伍铁斌1，3 龙 文2 朱红求3
(湖南人文科技学院能源与机电工程系1，湖南娄底417000．贵州财经大学贵州省经济系统仿真重点实验室2，贵州贵阳550004；中南大学信息科学与工程学院，，湖南长沙410083)
摘要：针对复杂工业过程操作参数优化困难所导致的资源消耗高和产品合格率低等问题，介绍了基于机理模型的操作参数优化方法，以及基于数据黑箱模型、领域专家经验和智能集成优化模型等非机理模型的操作参数优化方法研究现状。探讨了未来复杂工业过程操作参数优化研究的方向。该研究对复杂工业过程的操作参数优化具有一定借鉴意义。
关键词：复杂工业过程参数优化节能降耗智能控制机理模型黑箱模型神经网络粒子群算法
中图分类号：TH -3；TP273 +.1 DOI:10. 16086/j. cnki. issnl000-（；380. 20160300)
0引言
复杂工业过程存在反应机理复杂、原料成分波动大、时滞大、耦合性强和环境恶劣等问题，造成过程操作参数的优化异常困难。针对复杂工业过程的难点问题，大量学者进行了深入的研究，力求在现有设备、原料和工艺流程不变的情况下，通过对过程操作参数的优化，提高产品的合格率、降低过程的资源消耗。复杂工业过程操作参数优化方法可分为基于机理模型（精确数学模型）和基于非机理模型两大类。
1基于机理模型的操作参数优化
基于机理模型的操作参数优化可简单描述为：在满足过程机理模型和工艺参数约束的基础上，求解一组操作参数，使得产品质量好、产量高且资源消耗少。
转炉吹炼是火法炼铜的重要工序，在Brinkly - Newto - Raphson方法的基础上提出了后藤模型，计算转炉熔炼过程的锍、气和渣的化学平衡，并应用于佐贺关冶炼厂的转炉熔锍吹炼过程。在后藤模型的基础上，建立了动态计算模型模拟闪速炉造锍过程，实现了该过程的操作参数优化。针对氧化铝蒸发过程中生蒸汽、能源消耗过高的问题，首先建立了基于物料平衡、热平衡蒸发过程的数学模型，并将其转化一个约束优化问题；考虑到蒸发过程包含大量的等式约束和不等式约束，提出了一种基于鲁棒函数和谷跳跃修正法的约束处理方法；然后采用涡旋粒子群算法求解蒸发过程的操作参数，得到最优化的流量、生蒸汽量等操作参数。生产应用结果证明所采用的方法可以有效降低生蒸汽的消耗。针对锌电解过程电能消耗大的问题，电解过程中酸锌比、温度等参数对电解的影响，建立了电解过程的能耗机理模型；在此基础上构建了以电耗及电费最低为目标的多目标、非线性和多约束的综合优化模型，并采用神经网络智能优化方法求解最优操作参数。工业运行结果表明，综合优化模型将电解直流电耗降到3 011.6 kWh/t，应用效果显著。碳酸化分解过程是烧结法氧化铝生产过程中的重要工序，具有多变量、大滞后和非线性等特点，在对碳酸化分解过程进行深入研究的基础上，建立了该过程的关联CSTR模型，并进一步推导出该过程的多重关联时滞非线性状态空间模型；然后在此基础上提出了基于T-S模糊模型鲁棒H∞状态反馈跟踪优化控制方法，并仿真验证了该方法的有效性。深入研究了铝电解生产机理，分析了各工艺参数和操作参数对其产生的影响，建立了基于铝电解机理的以单位能耗最小的多目标优化模型，并采用改进的差分进化算法求解最优操作参数。仿真表明，电耗降低了1. 75%。电熔镁砂生产过程具有强非线性、反应机理复杂等特点，深入研究了该过程热传导和反应机理的特点，建立了电熔镁炉与熔炼电流相关的三维非稳态温度场，并在分析电熔镁砂品位与熔炼温度关系的基础上，研究得到了基于电熔镁炉温度场的单位能耗函数；然后采用粒子群优化算法优化电熔镁炉熔炼电流。