维持电解槽的稳定性，使节能降耗效果受限。 因此有必要建立铝电解槽极距软测量模型，实现降低铝电解槽的电解质压降，进 而使电解槽集成式决策支持模型操作整体优化，最终实现提高铝电解槽稳定性和 电流效率以及降低能耗的目的。 1 2 铝电解槽设计技术的国内外研究现状 铝电解槽设计设计水平的高低将直接影响铝电解槽各项技术指标的优劣，因 此是铝电解技术的首要和关键环节。 我国铝电解槽设计研究工作起步于1 9 5 6 年。1 9 5 8 年9 月，全国第一次掀起 了办电解铝厂的高潮，贵州铝厂、兰州铝厂、连城铝厂、包头铝厂、郑州铝厂、 青铜峡铝厂相继投入生产，全国铝电解生产能力3 6 万吨，初步形成了8 大铝厂。 虽然此阶段自行设计研制的8 0 k a 预焙槽在抚顺铝厂实验成功，还自行研发了 1 3 5 k a 自焙阳极电解槽，但是铝生产技术还是主要采用前苏联6 0 k a 侧插自焙槽。 硕士学位论文 第一章绪论 1 9 6 7 年我国在郑州铝厂建成投入自行设计的7 5 k a 预焙铝电解槽生产。1 9 5 6 年 一1 9 8 0 年我国自焙槽仍为国内主流槽型，而自主成功开发的7 5 k a 和1 3 5 k a 预焙 电解槽技术在国内尚未得到很好的推广应用，1 9 9 9 年全国电解铝产量的7 0 以 上由自焙槽生产的事实就充分说明了这一点【l 】。 7 0 年代，随着具有集气效率和自动化程度高的国外中间下料预焙槽技术的 改进和完善，此项技术得到广泛应用。1 9 7 9 年1 9 8 1 年，1 6 0 k a 中间下料预焙电 解槽成套技术由贵州铝厂引进。其核心技术主要包括以下内容：一是炉帮靠电解 槽边部散热自然形成：二是铝电解槽单槽产量高，电流强度大，电流强度为 1 6 0 k a ；三是自动控制物料添加是因为采用浓相输送技术了；四是自动控制氧化 铝下料和氟化盐添加以及通过槽电阻来控制电压等都是由铝电解槽槽控机控制； 五是铝电解槽集气效率高是由于引进了先进的干法净化收尘系统技术，8 0 年 代，逐步研究和掌握1 6 0 k a 中间下料预焙电解槽技术，其核心技术包括：自动 控制技术；电、磁、热三场设计技术：自动加料技术；槽上部和槽壳结构设计制 造技术；预焙阳极制造技术；母线配置技术；整流及供电技术；焙烧启动技术； 烟气净化等环保技术等等。从而在技术不断进步的基础上逐步推进了大型预焙槽 的发展。1 9 9 2 年一1 9 9 4 年，青海铝厂和贵州第三电解铝厂由中国自主设计建成。 9 0 年代，我国在掌握大型铝电解槽基础理论的基础上，逐步实现自主开发和工 程应用并取得了一系列成果。1 9 9 8 年，贵州铝厂应用1 8 6 k a 大型预焙阳极电解 槽技术建成投产电解一系列2 0 0 1 年焦作万方铝业应用郑州贵阳铝镁设计院、 沈阳铝镁设计院和轻金属研究院联合自主开发的2 8 0 k a 大型预焙铝电解槽技术 建成了国家2 8 0 k a 电解槽产业示范化工程。1 9 9 9 年，4 0 台3 2 0 k a 大型预焙阳极 电解槽在平果铝厂建成投产【2 】2 0 0 2 年全国铝产量的7 3 由预焙阳极电解槽生 产。 2 0 0 0 年至今，铝电解三场实现了精细化设计是由于铝电解槽三场设计采用 了计算机仿真技术，从而使铝电解槽设计更加合理。另外，我国也在3 0 0 k a 级 以上大型预焙阳极电解槽上积累了丰富的现场生产实践经验。现在4 0 0 k a 生产 系列已经建成，6 0 0 k a 槽正在试验。