一種濕法煉鋅電解過(guò)程電解液酸鋅比控制方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種濕法煉鋅電解過(guò)程電解液酸鋅比控制方法，針對(duì)鋅電解過(guò)程電解液酸鋅比難以自動(dòng)控制的問(wèn)題，以電解液酸鋅比為控制目標(biāo)，首先建立鋅電解過(guò)程非線性模型，然后采用輸入輸出反饋線性化的方法對(duì)該非線性模型進(jìn)行線性化，間接獲得新液流量與電解液酸鋅比的線性關(guān)系，最后采用反饋控制的方法實(shí)現(xiàn)電解液酸鋅比漸進(jìn)跟蹤控制；使酸鋅比迅速、精確的達(dá)到設(shè)定值，對(duì)于鋅電解過(guò)程的節(jié)能降耗具有十分重要的意義。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
-種濕法煉巧電解過(guò)程電解液酸巧比控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于濕法煉鋒電解過(guò)程控制技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種濕法煉鋒電解過(guò)程電解液 酸鋒比控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電解是鋒濕法冶煉最為關(guān)鍵的工序，其能耗約占整個(gè)鋒冶煉過(guò)程的75%-80%。其 反應(yīng)原理是在硫酸鋒溶液中通入直流電，使鋒離子W單質(zhì)形式析出。鋒電解過(guò)程對(duì)電解液 中硫酸和鋒離子濃度之比下簡(jiǎn)稱(chēng)酸鋒比）要求非?？量獭Ｊ茈娰M(fèi)分時(shí)計(jì)價(jià)政策影響，國(guó) 內(nèi)鋒電解過(guò)程多采用分時(shí)供電方式進(jìn)行生產(chǎn)，當(dāng)電流密度改變時(shí)，需要相應(yīng)地調(diào)節(jié)電解液 酸鋒比W降低電解過(guò)程能耗。
[0003] 電解液的酸鋒離子濃度主要依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)電解過(guò)程中酸鋒離子濃度和 操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)控。影響電解液酸鋒比的因素復(fù)雜多樣，如電流密度、新液離子濃度、新液 流量、廢液流量等。實(shí)際生產(chǎn)中，電流密度主要由電力調(diào)度部口根據(jù)分時(shí)電價(jià)決定，新液離 子濃度由上游凈化工段決定，而廢液流量基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，現(xiàn)場(chǎng)工人僅能夠調(diào)節(jié)新 液流量實(shí)現(xiàn)對(duì)酸鋒比的控制。然而，受鋒電解過(guò)程多槽禪合反應(yīng)特性的影響，新液流量與電 解液酸鋒比之間存在強(qiáng)非線性關(guān)系，采用人工經(jīng)驗(yàn)控制的方法往往不能獲得期望的控制效 果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供了一種濕法煉鋒電解過(guò)程電解液酸鋒比控制方法，其目的在于，克服 現(xiàn)有技術(shù)中新液流量與電解酸鋒比無(wú)法進(jìn)行線性測(cè)量的問(wèn)題。
[0005] -種濕法煉鋒電解過(guò)程電解液酸鋒比控制方法，首先建立鋒電解過(guò)程非線性模 型;然后采用輸入輸出反饋線性化的方法對(duì)構(gòu)建的非線性模型進(jìn)行線性化，得到新液流量 與電解液酸鋒比的線性關(guān)系;最后，W設(shè)定的電解液酸鋒比為控制目標(biāo)，采用反饋控制的方 法對(duì)電解液酸鋒比漸進(jìn)跟蹤控制。
[0006] 所述鋒電解過(guò)程非線性模型是基于混合液槽、電解槽及廢液槽中酸鋒離子物料平 衡過(guò)程獲得，具體如下：
[0007]
