一种铝电解的氧化铝浓度估计方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计方法及装置，该方法包括：根据下料器容量、下料器个数、下料系数、氧化铝的消耗速率、欠量百分数以及欠量下料系数计算理论综合下料频率；根据所述理论综合下料频率确定所述正常化槽电压数据的敏感频段范围；利用平移不变小波变换对所述敏感频段内的正常化槽电压数据进行处理，得到特定的平移不变小波变换的分解层数的低频信号；所述特定的平移不变小波变换的分解层数根据所述理论综合下料频率确定；根据所述预定变换级数的低频信号，估计所述正常化槽电压数据的氧化铝浓度。本发明专利技术提高了获取的氧化铝浓度信息的准确性及运行效率。

A Method and Device for Estimating Alumina Concentration in Aluminum Electrolysis

【技术实现步骤摘要】
一种铝电解的氧化铝浓度估计方法及装置
本专利技术涉及铝电解领域，特别涉及一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计方法及装置。
技术介绍
氧化铝浓度是铝电解控制系统中的核心参数，直接影响铝电解槽的物料平衡。氧化铝浓度过低易引发阳极效应，使槽电压急剧上升，破坏电解槽的能量平衡。氧化铝浓度过高又会造成槽底沉淀，危害电解槽的稳定性，降低电流效率。因此，氧化铝浓度在线估计的准确性、及时性在提高铝电解工业技术、提升产品质量、降低生产能耗等方面有十分重要的意义。由于铝电解槽内电解质具有高温、强腐蚀等特性，氧化铝浓度在线测量困难。工业生产中，用从可在线测量的槽电压信号中提取相关信息分量估算的在线氧化铝浓度作为下料控制主要依据。因此，所提取的相关信息分量能否准确、及时地表示氧化铝浓度变化，直接影响控制系统性能。这类研究工作很少，有文献以160kA点式下料预焙槽的槽电压为研究对象，得到氧化铝浓度在线控制用滤波槽电阻的频率范围是[0,2×10-3]Hz，并无其他相关滤波槽电阻频率范围的报道。在铝电解槽大型化、超大型化的趋势下，存在400kA，500kA和600kA等多种电流强度的电解槽，且同一电流强度的电解槽也会采用不同下料策略，使用单一滤波频段设计的数字滤波器不能很好滤除槽电压的高、低频噪声，导致控制系统复杂且易给出错误的控制决策。有文献用递归式低通数字滤波器和多卡尔曼滤波器得到氧化铝下料控制用滤波槽电阻变化率，滤波器系数及滤波器的级联个数是由试验或经验确定的固定常数，存在较大随意性且存在一定的滞后，影响了在线氧化铝浓度估计的准确性和及时性。因此如何在线估计氧化铝浓度，提升准确性和及时性，成为亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术旨在提供一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计方法及装置，以实现准确且及时地估计氧化铝浓度。具体而言，本专利技术提供一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计方法，包括：根据下料器容量、下料器个数、下料系数、氧化铝的消耗速率、欠量百分数以及欠量下料系数计算理论综合下料频率；根据所述理论综合下料频率确定所述正常化槽电压数据的敏感频段范围；利用平移不变小波变换对所述敏感频段内的正常化槽电压数据进行处理，得到特定的平移不变小波变换的分解层数的低频信号；所述特定的平移不变小波变换的分解层数根据所述理论综合下料频率确定；根据所述预定变换级数的低频信号，估计所述正常化槽电压数据的氧化铝浓度。本专利技术还提供一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计装置，包括：理论频率计算单元，用于根据下料器容量、下料器个数、下料系数、氧化铝的消耗速率、欠量百分数以及欠量下料系数计算理论综合下料频率；敏感频段确定单元，用于根据所述理论综合下料频率确定所述正常化槽电压数据的敏感频段范围；小波处理单元，用于利用平移不变小波变换对所述敏感频段内的正常化槽电压数据进行处理，得到特定的平移不变小波变换的分解层数的低频信号；所述特定的平移不变小波变换的分解层数根据所述理论综合下料频率确定；浓度估计单元，用于根据所述预定变换级数的低频信号，估计所述正常化槽电压数据的氧化铝浓度。本专利技术通过基于理论综合下料频率确定敏感频段范围，进一步由利用平移不变小波变换对敏感频段内的正常化槽电压数据进行处理得到表观氧化铝浓度，该表观氧化铝浓度可以较好估计工业铝电解槽中的在线氧化铝浓度，适应实际生产中槽况的频繁变化，提高了下料控制的准确性、稳定性和及时性。附图说明并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实施例，并且与描述一起用于解释本专利技术的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。图1为槽电阻、氧化铝浓度和极距间的定性关系；图2为U1的时频分析，具体包括：(a)为U1和下料曲线；(b)为[0,0.05]Hz的IWT幅值；(c)为[0,0.01]Hz的IWT幅值；图3为氧化铝浓度正常时的正常化槽电压U1分析图，包括：(a)为U1的功率谱；(b)为U1的快速谱峭度图；(c)为U1的边缘峰度；图4为阳极效应前正常化槽电压U2分析图，包括：(a)阳极效应前的U2；(b)为U2的功率谱；(c)为U2的快速谱峭度图；(d)为U2的边缘峰度；图5为出铝后正常化槽电压U3分析图，包括：(a)为出铝后的U3；(b)为U3的功率谱；(c)为U3的快速谱峭度图；(d)为U3的边缘峰度；图6为本专利技术实施例提供的一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计方法的流程图；图7为400kA电解槽主导频率与实际综合下料频率直方图；图8为200kA电解槽主导频率与实际综合下料频率直方图；图9为用Haar、db4、la8等小波逼近正常化槽电压U1边界系数的比较图；图10中(a)示出采样期间的槽电压和下料状态；图10中(b)中MAC所指示的线为实测氧化铝浓度，TAC所指示的线为估计氧化铝浓度图；图11为本专利技术实施例提供的一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计装置的结构框图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。在详细描述实施例之前，首先从工艺机理分析出发，得到氧化铝浓度正常时，正常化槽电压与下料状态之间有着“欠升过降”的关系；再通过定义边缘峰度和主导频率得到正常化槽电压能量峰值对应的频率，并与常用的频谱分析和谱峭度方法进行了比较。1、机理和工艺分析槽电压由极化电压、电解质电压降、阳极电压降、阴极电压降和槽母线电压降组成。极化电压占槽电压15％，已有研究通过将反转电流技术(thetechniqueofcurrentreversal)与交流电桥(a-cbridge)结合，得到铝电解槽的极化电压，并指出：随着氧化铝浓度的增加，会引起极化电压的大量减少。电解质电压降占槽电压的35％～40％，电解质电压降随着氧化铝浓度的增加而减少。理论槽电压与氧化铝浓度的关系曲线，简称“U”型曲线，见图1。“U”型曲线的提出，建立了可在线测量的槽电压与不可在线测量的氧化铝浓度之间的定性关系，是现代铝电解氧化铝浓度控制的主要依据。在“U”型曲线上的中等氧化铝浓度区中，理论槽电压存在一个最小值UThLow，对应浓度CLow。若极距不变，理论槽电压最小值UThLow对应的氧化铝浓度CLow的位置随电解质组分与温度等工艺条件的不同在3％～5％的范围内波动。当氧化铝浓度高于或低于槽电压CLow时，槽电压均会升高。在极值点左侧，槽电压随浓度的降低而显著增加。当浓度降低到效应临界浓度CAE时，槽电压会急剧升高，而发生阳极效应。氧化铝浓度区间[CAE,CLow]形成的低氧化铝浓度区间称为氧化铝浓度可控区，本申请称为氧化铝浓度正常区域。通常用表观槽电阻而不直接用槽电压作为电解槽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计方法，其特征在于，包括：根据下料器容量、下料器个数、下料系数、氧化铝的消耗速率、欠量百分数以及欠量下料系数计算理论综合下料频率；根据所述理论综合下料频率确定所述正常化槽电压数据的敏感频段范围；利用平移不变小波变换对所述敏感频段内的正常化槽电压数据进行处理，得到特定的平移不变小波变换的分解层数的低频信号；所述特定的平移不变小波变换的分解层数根据所述理论综合下料频率确定；根据所述预定变换级数的低频信号，估计所述正常化槽电压数据的氧化铝浓度。