2 0 0 9 年，1 6 0 k a 级新型结构槽由中铝国际 工程有限责任公司、中国铝业郑州研究院等单位联合开发成功，新型结构铝电解 槽阴极表面实现了零铝水平高效率运行和零阳极效应，从而使极距和槽电压大幅 度降低【3 1 。工业试验证明，新型结构铝电解槽比正常铝电解槽降低约4 0 0 m v ，电 流效率也达到了9 4 以上、电能利用率提高5 - - 7 ，节电1 3 0 0 k w h 以上、吨 铝直流电耗低于1 2 0 0 0 k w h 。 国际上，西方发达国家的原铝生产主要集中于美国、加拿大、俄罗斯、法国 挪威海德鲁、彼施涅铝业公司等大型企业集团，主要槽型为a p l 8 、a p 2 1 、a p 3 0 、 2 硕士学位论文第一章绪论 h y d r 0 2 3 和c d 2 0 0 等，单系列产量为1 0 0 2 5 0 k t a 。2 0 世纪9 0 年代，建成的电 解铝厂8 0 采用了法国p e c h i n e y 公司的a p 3 0 技术，特别是3 0 0 k a 预焙阳极电 解槽几乎全部采用a p 3 0 技术，铝电解槽单系列产量达到2 5 0 k t 。彼施涅公司不 断对a p 3 0 电解槽进行改进，通过一系列的优化技术，不断提高a p 3 0 电解槽的 电流强度，并以a p 3 5 的名义积极参加国际竞争，同时彼施涅还是目前世界上少 数拥有5 0 0 k a 级电解槽技术的公司【4 】。正是通过积极的改进、宣传和推广高阳极 电流密度的a p 3 x 和a p s 0 大型槽技术，彼施涅公司一直保持着其在世界铝工业 界的技术领导地位【5 】。 1 3 软测量技术原理及应用现状 1 3 1 软测量技术原理 在过程控制中，一些需要控制的过程变量，在现有的技术条件下不易快速在 线测量或难以直接测量，只有通过控制其他可测变量，间接测量【6 】。为解决这类 问题，软测量技术或软测量仪表应运而生。 早在7 0 年代，b r o s i l l o w 就提出了推断控制的基本思想和方法：采集过程对 象中比较容易测量的二次变量，构造推断估计器来估计并克服扰动和测量噪声对 过程主导变量的影响。1 9 9 2 年，i f a c 应用委员会化工过程组起草了一份名为 “c o n t e m p l a t i v es t a n c ef o rc h e m i c a lp r o c e s sc o n t r o l 的i f a c 报告，在该报告中， 过程控制专家m c a c v o y 以提高过程控制技术基础、扫除技术故障和实现商业应 用为目标，提出了7 项前沿技术，其中软测量技术列在首位，这对软测量技术的 研究和发展起了很大的促进作用【7 1 。 软测量技术设计是根据某种最优准则，选择一组与主导变量有密切联系又容 易测量的辅助变量，如流量、温度、压力等，通过构造某种数学模型，用计算机 软件实现对主导变量的估计。软测量的技术本质是建模问题，即通过构造某种数 学模型，描述可测量的被控变量、扰动变量和关键操作变量与产品质量之间的函 数关系，以过程操作数据为基础，获得产品质量的估计值【引。软测量辨识过程的 基本方块图如图1 1 所示。 ( 1 ) 软测量的辅助变量选择 软测量的目的是利用所有易于获取的可测信息，通过计算对被测变量的估 计。其中可利用的信息包括：可测干扰输入，可测控制输入，可测辅助变量和可 测主导变量。