通过仿真证明，所提出的方法能降低电能的消耗、保证生产稳定。建立了锑盐除钴过程的非线性时滞关联动态反应模型，研究了基于多特征时间点的时滞优化参数选择方法求解模型中的未知参数，并在此基础上提出了连续状态不等式约束的时滞优化控制方法，求解出了最优的锌粉控制量。仿真表明，该方法非常有效。建立了砷盐净化除钴过程的串联CSTR模型，并以锌粉消耗量最小为目标，建立了除钴过程最优控制的描述；应用控制参数化方法，将最优控制问题转化为最优参数选择问题，求解出最优的锌粉添加量。生产数据仿真结果验证了该方法的可行性。
基于机理模型的操作参数优化方法需要建立较为准确的数学模型，利用智能算法等优化得到操作参数，其优化结果一般具有可靠、易于理解等优点。机理模型反映了过程变量间的复杂关系，能在大范围内反映过程变量变化的结果；但是，复杂工业过程建立机理模型一般比较困难，且机理模型一般需要对过程作许多假设，对物料平衡、能量平衡等计算模型作大量简化。因此，基于机理模型的优化效果在很多复杂情况下难以保证。
2基于非机理模型的操作参数优化
基于数据黑箱模型、专家经验和智能集成模型等非机理模型的操作参数优化方法，克服了机理模型在实际应用中遇到的困难，在冶金、化工等领域得到了广泛应用。
2.1基于数据黑箱模型的操作参数优化
针对铜闪速炉物理化学反应迅速、相关影响因素复杂多变的问题，首先建立了铜闪速熔炼过程的神经网络模型，然后采用遗传算法优化铜闪速熔炼过程的操作参数，得到能耗最低、工艺指标合理的操作参数。仿真结果表明，熔炼的能耗费用可降低4.6%。针对镍闪速熔炼过程化学反应极为复杂，具有强耦合、时变和不确定性等特点和难以建立机理模型的问题，建立了融合模糊建模和自适应模糊神经网络技术的过程优化方法。实际运行结果表明，该方法取得了较好的应用效果。硅热法炼镁过程耗能高，自动化程度较低，优化设定关键操作参数是降低高耗能的重要途径。由于该过程中相互干扰因素多，难以建立准确的机理模型，因此，采用BP神经网络建立了过程的操作参数与生产指标之间的关系模型，并以此为基础优化过程的煅烧时间、煅烧温度和配料工艺中配硅比等关键工艺参数。实际生产跟踪实验证明了所提出方法的有效性。针对带钢热连轧中板形和板厚控制困难，以及多变量、多输出、强
耦合和强非线性等特点，建立了多个子模型的多支持向量机模型，并采用PCA方法实现模型的综合输出，实现了板形、板厚的综合控制。仿真表明，所提出的方法能有效减小板形与板厚的偏差。针对电弧炉工况不稳定造成电能消耗增加和产品品质降低的问题，建立了基于SVM的多变量时延逆系统；将参数自整定的PID控制器与SVM逆控制相结合，实现过程操作参数的优化控制，能有效应对外界干扰，具有良好的动态响应性能。
2.2基于领域专家经验的操作参数优化
领域专家一般凭丰富的经验对系统进行优化控制，故基于专家知识和经验的智能优化方法也可以保证生产的稳定和优化运行。由美国Roger Schank教授提出的案例推理智能优化技术，根据过去的操作经验求解当前问题，在冶金工业中得到了广泛的应用。采用粗糙集理论从电渣重熔历史数据中获取知识和操作经验，并总结了电渣重熔生产过程的操作经验，将典型的工况及操作经验提炼成案例，并在此基础上提出了基于案例推理的操作参数优化设定方法，取得了较好的工业应用效果。电熔镁砂冶炼过程具有随机干扰严重、强非线性等特点，传统的优化方法难以满足生产要求，基于规则的电流设定方法，也是基于案例推理的冶炼电流补偿方法，被应用于某企业的电熔镁炉。生产结果表明，该方法改善了产品质量，降低了电能消耗。2.3基于智能集成优化模型的操作参数优化
