本發(fā)明涉及生產(chǎn)自動(dòng)化，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)碳酸鋰的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、專利公開(kāi)號(hào)為cn108287535a的專利公開(kāi)了一種碳酸鋰生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，本發(fā)明提供一種碳酸鋰生產(chǎn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，包括礦物質(zhì)分析儀、中央控制服務(wù)器、焙燒控制器、焙燒裝置；粒度分析儀、研磨控制器、研磨裝置；第一流量?jī)x、第二流量?jī)x和電磁閥門(mén)控制器。本發(fā)明實(shí)施例能夠在天然鋰輝石制備成β-鋰輝石精礦、研磨、硫酸酸化過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)焙燒裝置工作和溫度的自動(dòng)設(shè)定、研磨裝置研磨時(shí)間的自動(dòng)設(shè)定，以及對(duì)酸化過(guò)程中濃硫酸加入的自動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)便、不存在誤差，滿足人們對(duì)碳酸鋰生產(chǎn)自動(dòng)化的需求。

2、現(xiàn)有的生產(chǎn)碳酸鋰的控制系統(tǒng)，存在以下主要問(wèn)題：

3、未考慮使用emd方法來(lái)逐步提取不同頻率和時(shí)間尺度的imf分量，可能導(dǎo)致生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的短期波動(dòng)與長(zhǎng)期趨勢(shì)混淆；使得在碳酸鋰生產(chǎn)過(guò)程中，控制系統(tǒng)難以識(shí)別和區(qū)分不同時(shí)間尺度下的動(dòng)態(tài)變化，從而可能導(dǎo)致針對(duì)短期波動(dòng)采取錯(cuò)誤的長(zhǎng)期策略，影響生產(chǎn)的精確控制；未采用cauchy收斂準(zhǔn)則作為迭代停止條件，分解過(guò)程可能會(huì)過(guò)度進(jìn)行，導(dǎo)致引入新的誤差，甚至造成信號(hào)失真。過(guò)度迭代會(huì)使得信號(hào)中的噪聲成分被過(guò)度分離，破壞原始信號(hào)的主要特征，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和信號(hào)的真實(shí)性；由于無(wú)法精準(zhǔn)識(shí)別關(guān)鍵imf分量和影響因素，生產(chǎn)控制策略可能缺乏針對(duì)性，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中的調(diào)整不夠精確，出現(xiàn)多余的調(diào)整或延遲響應(yīng)。這種不精確的控制會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程不平穩(wěn)，出現(xiàn)頻繁的波動(dòng)或偏差，影響生產(chǎn)的高效運(yùn)行，甚至可能導(dǎo)致停機(jī)或產(chǎn)品質(zhì)量下降；

4、未使用希爾伯特變換分析imf分量的瞬時(shí)頻率和幅度，會(huì)錯(cuò)過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中信號(hào)的詳細(xì)時(shí)頻特性的了解；缺少時(shí)頻特性分析，可能無(wú)法準(zhǔn)確把握生產(chǎn)過(guò)程中的頻率變化和瞬時(shí)特征，從而影響對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的深入理解和優(yōu)化策略的制定；缺乏對(duì)比例增益的限制可能導(dǎo)致誤差調(diào)整過(guò)程的不平滑。比例增益過(guò)高可能導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)度，產(chǎn)生振蕩或不穩(wěn)定；比例增益過(guò)低則可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)遲緩。如果沒(méi)有合理的比例增益限制，系統(tǒng)可能無(wú)法有效縮短工藝參數(shù)調(diào)整時(shí)間，影響生產(chǎn)精度和過(guò)程穩(wěn)定性。

5、鑒于此，本發(fā)明提出一種生產(chǎn)碳酸鋰的自動(dòng)控制系統(tǒng)以解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種生產(chǎn)碳酸鋰的自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括：

2、數(shù)據(jù)采集模塊，用于采集t時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)；

3、數(shù)據(jù)處理模塊，用于對(duì)獲取的生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集、設(shè)備特征數(shù)據(jù)集和環(huán)境特征數(shù)據(jù)集；

4、將生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集、設(shè)備特征數(shù)據(jù)集和環(huán)境特征數(shù)據(jù)集進(jìn)行特征提取，得到綜合特征數(shù)據(jù)集；

5、質(zhì)量評(píng)估模塊，用于根據(jù)綜合特征數(shù)據(jù)集構(gòu)建質(zhì)量評(píng)估模型，基于質(zhì)量評(píng)估模型獲取碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差；將預(yù)測(cè)碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差與預(yù)設(shè)碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差閾值進(jìn)行對(duì)比，判斷碳酸鋰的產(chǎn)品質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)；若產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，則自動(dòng)控制生產(chǎn)終端發(fā)出合格指令，繼續(xù)進(jìn)行碳酸鋰的生產(chǎn)；若產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，則自動(dòng)控制生產(chǎn)終端發(fā)出預(yù)警指令，并對(duì)碳酸鋰的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；