在软测量方法中，辅助变量的数目、类型、测点位置的选择，过程 数据的采集与处理等因数都会严重影响软仪表的性能。辅助变量的选择分为类 型、数量以及检测点位置的选择。变量数量的选择与模型的不确定性、测量噪声 硕士学位论文 第一章绪论 和过程的自由度等有关，其下限值为被估计主导变量的个数。变量类型的选择要 遵循准确性、灵敏性、特异性、过程实用性、鲁棒性原则【9 】。在使用软测量技术 时，可采用工业控制仿真软件或奇异值分解等方法进行检测点的选取。 图1 - 1 软测量辨识基本过程方块图 ( 2 ) 软测量的数据选择与处理 软测量是通过对过程测量数据的数值计算来实现的，为了保证其有效性和准 确性，对采集来的数据进行数据选择时，要注意数据所包含的信息量，尽量拓宽 数据的涵盖范围，均匀分配采样点，减少信息重叠，避免信息冗余。另外，由于 仪表精度及环境噪声等随机因素对软仪表的影响，数据的预处理是必不可少的。 输入数据预处理包括误差处理和数据变换两方面。误差分为过失误差和随机误差 两类。过失误差来源于人为因素、仪表的系统偏差以及不完全或不正确的过程模 型。在实际过程中，过失误差出现的几率很小，但它的存在会严重恶化数据的品 质，极大地影响软测量在线运行精度，因此必须及时校正和剔除【l 们。常用的处 理方法有：人工剔除法、随机搜索法等。随机误差的产生受随机因素( 检测信号 的噪声或操作过程的微小波动等) 的影响，一般是不可避免的，但由于它符合统 计规律，因此可以通过一定方式消除，可使用数字滤波方法消除，如中值滤波、 低通滤波、算术平均滤波和滑动平均值滤波等。数据变换对模型的精度，非线性 映射能力都有重要作用。误差处理是保证输入数据有效、准确的必要手段，误差 的存在导致数据的失效f l 。 ( 3 ) 软测量建模及验证 软测量技术的核心是软测量模型的建立，软测量模型的关键是通过辅助变量 来获得对主导变量的最佳估计。软测量技术发展至今，由于其针对的实际对象和 所采用的理论工具的不同，而形成的多种软测量建模方法，本文将在1 3 2 节进 行总结和分析。 ( 4 ) 软测量的在线校正 4 硕士学位论文 第一章绪论 工业过程建模所需数据的采集常常受到生产的限制，数据变化范围小，常局 限于工作点附近，对象特性难于充分反映。数据中偶然误差较大，使软测量模型 的适用范围受限。由于对象特性的变化和工作点的漂移，在使用过程中，还需要 对软仪表进行校正以适应新的工况0 2 】。在线校正可以分为模型输出校正和模型 参数校正，方法有多时标法、增量法和自适应法。模型结构校正需要的数据量大， 耗时长，其结构的缺陷往往可以通过参数修正加以弥补，更多地采用模型参数在 线校正的方法，如利用g a l r l l a l l 滤波技术在线修正模型参数，利用在线分析仪表 的测量值进行模型参数的修正也是一种行之有效的方法。 1 3 2 软测量技术研究及应用现状 软测量技术可以解决有关生产效益、产品质量等关键性生产参数无法直接测 量的问题是对传统测量手段的补充，为保证产品质量、提高生产效益提供了强有 力的手段。基于软测量的推断控制结构图如下图1 2 所示。其中，r l 、r 2 分别为 可测扰动和不可测扰动，s 为设定值，k 为控制输入，x 为辅助变量，y 、y 、 y 分别为主导变量、主导变量定时离线分析值和软测量模型输出值。 y 图1 - 2 基于软测量的推断控制结构图 软测量的技术本质是建模问题，软测量建模的各种方法互有交叉，且有相互 融合的趋势，因此对建模方法的分类难以健全【1 3 】。