【技术特征摘要】
2019.02.03 CN 20191010865341.一种机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计方法，其特征在于，包括：根据下料器容量、下料器个数、下料系数、氧化铝的消耗速率、欠量百分数以及欠量下料系数计算理论综合下料频率；根据所述理论综合下料频率确定所述正常化槽电压数据的敏感频段范围；利用平移不变小波变换对所述敏感频段内的正常化槽电压数据进行处理，得到特定的平移不变小波变换的分解层数的低频信号；所述特定的平移不变小波变换的分解层数根据所述理论综合下料频率确定；根据所述预定变换级数的低频信号，估计所述正常化槽电压数据的氧化铝浓度。2.如权利要求1所述的机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计方法，其特征在于，所述根据所述理论综合下料频率确定所述正常化槽电压数据的敏感频段范围的步骤包括：将所述理论综合下料频率与的乘积，作为所述正常化槽电压数据的敏感频段范围的最大值；各所述氧化铝浓度正常时的正常化槽电压数据的边缘峰度对应的最小主导频率值、以及氧化铝浓度正常时的正常化槽电压数据的实际综合下料频率值均位于所述正常化槽电压数据的敏感频段范围内。3.如权利要求2所述的机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计方法，其特征在于，所述边缘峰度通过如下方式获取；设h(x)是氧化铝浓度正常时的正常化槽电压数据g(·)∈L2(IR)的希尔伯特变换，则h(x)的积分小波变换为定义g(·)的边缘峰度为设g(·)∈L2(IR)的边缘峰度为MK(f)，若M'K(fd)＝0，且M”K(fd)＜0，则fd为的g(x)主导频率。4.如权利要求1-3中任一项所述的机理与工艺知识驱动的铝电解的氧化铝浓度估计方法，其特征在于，所述过量下料开始时的序列位置为过量下料期开始位置，根据如下定义得到：设下料状态F0，定义F0的第i个欠量下料期和紧接着的一个过量下料期为F0的第i个实际综合下料周期，用四元组表示，其中，tus(i)为第i个欠量下料期开始位置，tue(i)为第i个欠量下料期结束位置，tos(i)为第i个过量下料期开始位置和toe(i)为第i个过量下料期结束位置向量；tos(i)＝tue(i)+k1和tus(i+1)＝toe(i)+k2，k1,k2∈N+；k1是转换因子1，表示第i个实际综合下料周期中欠量下料tue(i)转入过量下料tos(i)所用采样点个数；k2是转换因子2，表示第i个实际综合下料周期中过量下料结束toe(i)转入第i+1个实际综合下料周期的欠量下料开始tue(i+1)所用的采样点个数；其中，tus(i)<tue(i)<tos(i)<toe(i)；定义实际综合下料周期长度为过量下料期结束位置与欠量下料开始位置之差，即设采样时间间隔为Δt，第i个实际综合下料周期持续时间为第i个实际综合下料频率为5.如权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓方，曾朝晖，谢永芳，岳伟超，李理，吴仁超，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43