[000引式中，Cl. 1為新液鋒離子濃度，通過(guò)人工測(cè)量獲得;Vi、V2、V3分別為混合液槽、電解 槽、廢液槽中硫酸鋒溶液的體積;C2.1、C2.2分別為混合液中鋒離子、硫酸濃度，C3.1、C3.2分別 為電解液中鋒離子、硫酸濃度，C"、C4.2分別為廢液中酸鋒離子濃度，均通過(guò)人工測(cè)量獲得； 化、化分別為新液流量和廢液流量，廢液流量為恒定量，新液流量為控制量。
[0009] 實(shí)際生產(chǎn)中廢液流量化基本上保持恒定狀態(tài)，因此僅通過(guò)調(diào)節(jié)新液流量W控制電 解液酸鋒比。
[0010] 所述采用輸入輸出反饋線性化的方法對(duì)構(gòu)建的非線性模型進(jìn)行線性化，得到新液 流量與電解液酸鋒比的線性關(guān)系是指獲得電解液酸鋒比與新的輸入變量V之間的一階微分 線性關(guān)
[0011]
[0012] 具甲，新W卿八雙量V是對(duì)非線性模型進(jìn)行線性化變化后定義的單輸入變量。
[0013] 將原系統(tǒng)中無(wú)法直接求解的新液流量與電解液酸鋒之間的非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化為利 用新定義的原系統(tǒng)單輸入變量和電解液酸鋒比之間的線性關(guān)系來(lái)間接求解。
[0014] 非線性模型的簡(jiǎn)要表達(dá)形式如下：
[0015]
[00W 其中，X=[X1，X2,......，X6]T=[C2.1，C2.2,......，〔4. 2iT為狀態(tài)變量分別表示鋒電解全
流程中不同位置的鋒酸離子濃度;F(x)表示非線性模型中的線性項(xiàng)，G(X)U表示非線性模型 中的非線性項(xiàng);U =化為控制變量，輸出為H(X) = C3.2/C3.1 = Wx3，即電解液中硫酸濃度和鋒 離子濃度之比；
[0017] 首先，對(duì)輸出進(jìn)行求導(dǎo)
[0018] 然后進(jìn)行輸入變化，巧
[0019] 運(yùn)樣，得到輸出y與變換后的新輸入V之間的線性關(guān)系；
[0020] 所述采用反饋控制的方法對(duì)電解液酸鋒比漸進(jìn)跟蹤控制是指采用比例控制實(shí)現(xiàn) 對(duì)電解液酸鋒比對(duì)其設(shè)定值的跟蹤控制：
[0021] W實(shí)時(shí)的電解液酸性比和電解液酸鋒比的控制目標(biāo)設(shè)定值之間的實(shí)時(shí)差值作為 控制因量，控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)差值為0;利用實(shí)時(shí)差值計(jì)算獲得新的輸入量
，從而獲取新液流量的實(shí)時(shí)調(diào)控值化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電解液酸鋒比的跟蹤
控制；
[0022]
[0023] 其中
[0024] 式中，e為電解液酸鋒比實(shí)際值與控制目標(biāo)設(shè)定值的實(shí)時(shí)差值，e = C3.2/c3.Hc3.2/ 。3.1)36*，（。3.2八3.1)36*為酸鋒比控制目標(biāo)設(shè)定值;4為比例控制系數(shù)，取值范圍為取0.015- 0.02；
[00巧]rzn、心、苗分別為整個(gè)電解車(chē)間的鋒離子消耗速率、硫酸消耗速率及生成速率， Mzn、心為鋒和硫酸的摩爾質(zhì)量，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，Mzn、％犧和F為固定值;Ncell為電解槽 數(shù)量，Nplate為電解槽內(nèi)陰陽(yáng)極板對(duì)數(shù)；S為極板面積;Ncell、Nplate、S根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備確 定；
[00%] e為電流效率，表示鋒電解生產(chǎn)中實(shí)際的鋒產(chǎn)量與通入電量的理論產(chǎn)量之比：
[0027] e =日0+日1〇+日2〇2+日3〇3+日4〇4