目前，软测量建模方法一般 可分为：机理分析、回归分析、状态估计、人工神经网络、模糊数学、基于支持 向量机方法等。 ( 1 ) 基于机理分析的方法 机理分析法通常需要通过分析过程的运动规律，运用一些已知的定理、定律 和原理建立过程的数学模型。机理分析法只能用于简单过程的建模，对于比较复 杂的实际生产过程来说，这种建模方法具有很大的局限性。这是因为过程的某些 因素也在不断变化，而又难以精确描述，单纯用机理分析法建立过程的数学模型 就目前技术水平来说还是相当困难的【。 ( 2 ) 回归分析 5 硕士学位论文第一章绪论 常见的有部分最小二乘( p l s ) 和主元分析( p c a ) 以及在此基础上的一些变型 和应用，如多路p l s 、非线性p l s 、多路p c a 、非线性p c a 等。拟合线性模型 常用一元和多元线性回归技术。采用逐步回归技术应用于辅助变量较少的情况， 可以获得较好的软测量模型。而首先需要借助机理分析来获得模型的方法应用于 辅助变量较多的情况，然后再采用逐步回归方法获得软测量模型【1 5 】。总之，基 于回归分析法的软测量具有简单实用的特点，但需要大量的数据样本作为支撑， 且对测量误差较为敏感。 ( 3 ) 状态估计 如果把可测的变量当成输出变量，把待测的变量当成状态变量，那么依据可 测变量去估计待测变量的问题就是控制理论中典型的状态估计和观测命题。基于 这种软测量方法有利于处理系统滞后和各变量间动态特性的差异等情况是因为 此方法可以反映辅助变量和主导变量之间的动态关系f 1 6 1 。该种软测量方法的缺 点在于难以建立完整的复杂工业过程系统状态空间模型，因此该方法的使用受到 限制。另外，此方法可能会导致显着误差是由于持续缓慢变化的不可测扰动存在 于许多工业生产过程中 ( 4 ) 人工神经网络 人工智能与相关领域发展很快，特别是人工神经网络，可以很好地复现模型 的各种非线性特性。因为它是根据对象的输入输出数据直接建模而无需具备对象 的先验知识，因此在解决严重不确定性和高度非线性系统控制方面具有强大的潜 力【1 7 】。但在利用神经网络建模时，通常会存在过拟合、推广能力差、缺少确定 隐含层数目及节点数目的有效方法、不能保证全局最优、易陷入局部极小点等问 题。 ( 5 ) 模糊数学 模糊数学是模仿人脑逻辑思维特点，描述具有不确定性和精确性的知识。工 业过程存在大量不确定和不可知的因素，非常适合采用模糊技术表达，因此模糊 数学建模在过程建模中得到了广泛而有效的应用【嵋】但是模糊技术通常与神经 网络结合构成模糊神经网络，此网络利用神经网络的学习能力，根据输入输出样 本来调整和自动设计模型的设计参数，实现模糊系统的自适应和自学习功能，具 有比单独的模糊系统和神经网络更好的性能，被广泛应用于非线性系统建模中。 ( 6 ) 支持向量机 1 9 9 5 年，v a p n i kv 等提出了具有坚实的理论基础和良好的泛化性能以及以 有限样本统计学习理论为基础的支持向量机( s u p p o av e c t o rm a c h i n e ，s v m ) 方法， 此方法有效地解决了诸如神经网络的过学习问题、局部最小问题以及类型和结构 的选择过分依赖于经验等问题，从而大大提高了模型的泛化能力，使得它一出现 就倍受关注f 1 9 1 。与传统机器学习方法相比，s v m 具有模型推广性能好、高维 6 硕士学位论文第一章绪论 输入数据处理能力强、小样本学习能力强的特性【2 0 】。 