濕法煉鋅凈化過程建模及基于控制參數(shù)化的優(yōu)化方法.pdf

1、濕法煉鋅凈化過程是除去硫酸鋅溶液中雜質(zhì)金屬離子的一個(gè)重要生產(chǎn)環(huán)節(jié),在該過程中,根據(jù)每小時(shí)化驗(yàn)檢測的凈化反應(yīng)槽入口和出口的雜質(zhì)金屬離子濃度,添加鋅粉置換溶液中的雜質(zhì)離子,為后續(xù)電解過程提供合格的電解液。鋅粉作為沉淀除雜的主要原料,是一個(gè)十分重要的控制條件。由于凈化過程具有長流程、時(shí)滯、非線性、動(dòng)態(tài)變化等特性,過程工況參數(shù)的改變要經(jīng)過一段時(shí)間才能反映到出口雜質(zhì)金屬離子濃度的變化；另外,雜質(zhì)金屬離子濃度在生產(chǎn)現(xiàn)場中沒有實(shí)現(xiàn)在線檢測,人工化驗(yàn)檢

2、測和凈化反應(yīng)的滯后,使得操作工不能準(zhǔn)確地根據(jù)離子濃度的變化情況來調(diào)整鋅粉的添加量。同時(shí),由于凈化反應(yīng)復(fù)雜,反應(yīng)環(huán)境惡劣,操作工通常采用過量添加鋅粉的方法來保證生產(chǎn)出合格的硫酸鋅溶液。這種做法,雖然保證了溶液凈化的質(zhì)量,但卻極大地增加了生產(chǎn)成本和能耗。
　　 硫酸鋅溶液凈化過程采用三段凈化工序,其中Ⅱ段凈化工序主要是除去溶液中的雜質(zhì)鈷和鎘離子,是整個(gè)凈化過程中最關(guān)鍵的一道工序。論文在深入研究凈化過程工藝和反應(yīng)機(jī)理的基礎(chǔ)上,首先依據(jù)

3、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù),建立Ⅱ段凈化過程出口雜質(zhì)離子濃度的智能預(yù)測模型；其次,根據(jù)鋅粉顆粒與金屬離子間的置換沉淀反應(yīng)機(jī)理,結(jié)合生產(chǎn)工況的特點(diǎn),建立凈化除雜的動(dòng)態(tài)反應(yīng)模型,并提出基于控制參數(shù)化技術(shù)的優(yōu)化控制方法,最后,將其運(yùn)用到鋅粉添加量的優(yōu)化控制方案中,取得了明顯的成效。本文主要研究工作及創(chuàng)新性成果如下：
　　 (1)在對硫酸鋅溶液凈化過程深入分析的基礎(chǔ)上,針對Ⅱ段凈化過程出口雜質(zhì)金屬離子濃度的重要性,根據(jù)生產(chǎn)過程中的大量工況數(shù)據(jù),建立Ⅱ

4、段凈化過程出口鈷離子和鎘離子濃度的在線支持向量回歸預(yù)測模型。由于在線支持向量回歸算法中存在復(fù)雜的矩陣運(yùn)算,提出采用分塊矩陣的迭代更新法求解,以提高計(jì)算效率?；谏a(chǎn)數(shù)據(jù)的仿真分析說明模型具有良好的預(yù)測性能,明顯提高計(jì)算速度,能為生產(chǎn)操作提供參考,進(jìn)一步指導(dǎo)鋅粉添加量的優(yōu)化控制。
　　 (2)研究金屬離子的置換反應(yīng)機(jī)理,其中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為鋅粉顆粒置換沉淀鈷和鎘離子的反應(yīng)過程,結(jié)合硫酸鋅溶液凈化過程的特點(diǎn),以連續(xù)攪拌反應(yīng)釜模型

5、為基礎(chǔ),分別以鈷離子和鎘離子濃度作為狀態(tài)變量,提出鋅粉凈化除雜質(zhì)離子的非線性時(shí)滯關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)反應(yīng)模型。
　　 (3)提出基于控制參數(shù)化的數(shù)值優(yōu)化方法,解決非線性時(shí)滯關(guān)聯(lián)動(dòng)態(tài)反應(yīng)模型中的參數(shù)計(jì)算問題。其基本思想是把控制量表示成分段常數(shù)函數(shù)形式,整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的非線性動(dòng)態(tài)方程則被轉(zhuǎn)化為與各個(gè)控制參數(shù)相應(yīng)子區(qū)間內(nèi)的線性動(dòng)態(tài)方程。為求解最優(yōu)動(dòng)態(tài)模型參數(shù),依據(jù)采樣點(diǎn),即特征時(shí)間點(diǎn)上的實(shí)際離子濃度檢測數(shù)據(jù),提出基于多特征時(shí)間點(diǎn)的優(yōu)化參數(shù)選擇方法,

6、以確定動(dòng)態(tài)模型中的未知參數(shù)。通過把該類優(yōu)化參數(shù)選擇問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)規(guī)劃問題,每個(gè)模型參數(shù)與控制參數(shù)都被當(dāng)作是決策變量,并推導(dǎo)出目標(biāo)函數(shù)對于這些決策變量的梯度計(jì)算公式。給定參數(shù)初始值的情況下,利用序列二次規(guī)劃優(yōu)化方法來求解最優(yōu)參數(shù)選擇問題。針對求解時(shí)滯微分方程的特殊性,提出采用三次方樣條插值擬合函數(shù),依據(jù)采樣時(shí)刻的離子濃度檢測值,建立初始時(shí)刻以前的離子濃度狀態(tài)函數(shù)。通過采用基于多特征時(shí)間點(diǎn)的時(shí)滯優(yōu)化參數(shù)選擇問題的數(shù)值計(jì)算方法,可以有效求得最

7、優(yōu)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型參數(shù)。
　　 (4)針對實(shí)際生產(chǎn)中鋅粉總是被過量添加的情況,提出基于連續(xù)狀態(tài)不等式約束的時(shí)滯優(yōu)化控制方法,解決鋅粉添加量的最優(yōu)控制問題。通過采用局部光滑技術(shù)的約束轉(zhuǎn)換方法,將連續(xù)狀態(tài)不等式約束轉(zhuǎn)化為一系列規(guī)范型的不等式約束,這些不等式約束的形式和目標(biāo)函數(shù)保持一致?？刂坪瘮?shù)依然被表示成分段常數(shù)函數(shù)形式,每個(gè)控制參數(shù)都被認(rèn)為是決策變量,并推導(dǎo)出目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)對于決策變量的梯度計(jì)算公式。最后,采用基于梯度的序列二次

8、規(guī)劃優(yōu)化方法來求解該優(yōu)化控制問題,數(shù)值仿真表明鋅粉添加量可以有效地被減少。
　　 (5)基于梯度的序列二次規(guī)劃方法是一種局部優(yōu)化算法,針對優(yōu)化計(jì)算過程中容易陷入局部最優(yōu)值的問題,提出采用基于填充函數(shù)全局優(yōu)化的鋅粉量時(shí)滯優(yōu)化控制方法,解決后續(xù)時(shí)段鋅粉添加量的最優(yōu)控制問題。作為表示鋅粉添加量的控制函數(shù)依然采用分段常數(shù)函數(shù)形式,以離線優(yōu)化計(jì)算得到的最優(yōu)控制參數(shù)作為在線優(yōu)化控制的參數(shù)初始值,可以有效提高尋優(yōu)效率。以基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的在線支持