[0028] 其中，0為電流密度，曰日，曰1，曰2，曰3，^14均為為模型待辨識(shí)參數(shù)，通過(guò)收集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù) 據(jù)采用最小二乘法對(duì)模型待辨識(shí)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，所述現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括電流效率、電流密 度、電解液酸鋒離子濃度新液鋒離子濃度，電解槽數(shù)、每個(gè)電解槽極板對(duì)數(shù)、極板面積、混合 液槽、電解槽、廢液槽體積。
[0029] 選擇新輸入為其中k為比例控制系數(shù)，并帶入
中即可求的新液流量化。
[0030] 令e = C3.2/c3.廣03.2八3.1|36*，其中03.2八3.1|36*為期望輸出，即期望獲得的電解液酸 鋒比，
變化成為 :3'1-C3.2/ 即系統(tǒng)控
[0032] 有益效果
[0033] 本發(fā)明公開(kāi)了一種濕法煉鋒電解過(guò)程電解液酸鋒比控制方法，針對(duì)鋒電解過(guò)程電 解液酸鋒比難W自動(dòng)控制的問(wèn)題，W電解液酸鋒比為控制目標(biāo)，首先建立鋒電解過(guò)程非線 性模型，然后采用輸入輸出反饋線性化的方法對(duì)該非線性模型進(jìn)行線性化，間接獲得新液 流量與電解液酸鋒比的線性關(guān)系，最后采用反饋控制的方法實(shí)現(xiàn)電解液酸鋒比漸進(jìn)跟蹤控 審IJ;巧妙的將多個(gè)參數(shù)變量與酸鋒比之間的非線性化的關(guān)系轉(zhuǎn)化成新液流量與酸鋒比之間 的線性化關(guān)系，使酸鋒比迅速、精確的達(dá)到設(shè)定值，對(duì)于鋒電解過(guò)程的節(jié)能降耗具有十分重 要的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1為鋒電解過(guò)程電解液循環(huán)示意圖；
[0035] 圖2為鋒電解過(guò)程電解液酸鋒比控制效果對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0037] -種濕法煉鋒電解過(guò)程電解液酸鋒比控制方法，具體實(shí)施步驟如下：
[0038] 第一步:在線計(jì)算鋒電解過(guò)程電解液酸鋒離子濃度
[0039] 步驟1:辨識(shí)電流效率方程中的未知參數(shù)
[0040] 收集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的包含電流效率、電流密度、電解液酸鋒離子濃度、數(shù)據(jù)項(xiàng)的 數(shù)據(jù)記錄，形成辨識(shí)樣本集，采用最小二乘法對(duì)方程中的5個(gè)未知參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)：
[0041 ] e =日0+日1〇+日2〇2+日3〇3+日4〇4
[0042] ao = 62.07268
[0043] ai = 0.28154
[0044] 32 = -0.00109
[0045] 33=1.9038*10-6
[0046] 34=-1.231*10-9
[0047] 步驟2:計(jì)算電解液酸鋒離子反應(yīng)速率
[004引 rZn = MznNcellNplateDSe/2F
[0049]
[(K)加]
[0化1] 式中，rzn、墻、《分別為整個(gè)電解車(chē)間的鋒離子消耗速率及硫酸消耗及生成速率， Mzn、A/HW,為鋒和硫酸的摩爾質(zhì)量，Ncell為電解槽數(shù)量，Nplate為電解槽內(nèi)陰陽(yáng)極板數(shù)，S為極 板面積，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。
[0052]步驟3:按照W下公式計(jì)算鋒電解過(guò)程電解液酸鋒離子濃度 [0化3]
123 第二步:對(duì)鋒電解過(guò)程非線性模型進(jìn)行輸入輸出反饋線性化； 2 步驟1:將鋒電解多槽禪合反應(yīng)模型轉(zhuǎn)換成單輸入單輸出仿射性非線性模型； 3 考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，給出如下兩個(gè)假設(shè)：（1)S個(gè)反應(yīng)槽內(nèi)溶液混合均勻；（2)新 液中只含鋒離子而不含酸離子。