近年来，软测量技术广泛应用于过程工业中，应用领域包括石化、炼油、聚 合、采矿、造纸、食品、纺织、医药、半导体、精细化工及微电子行业【2 1 h 2 6 1 。 目前，就实际应用而言，在一些技术较发达的国家，已有许多成功地将软测量技 术应用于工业过程的例子，如德州m t 炼油厂、美国的t h 包装公司以及比利时 的烯烃生产线等。我国软测量技术的应用起步较晚，但也有一些成功的例子，如 上海炼油厂、石家庄炼油厂等。另外，一些公司推出了通用性较强的软测量软件 产品，如国外有a p p l i e da u t o m a t i o n 公司、d m c 公司、i n f e r e n t i a lc o n t r o l 公司、 p r o f i m a t i c s 公司、s e t p o i n t 公司、s i m e o n 公司等以商品化软件形式推出各自的软 测量仪表，国内的有上海交通大学和华东理工大学等一些研究机构。而软件产品 则有诸如上海交大的s o f ts e n s o r ，华东理工大学的m o p t 及h o n e y w e l l 的 a p p 等。 目前虽然出现了许多软测量建模方法，但仍不能满足实际需要。因此许多学 者将一些新兴的算法应用于用于软测量建模。如：将遗传算、法【2 9 1 、神经网络【2 7 1 、 微粒群优化算法【冽等。还有一些学者将不同的建模方法相互融合建立混合模型 应对实际工业系统的复杂多变。 现在，软测量技术无论是在理论研究还是在实际应用中均取得了较大成功， 然而至今为止对针对静态软测量模型研究比较多，而对精度和鲁棒性性能更好的 动态模型研究比较少。因此，动态软测量模型会成为今后研究的重点。 1 4 极距检测技术的研究现状 极距是指阴极铝液镜面到阳极底掌之间的距离。它既是维持铝电解温度的热 源中心，又是铝电解过程中的电化学反应区域，直接影响电解温度和电流效率。 增大极距能减少铝的损失，提高电流效率。但是由于极距增大，铝电解槽槽电压 也会升高，从而增加电能的消耗。另外，也会增多电解质的热收入，导致温度升 高而对电流效率产生不利影响。缩短极距可降低电压，节省电能。但是过度地缩 短电解槽极距会使铝的损失增加，从而使电流效率降低。 在预焙阳极铝电解槽中，极距一般保持在4 - 5 c m 之间，比自焙槽稍高。造成 此种现象的原因是因为预焙槽的阳极数目多，要使每块阳极都严格地保持在同一 水平距离十分困难，另外预焙槽保温性能不如自焙槽，也会使预焙槽的极距要略 高一些。当槽在运行时，测量极距方法有如下四种：用超声波反射测距；用槽电 压幅值推算；用铁钩进行人工探摸；用阳极导杆电流幅值描述同一台槽的各阳极 极距的一致性【3 0 】。目前国内仍然采用传统的方法测量极距，即插一根铁棒到电 解质界面和铝液附近，在其中停留数分钟后拔出，此时附在铁棒上的电解质和铝 7 硕士学位论文第一章绪论 液因为环境温度的突然下降而迅速凝固在铁棒上，从而在铁棒上形成两种表观不 同的凝固层，而中间的界面具有两层的共同性质，通过判断此界面的位置就可以 确定极距的大小。但此方法因为忽略了人为的观察误差和铝液界面波动所带来的 误差，最终很难得到准确极距值【3 1 1 阳极导杆电流法描述同一台铝电解槽中各 阳极极距的一致性，虽然此方法有简单便宜和一定准确度的优点，但存在铝液波 动和炭阴极表面不平整的缺点会影响测量准确度。