一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法技术

本发明专利技术涉及湿法冶金反应器技术领域，具体公开了一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法，包括依次进行的入口条件感知模型的建立、工况感知模型的建立和出口技术指标感知模型的建立，其中，入口条件感知模型又包括机理模型、数据模型和集成模型，工况感知模型设立有工况划分方法和在线感知，出口技术指标感知模型在不同工况搭建有机理模型、数据模型和集成模型，解决了传统的现有湿法冶金反应器的仅依靠出口技术指标建模评价过程反应状态，未考虑入口条件和工况变化的影响，存在反应状态评价不准确的问题。反应状态评价不准确的问题。反应状态评价不准确的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法


[0001]本申请涉及湿法冶金反应器
，具体公开了一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法。

技术介绍

[0002]过程模型是支持工业过程最优运行的基础。基本的生产单元将能够进行自主决策、交互和协调操作。综合感知基本生产单元的反应状态对于实现过程的优化运行至关重要。
[0003]湿法冶金是一种典型的过程制造工业，湿法冶金反应器是湿法冶金过程中的基础生产单元。在每个湿法冶金反应器中，多个物理化学反应同时进行，形成一种动态平衡。各反应的进行程度一方面受到入口条件波动的影响，另一方面其又会影响最终出口的关键技术指标。出口技术指标是表征过程运行效果的关键指标，但考虑到其与入口条件、工况间的关联关系，仅对出口技术指标进行建模不足以全面表达过程的反应状态。
[0004]湿法炼锌是一种典型的湿法冶金过程，其主要由焙烧、浸出、净化和电解过程组成。其中净化工序是锌湿法冶炼生产过程中重要的环节之一，其运行效果不仅直接关系最终的产品质量，同时也会影响后续电解过程的生产安全。
[0005]净化过程用于将含有的其他杂质金属离子的硫酸锌溶液中的杂质离子的浓度下降到工艺指标要求的范围内，主要包括除铜工序和除钴工序。除铜工序一般由两个连续的反应器组成，但往往只使用一个反应器便能达到生产的目标。除钴工序一般由5个连续的反应器组成，其主要的除钴反应发生在一号位反应器中。除铜工序与除钴工序之间并非相互独立，除铜工序出口剩余的铜离子可以在一定程度上促进除钴反应的正向进行。因而一号位反应器内部的反应机理也最为复杂，一号位反应器的除杂效果也直接影响了最终的除杂效果，故现场的控制一般也只针对一号位反应器。
[0006]对于除钴工序，一号位反应器出口的钴离子浓度是表征该反应器运行效果的重要参数，但受到现场生产环境恶劣、检测装置的限制等因素的影响，其值无法实现在线检测。现场往往通过人工定时化验的方式来获取这一关键技术指标，这种方式不仅耗费大量的人力物力，也会导致关键技术指标获得的延迟，可能会导致控制人员因为无法及时获取过程信息而导致控制的不及时。因此，需要通过构建过程模型来估计这一关键技术指标。
[0007]现有技术中，提出过对除铜工序中的竞争
‑
连续反应体系进行动力学建模，提出了针对不同工业条件的自适应参数优化选择策略。在系统模型中，除杂反应之一的铜置换由表面控制的一级速率方程描述；氧化亚铜沉淀作为另一种除杂反应，由非催化流固反应的收缩核模型描述。进而考虑到实际去除过程的复杂性和变化性，使用了最优选择策略以解决参数估计问题。根据系统模型性能对工业工况进行自适应分类，然后针对不同的工业工况通过进化算法和粒子群优化算法优化选择动力学参数。最后将该动力学模型应用于除铜工序出口铜离子浓度的软测量，结果表明该模型有效地捕捉了除铜工序铜离子变化的趋势。
[0008]但，该方法无法包含所有的过程参数，故无法包含所有的过程信息，因而并不能实现对出口铜离子浓度的完全、准确估计。
[0009]在流程工业领域，即重金属废水处理的电絮凝过程中，出口处重金属离子浓度的获取需要长期分析，导致过程控制滞后等诸多问题。现有技术中提出过电凝过程重金属离子浓度预测模型。首先基于电极反应和吸附动力学的机理分析，提出了一种新的电凝过程动力学模型。然后，引入了一种工业条件分类和均衡方法，以及一种称为状态转移算法的元启发式方法来优化未知模型参数。之后，应用基于数据的ANNs
‑
ARIMA模型来补偿误差，以克服工业过程不确定性引起的动力学模型的缺点。最后，将动力学模型和补偿模型并联起来，建立了重金属离子浓度的综合预测模型。实验结果表明，集成模型具有较高的准确性和可操作性。
[0010]但，该方法仅是孤立地针对出口技术指标进行建模，并未考虑过程入口条件对工况的影响以及工况变化对出口技术指标的影响。因此这种模型是对整个反应过程的不完全描述。
[0011]因此，专利技术人有鉴于此，提供了一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法，以便解决上述问题。

