基于最优梯度曲线的针铁矿沉铁级联过程优化协同控制

Direct leaching technology is the most advanced green producing process for zinc hydrometallurgy. The excessive amounts of iron ion in zinc sulfate solution will significantly increase the energy consumption rate of electrolytic process and result in the higher impurity level of zinc ingot. In order to ensure the quality of zinc ingot, the iron precipitation process is a crucial process in zinc hydrometallurgy since it can remove the iron ion from zinc sulfate solution. The removal of iron ion is realized by controlling the oxidation rate of ferrous iron. The oxidation rate is mainly determined by effective oxygen concentrations and ferrous iron concentrations in solution. The effective oxygen concentrations are influenced by many factors such as the oxygen volume, ion concentration and etc. The dynamic characteristics of them are hard to be achieved by mechanism analysis itself. Therefore, based on the research of precipitation process mechanism, this proposal is aiming to build an integrated model regarding single reactor by combining both mechanism models and data models driven by the data of ion concentration and oxygen volume. Based on this new model, the bi-level control strategies will be developed for the precipitation process with multiple and cascade reactors. The upper level is to optimize the gradient curve of iron concentration in multiple reactor system by optimizing economic indicators. The lower level is to control each reactor to follow the optimal gradient curve by developing the optimal coordinated control. This research will be of great significance in improving the production quality, ensuring the stable production and boosting the metallurgical technical level. Furthermore, this research will promote the development and application of the control theory in hydrometallurgy industry.

直接浸出炼锌是最先进的湿法炼锌绿色生产工艺。硫酸锌溶液中铁离子含量过高会使电解能耗增加，锌锭杂质含量过高。沉铁过程的核心是控制二价铁离子的氧化速率，去除硫酸锌溶液中的铁，保证产品质量。氧化速率主要由溶液中的有效氧浓度和二价铁离子浓度决定，其中溶液中的有效氧浓度受到添加的氧气、溶液中离子浓度等多种因素影响且难以通过机理分析获取其动态特性。本项目在研究沉铁过程机理模型的基础上，由沉铁过程的离子浓度和添加氧气量的数据建立有效氧浓度的动态模型并与机理模型相结合得到单反应器集成模型。在此基础上，研究多级联沉铁系统双层结构控制策略。上层通过经济指标优化计算级联反应器铁离子浓度下降最优梯度曲线，下层采用优化协同控制策略使得各反应器跟踪最优梯度曲线。本项目的研究对提高产品质量、保证生产稳定运行和节能降耗具有重要意义，也将推动控制理论在湿法冶金工业中的发展和应用。

针铁矿法沉铁过程是湿法炼锌工艺中的一道重要工序，主要包括三个相互耦合的化学反应，其中，氧化反应将溶液中的二价铁离子氧化成三价铁离子。水解反应将三价铁离子水解成针铁矿沉淀，中和反应维持溶液pH值在一定范围内。沉铁过程的核心是控制二价铁离子的氧化速率，去除硫酸锌溶液中的铁，保证产品质量。本项目在分析沉铁过程机理模型的基础上，对模型中存在未建模动态的溶解氧浓度，提出基于双重局部加权核主成分回归的溶解氧浓度动态模型，综合机理模型和基于数据的溶解氧浓度模型，建立沉铁过程混合模型，并随着过程状态变化自适应更新模型。为了获取亚铁离子浓度和溶解氧浓度的时空动态，提出一种多尺度局部最小二乘支持向量机来建立时空模态的模型，使时空模型逼近针铁矿法沉铁过程的分布参数系统。由于针铁矿法沉铁过程工艺约束多，提出一种基于对偶迭代法的沉铁过程分布式模型预测控制策略，每个反应器都被视为一个子系统，通过子系统之间的控制信息反馈分布求解各个子系统的优化控制问题。为减少氧气，氧化锌的消耗量，并实现反应器之间的协同优化控制，提出一种基于最优梯度曲线的双层结构控制策略。上层以总体氧气消耗量最少为目标优化设定级联反应器出口二价铁离子浓度下降梯度，下层以过程氧气消耗最少、出口离子浓度与上层设定值误差最小为优化目标，过程动态模型和工艺条件为约束，构造非线性优化控制问题，并采用Legendre伪谱法求解得到各反应器最优氧气添加速率。针对沉铁过程反应机理复杂且存在关联不确定性的特点，提出一种基于强化学习的分散控制优化方法，引入一个有界函数，界定关联系统对子系统成本函数的最大影响，并扩展标称系统的成本函数，通过优化新的成本函数来保证关联系统成本函数不高于此标称系统成本函数，从而得到近似最优控制。在项目研究期间，共发表SCI和EI论文15篇，申请专利2个，授权专利1个，培养博士和硕士研究生共6名。