后来有人在此方法上增加了铝 液波动检测光柱显示装置消除了铝液波动对极距的影响。对槽电阻信号频谱分析 的方法找到急需要调整的极距以达到实现节能的效果。 由于以上原因，本论文分析了极距和相关参数之间的关系，建立了极距模型， 通过模型预测出极距值，为电解槽的操作优化提供了更加准确的信息。 1 5 论文主要研究内容及章节安t l 本论文研究基于支持向量机的铝电槽极距软测量模型，实现极距的在线实时 检测。论文的主要研究内容包括：铝电解节能方向分析和极距影响因素分析；研 究了基于支持向量机的铝电解槽极距软测量建模方法；在标准支持向量机的基础 上，采用支持向量机的改进算法对极距软测量软测量模型进行研究，分析了核函 数、损失函数以及惩罚因子对测量精度和泛化能力的影响。 论文分为五章，第一章简要概述铝电解槽技术和软测量技术的发展及现状， 介绍了极距测量技术的研究现状，论文的内容及研究意义；第二章主要分析铝电 解生产特点及极距影响因素分析；第三章在介绍统计学习理论的基础上，阐述支 持向量机理论，为随后对铝电解槽极距软测量建模打下基础；第四章主要研究基 于s v r 和改进算法的铝电磁铸轧系统软测量建模，并对其参数应用遗传算法 进行优化；第五章对本文做了总结，并对后续工作进行展望。 8 硕士学位论文 第二章铝电解生产特点及极距影响因素分析 第二章铝电解生产特点及极距影响因素分析 本章在介绍铝电解过程和铝电解节能方向的基础上，选择对节能效果影响较 大的铝电解槽极距作为研究对象。在深入分析影响铝电解槽极距变化的因素后， 选择导杆等距压降、槽电压、阳极电阻、导杆温度等作为辅助变量，为建立铝电 解槽极距模型奠定了基础。 2 1 铝电解生产特点 2 1 1 铝电解原理 从18 8 6 年到现在，h a l i - h o r o u l t 的冰晶石氧化铝熔盐电解法仍是工业炼铝 的唯一方法。铝电解的基本原理如下： 铝土矿石经过溶出、沉降分离、净化、分解、煅烧等一系列工序处理得到固 体氧化铝，作为铝电解的基本原料。固体氧化铝溶解在熔融冰晶石中，形成具有 良好导电性的均匀熔体。炼铝的方法称为霍尔埃鲁法，其基本原理是采用氧化 铝作为炼铝的基本原料，以碳素材料作为阳极，以位于碳素内衬中的铝液作为阴 极，冰晶石熔体作为溶剂，通入直流电，通过电解反应，在阳极产生出二氧化碳 或一氧化碳，而在阴极产生金属铝，其基本的化学反应方程式为： a 1 2 0 3 + 3 c = 4 a l + 3 c 0 2 图2 1 铝电解结构示意图 9 ( 2 1 ) 硕士学位论文 第二章铝电解生产特点及极距影响因素分析 铝电解是在铝电解槽中进行的，电解所用的原料为氧化铝，电解质为熔融的 冰晶石，采用碳素阳极。电解作业一般是在9 4 0 - 9 6 0 。c 下进行的，电解的结果 是阴极上得到熔融铝和阳极上析出c 0 2 。由于熔融铝的密度大于电解质，因而 沉在电解质下面的炭素阴极上。熔融铝定期用真空抬包从槽中抽吸出来，装有金 属铝的抬包运往铸造车间，在那里倒入混合炉，进行成分的调配，或者配制合金， 或者经过除气和排杂质等净化作业后进行铸锭。槽内排出的气体，通过槽上捕集 系统送往干式净化器中进行处理，达到环境要求后再排放到大气中去。从整流所 供给的直流电是通过槽上的炭阳极，流经熔融电解质进入铝液层熔池和炭素阴极 的。铝液层熔池同炭块阴极联合组成了阴极，铝液的表面为阴极表面。阴极炭块 内的钢棒汇集了电流，再由地沟母线导向下一台电解槽的阳极母线【3 2 1 。