采用单一的优化方法对复杂工业过程进行优化，有时难以取得理想效果。因此，许多文献将案例推理、专家系统或专家规则、操作模式优化、神经网络和支持向量机等方法集成起来，实现系统的优化运行。针对加热炉的复杂特性导致温度控制困难的问题，提出了基于专家规则的预设定模型、基于热力学机理的预测模型、动态修正模型和在线自学习模型组成的混合优化控制模型。当钢坯加热过程边界条件发生变化时，该模型能自动更新钢坯加热中不
同加热区间的最优温度设定值，仿真与工业实验证明了该模型的有效性，在热工过程具有广阔的应用前景。针对竖炉焙烧中关键工艺指标磁选管回收率(magnetic tube recovery rate,MTRR)不能在线测量，且MTRR与燃烧室的温度、还原煤气的流量和矿石搬出时间等具有强非线性、强耦合关系，并受操作条件影响的复杂特点，研究建立了混合智能控制器。该控制器由基于案例推理的预设定模型、MTRR预测模型、前馈与反馈补偿模型、基于专家规则的故障工况诊断模型和基于案例推理的容错控制模型组成。工业应用结果表明，基于混合智能控制器的竖炉焙烧系统运行稳定，MTRR能准确地控制在期望范围，取得了显著的应用效果。针对铝土矿磨矿过程的强非线性、强耦合和时变性等问题，建立了融合基于案例推理的预设定模型、基于神经网络的预测模型和模糊调整模型的最优控制模型。这三个子模型的有效融合，提高了优化控制模型的性能。工业应用效果表明，融合后的系统降低了磨矿过程的电能消耗，提高了磨矿系统的运行效率。针对铅锌冶炼密闭鼓风炉熔炼过程的强非线性、强耦合和反应机理复杂所导致优化困难的问题，在深入研究生产过程中存在问题的基础上，先建立了基于数据方法的锌产量预测模型，然后根据专家规则判断炉况特点，再结合模糊聚类技术建立了密闭鼓风炉过程操作参数优化模型；通过工业生产验证了所提出的混合优化方法的有效性。针对铜闪速熔炼过程气、固、液共存，反应复杂且迅速，工艺指标不能在线检测的问题，研究提出了基于历史工业数据和专家经验的操作模式与模糊神经网络相结合的优化方法。工业运行结果表明，冰铜品位提高了0.5%，冰铜温度波动范围缩小了50 K，炉渣含铜量下降0.1%，取得了显著的应用效果。铝电解槽底层控制回路的设定值如果不合理，将导致电流效率的降低、电能消耗增加，而设定值与电流效率、电能消耗之间耦合性强，难以精确建模，导致常规的方法难以实现系统优化运行。建立了基于案例推理、规则推理、神经网络的混合优化控制方法，并应用于中铝某电解铝厂。工业运行结果表明，槽控系统运行平稳，电流效率提升了4%。建立了如图1所示的融合模糊操作模式、基于灰色模糊LSSVM的工艺指标预测模型和专家规则的操作参数协同优化方法，并应用于砷盐净化除钴过程操作参数的优化。验证结果表明，所提出的操作协同优化方法提高了产品的合格率并降低了资源消耗，净化后的硫酸锌溶液合格率提高了6.7%，主要资源消耗节约了8.2%，取得了明显的效果。
虽然复杂工业过程优化取得了大量研究成果，但是并没有形成普遍适用的优化方法，对于不同的工业过程，需要采用针对性的优化方法。智能集成优化方法具有很强的自适应性和良好的应用效果，将在复杂工业过程优化中发挥重要作用。复杂工业过程朝着高度集成化、大型化发展，将导致约束条件增加、目标函数难以显式表示和工况变化频繁等问题。为实现原材料和能量的高效利用，复杂约束条件下隐式目标函数和工况迁移的操作参数优化将成为将来研究的热点。