技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于解决传统的现有湿法冶金反应器的仅依靠出口技术指标评价过程反应状态，未考虑入口条件和工况的影响，存在反应状态评价不准确的问题。
[0013]为了达到上述目的，本专利技术的基础方案提供一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法，包括如下步骤：
[0014]步骤A：进行入口条件感知模型的建立：
[0015]步骤A01：机理模型的建立；
[0016]步骤A02：数据模型的建立；
[0017]步骤A03：结合机理模型和数据模型进行集成模型的建立；
[0018]步骤B：工况感知模型的建立：
[0019]步骤B01：工况划分方法的设立；
[0020]步骤B02：在线感知的设立；
[0021]步骤C：出口技术指标感知模型的建立：
[0022]步骤C01：由步骤B中划分的不同工况，针对不同工况分别进行对应的机理模型的建立；
[0023]步骤C02：由步骤B中划分的不同工况，针对不同工况分别进行对应的数据模型的建立；
[0024]步骤C03：结合机理模型和数据模型进行集成模型的建立；
[0025]机理模型用于表征过程的反应原理，数据模型用于描述变量间复杂的时空关系，集成模型是融合机理模型和数据模型获得的新模型；
[0026]工况划分方法用于定义不同的工况，基于反应速率实现离线划分，在线感知通过提取动态特征，建立动态特征与工况类别之间的关系，当系统运行时，基于当前的动态特征得到对应的工况类别，以实现对工况的在线感知。
[0027]进一步，在步骤A01中，机理模型基于一阶反应动力学方程构建，获得铜离子浓度大致范围。
[0028]进一步，在步骤A02中，采用门控循环单元网络来构建除铜工序的数据模型，并基于互相关时延分析算法来确定除铜工序和除钴工序之间的时空关系所造成的时间延迟。
[0029]进一步，在步骤A03中，集成模型基于模糊推理方法建立。
[0030]进一步，在步骤B01中，工况划分方法是基于反应速率进行划分的，反应速率的表达式如下：
[0031][0032]其中，c
in
和c分别表示反应器的入口和出口的杂质离子的浓度，f
in
表示反应器的入口流量，f
out
表示出反应器的口流量，V表示反应器的体积，V的值为定值450，k表示反应速率，t表示时间。
[0033]进一步，在步骤B01中，还设立有用于客观判断反应速率分类的带有判断单元的K
‑
means++算法，具体的，算法流程如下：
[0034]步骤S：初始中心的确定：
[0035]步骤S01：从数据集中随机选择一个样本x作为初始聚类中心c1；
[0036]步骤S02：计算每个样本x
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤A：入口条件感知模型的建立：步骤A01：机理模型的建立；步骤A02：数据模型的建立；步骤A03：结合机理模型和数据模型进行集成模型的建立；步骤B：工况感知模型的建立：步骤B01：工况划分方法的设立；步骤B02：在线感知的设立；步骤C：出口技术指标感知模型的建立：步骤C01：由步骤B中划分的不同工况，针对不同工况分别进行对应的机理模型的建立；步骤C02：由步骤B中划分的不同工况，针对不同工况分别进行对应的数据模型的建立；步骤C03：结合机理模型和数据模型进行集成模型的建立；机理模型用于表征过程的反应原理，数据模型用于描述变量间复杂的时空关系，集成模型是融合机理模型和数据模型获得的新模型；工况划分方法用于定义不同的工况，基于反应速率实现离线划分，在线感知通过提取动态特征，建立动态特征与工况类别之间的关系，当系统运行时，基于当前的动态特征得到对应的工况类别，以实现对工况的在线感知。2.根据权利要求1所述的一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法，其特征在于，在步骤A01中，机理模型基于一阶反应动力学方程构建，获得铜离子浓度大致范围。3.根据权利要求2所述的一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法，其特征在于，在步骤A02中，采用门控循环单元网络来构建除铜工序的数据模型，并基于互相关时延分析算法来确定除铜工序和除钴工序之间的时空关系所造成的时间延迟。4.根据权利要求3所述的一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法，其特征在于，在步骤A03中，集成模型基于模糊推理方法建立。5.根据权利要求1所述的一种湿法冶金反应器反应状态综合感知的级联建模方法，其特征在于，在步骤B01中，工况划分方法是基于反应速率进行划分的，反应速率的表达式如下：其中，c
in
和c分别表示反应器的入口和出口的杂质离子的浓度，f
in
表示反应器的入口流量，f
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇刚，张旭隆，孙备，梁慧平，刘盛宇，龙双，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：