[0057]即廢液流量幾乎保持不變，因此可將鋒電解多槽禪合反應(yīng)模型寫(xiě)成如下單輸入單 輸出仿射性非線性系統(tǒng)：
[0化引
[0059] 其中，X=[X1，X2,……，X6]T=[C2.1，C2.2,……，C4.2]T為狀態(tài)變量分別表示鋒電解過(guò) 程中不同位置的鋒酸離子濃度。
[0060] 控制量為新液流量，輸出量可W表示為：
[0061] H(X) =C3.2/C3.1 = X4/X3
[0062] 即獲得單輸入單輸出仿射性非線性系統(tǒng)。
[0063] 步驟2:判斷單輸入單輸出仿射性非線性模型相對(duì)階；
[0064] 通過(guò)計(jì)算非線性系統(tǒng)的李導(dǎo)數(shù)，判斷其相對(duì)階，其計(jì)算公式如下：
[00 化]
[0066] 由于非線性系統(tǒng)的李導(dǎo)數(shù)不為0,因此其相對(duì)度為1，且小于系統(tǒng)狀態(tài)變量個(gè)數(shù)，因 此系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)精確的輸入-狀態(tài)反饋線性化，但是能實(shí)現(xiàn)輸入-輸出反饋線性化。
[0067] 即通過(guò)對(duì)輸出進(jìn)行求導(dǎo)，找出輸出與輸入的直接關(guān)系。
[0068] 步驟3:對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行輸入輸出反饋線性化
[0069] 首先，對(duì)輸出進(jìn)行求導(dǎo)：
[0070；
[0071:
[0072；
[0073] 式中，V為新的輸入。
[0074] 利用對(duì)輸出求導(dǎo)獲得的表達(dá)式和利用新的輸入量V表達(dá)式獲得新液流量與新的輸 入量V之間的表達(dá)式：
[0075]
[0076] 得到輸出y與變換后的輸入V之間的線性關(guān)系，即
[0077]
[0078] 第=步:基于輸入輸出反饋線性化的新液流量設(shè)定
[0079] 在第二步所得輸出與新輸入的線性關(guān)系基礎(chǔ)上，設(shè)定新輸入量的值，使得系統(tǒng)輸 出達(dá)到設(shè)定值。令e = y-yset
[0080] 其中yset為期望輸出，設(shè)定新輸入為：
[0081] 可W得到系統(tǒng)關(guān)于跟隨誤差微分方；
[0082] 貝1J當(dāng)k〉0時(shí)，就韋
ie按指數(shù)規(guī)律衰減，運(yùn)樣，系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)跟蹤控 審IJ，根據(jù)多次試驗(yàn)結(jié)果，k取值為0.015較為合適。
[0083] 圖2為采用該酸鋒比控制方法與采用經(jīng)驗(yàn)控制方法的電解液酸鋒比控制效果對(duì) tt，仿真時(shí)間為36小時(shí)。并采用最大絕對(duì)誤差(maximum absolute error ,MAXE)，平均絕對(duì) 誤差（mean absolute error,MAE)和均方根誤差（root mean square error,RM沈）來(lái)描述 兩種控制方法的控制性能指標(biāo)如表1所示。結(jié)果表明，相比于經(jīng)驗(yàn)控制，本發(fā)明所提出的控 制方法使電解液酸鋒比與目標(biāo)值的MAXE、MAE、RMSE分別降低了 12.86%、11.38%和2.98%， 實(shí)現(xiàn)了電解液酸鋒比的跟蹤控制，且能有效的減少電解液酸鋒比的波動(dòng)。
[0084] 表 1