氧化铝 由浓相输送系统供应的槽上料箱，在计算机控制下通过点式下料器经打壳下料加 入到电解质中。 2 1 2 铝电解节能方向 铝电解节能降耗涉及电解铝生产的方方面面，降低电压、强化电流及提高电 流效率是节能降耗的有效途径。强化电流能够增产、增效，降低电耗，值得研究 和推广。降低阳极效应系数技术基本成熟，通过控制算法，改进设备，加强管理。 提高电流效率的方式主要包括：采用添加剂降低电解温度、低氧化铝浓度、低极 距冷行程、适当的效应补偿、合理的母线配置等，可以有效地降低电耗。通过优 化技术条件，细化管理确保平稳生产，达到节能降耗的目的。 中国铝工业正面临越来越大的能源、资源和环境的压力，电耗、环保已成为 中国电解铝工业可持续发展的关键因素。研究表明，2 0 0 k a 大型预焙铝电解槽能 量空耗的途径主要有：热损失占7 6 ，电流效率损失1 0 左右，母线电压降占1 3 。 其中电能消耗是铝电解生产一个极为重要的技术经济指标，降低电耗对成本的控 制和指标完成非常重要。根据公式 矿= 1 0 3 * v o 3 3 5 5 r 1 ( 2 2 ) 其中：w 一电耗率，k w h t ：v _ 电解槽平均电压，v ；，7 一电流效率，。提高电流 效率和降低电解槽平均电压都能降低单位产品铝所需的电能消耗量。 按惯例，以铝电解每吨的综合能耗为1 5 0 0 0 k w b _ 考虑，与理论能耗5 9 9 0 k w h 相比，除去非电解用电及不可避免的能耗之外，节能的潜力是很大的。今后节能 的方向主要有两个方面：改进目前的工艺状况来挖掘节能潜力；从电解槽革新方 面寻求节能潜力。 ( 1 ) 目前工艺状况下改进的潜力 1 0 硕士学位论文第二章铝电解生产特点及极距影响因素分析 由于铝电解生产是若干台电解槽串联而成的，因此只要分析一台电解槽，找 到单台电解槽的节能潜力，便容易获得全系列的节能潜力。电解槽槽电压是指电 流进入电解槽的进电端到电流流出其出电端，两端之间的电压降。槽电压组成用 下式表示： = 魄接+ 投4 - 氏+ 解质+ 易解+ 岛撮+ 他 ( 2 - 3 ) 式中；e 槽槽电压，4 6 v ； e 连接连接母线电压分摊，0 1 5 v ，占总电压的3 3 ； e 阳极阳极电压降，0 3 0 v ，占总电压的6 5 ； e 过阳极过电压，0 6 v ，占总电压的1 3 ； e 电解质电解质电压降，1 7 5 v ，占总电压的3 8 ； e 分解氧化铝分解电压，1 2 0 v ，占总电压的2 6 1 ； e 阴极阴极电压降，0 4 5 v ，占总电压的9 8 ； e 其他阳极效应分摊等，0 1 5 v ，占总电压的3 3 ； 下面逐项分析节能的潜力： e 过阳极过电压，适当减少阳极电流密度，增大氧化铝浓度，适当增加摩尔 比，可以减小阳极过电压；但这些措施和当今的生产工艺条件如低氧化铝浓度、 低摩尔比及较高阳极电流密度有矛盾的。因此降低过电压的方向在于采用电催化 剂以及其他新技术，这些尚待进一步研究和开发。 e 阳极阳极电压降主要有阳极炭块的比电阻、阳极的电流密度、阳极同电解 质接触面积、阳极导杆的电阻以及抓头和炭块的磷生铁接触点的电阻来决定。炭 块的比电阻是最主要的，它取决于炭块的整体质量，国外先进指标阳极电压降为 0 3 v ，我国的较好指标为0 4 v ，因此阳极质量需要作更大的改进。 e 阴极阴极电压降由铝液层、阴极炭块、阴极导电钢棒三部分的电压降总和 组成。典型的阴极电压降数据为0 4 5