[0085]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種濕法煉鋅電解過(guò)程電解液酸鋅比控制方法，其特征在于，首先建立鋅電解過(guò)程 非線性模型；然后采用輸入輸出反饋線性化的方法對(duì)構(gòu)建的非線性模型進(jìn)行線性化，得到 新液流量與電解液酸鋅比的線性關(guān)系;最后，以設(shè)定的電解液酸鋅比為控制目標(biāo)，采用反饋 控制的方法對(duì)電解液酸鋅比漸進(jìn)跟蹤控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述鋅電解過(guò)程非線性模型是基于混合液 槽、電解槽及廢液槽中酸鋅離子物料平衡過(guò)程獲得，具體如下：式中，&. i為新液鋅離子濃度，通過(guò)人工測(cè)量獲得;Vi、V2、V3分別為混合液槽、電解槽、廢 液槽中硫酸鋅溶液的體積;C2.1、C2.2分別為混合液中鋅離子、硫酸濃度，C3.1、C3.2分別為電解 液中鋅離子、硫酸濃度，C4. i、C4.2分別為廢液中酸鋅離子濃度，均通過(guò)人工測(cè)量獲得;Qi、〇2分 別為新液流量和廢液流量，廢液流量為恒定量，新液流量為控制量。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述采用輸入輸出反饋線性化的方法對(duì)構(gòu) 建的非線性模型進(jìn)行線性化，得到新液流量與電解液酸鋅比的線性關(guān)系是指獲得電解液酸 鋅比與新的輸入變量v之間的一階微分線性關(guān)系：其中，新的輸入變量v是對(duì)非線性模型進(jìn)行線性化變化后定義的單輸入變量。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述采用反饋控制的方法對(duì)電解液酸鋅比 漸進(jìn)跟蹤控制是指采用比例控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電解液酸鋅比對(duì)其設(shè)定值的跟蹤控制： 以實(shí)時(shí)的電解液酸性比和電解液酸鋅比的控制目標(biāo)設(shè)定值之間的實(shí)時(shí)差值作為控制因量，控制目標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)差值為〇;利用實(shí)時(shí)差值計(jì)算獲得新的輸入量 從而獲取新液流量的實(shí)時(shí)調(diào)控值&，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電解液酸鋅比的跟蹤控制；式中，e為電解液酸鋅比實(shí)際值與控制目標(biāo)設(shè)定值的實(shí)時(shí)差值， 〇3.1)^，（〇3.2/〇3.1)^為酸鋅比控制目標(biāo)設(shè)定值汴為比例控制系數(shù)，取值范圍為0.015- 0.02； G,、4、€分別為整個(gè)電解車(chē)間的鋅離子消耗速率、硫酸消耗速率及生成速率，Mzn、 為鋅和硫酸的摩爾質(zhì)量，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，Mzn和F為固定值;Nc^n為電解槽數(shù) 量，NPi ate為電解槽內(nèi)陰陽(yáng)極板對(duì)數(shù);S為極板面積;Nceii、NPiate、S根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況具體確 定； e為電流效率，表示鋅電解生產(chǎn)中實(shí)際的鋅產(chǎn)量與通入電量的理論產(chǎn)量之比： e = ao+aiD+a2D2+a3D3+a4D4 其中，D為電流密度，&〇，&1，&2， &3，&4均為為模型待辨識(shí)參數(shù)，通過(guò)收集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采 用最小二乘法對(duì)模型待辨識(shí)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，所述現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括電流效率、電流密度、電 解液酸鋅離子濃度新液鋅離子濃度，電解槽數(shù)、每個(gè)電解槽極板對(duì)數(shù)、極板面積、混合液槽、 電解槽、廢液槽體積。
【文檔編號(hào)】C25C7/06GK106048662SQ201610343361
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】陽(yáng)春華, 鄧仕鈞, 李勇剛, 朱紅求, 劉文德
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)