6、策略調(diào)整模塊，用于根據(jù)碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差，對(duì)碳酸鋰的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以縮小工藝參數(shù)誤差；各個(gè)模塊之間通過(guò)有線和/或無(wú)線的方式進(jìn)行連接。

7、進(jìn)一步地，所述生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)包括：氫化反應(yīng)釜內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)、反應(yīng)物濃度數(shù)據(jù)、氣體流量數(shù)據(jù)、液體流量數(shù)據(jù)和pid控制器參數(shù)數(shù)據(jù)；設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)包括：電流數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、振動(dòng)數(shù)據(jù)和累計(jì)運(yùn)行時(shí)間；環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)包括：環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、環(huán)境濕度數(shù)據(jù)和環(huán)境氣壓數(shù)據(jù)；

8、所述生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)通過(guò)安裝的傳感器和控制終端獲取。

9、進(jìn)一步地，所述對(duì)獲取的生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集、設(shè)備特征數(shù)據(jù)集和環(huán)境特征數(shù)據(jù)集的方法包括：

10、采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法emd對(duì)生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集、設(shè)備特征數(shù)據(jù)集和環(huán)境特征數(shù)據(jù)集；具體步驟為：

11、s31、預(yù)設(shè)原始數(shù)據(jù)序列x(t)，所述原始數(shù)據(jù)序列包括生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集、設(shè)備特征數(shù)據(jù)集和環(huán)境特征數(shù)據(jù)集；

12、s32、識(shí)別所有局部極值點(diǎn)；對(duì)原始數(shù)據(jù)序列x(t)進(jìn)行插值，找到所有的局部極大值點(diǎn)和局部極小值點(diǎn)；

13、s33、構(gòu)建上下包絡(luò)線；對(duì)局部極大值點(diǎn)進(jìn)行三次樣條插值，構(gòu)建上包絡(luò)線emax(t)；對(duì)局部極小值點(diǎn)進(jìn)行三次樣條插值，構(gòu)建下包絡(luò)線emin(t)；

14、s34、計(jì)算平均包絡(luò)線m(t)；

15、數(shù)學(xué)公式為：其中，t為數(shù)據(jù)點(diǎn)的索引；

16、s35、計(jì)算本征模態(tài)函數(shù)imf；從原始數(shù)據(jù)序列中減去平均包絡(luò)線，得到本征模態(tài)函數(shù)h(t)＝x(t)-m(t)；

17、判斷h(t)是否滿足imf條件，具體為：在整個(gè)數(shù)據(jù)序列中，h(t)的極值點(diǎn)和過(guò)零點(diǎn)的數(shù)量必須相等或最多相差一個(gè)；在任意時(shí)刻，由局部極大值點(diǎn)構(gòu)成的上包絡(luò)線和由局部極小值點(diǎn)構(gòu)成的下包絡(luò)線的平均值必須為零；

18、若h(t)滿足上述條件，則無(wú)需進(jìn)行迭代；若h(t)不滿足上述條件，則將h(t)作為新的數(shù)據(jù)序列，重復(fù)步驟s32-s35，直至滿足imf的條件；

19、s36、提取imf分量；當(dāng)h(t)滿足imf條件時(shí)，將h(t)作為第1個(gè)imf分量c1(t)；將c1(t)從原始數(shù)據(jù)序列中減去，得到剩余趨勢(shì)r1(t)；重復(fù)迭代，提取下一個(gè)imf分量，直至剩余趨勢(shì)r1(t)滿足停止準(zhǔn)則時(shí)停止迭代；

20、經(jīng)過(guò)以上步驟，提取出所有的imf分量和殘余趨勢(shì)，并進(jìn)行整合和重構(gòu)，得到生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集、設(shè)備特征數(shù)據(jù)集和環(huán)境特征數(shù)據(jù)集。

21、進(jìn)一步地，所述剩余趨勢(shì)滿足停止準(zhǔn)則時(shí)停止迭代的方法包括：

22、采用cauchy收斂準(zhǔn)則作為停止準(zhǔn)則，當(dāng)剩余趨勢(shì)滿足停止準(zhǔn)則時(shí)停止迭代；所述cauchy收斂準(zhǔn)則的具體數(shù)學(xué)公式為：其中，hk-1(t)為第k-1次迭代生成的imf分量，hk(t)為第k次迭代生成的imf分量；n為數(shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù)；t為數(shù)據(jù)點(diǎn)的索引；當(dāng)sdk小于預(yù)設(shè)閾值sd′時(shí)，迭代過(guò)程停止。

23、進(jìn)一步地，所述預(yù)設(shè)閾值sd′的取值方法包括：

24、所述閾值sd′通過(guò)閾值限定公式取值；閾值限定公式具體為：其中，σ為數(shù)據(jù)序列的標(biāo)準(zhǔn)差；n為數(shù)據(jù)點(diǎn)總數(shù)；η為數(shù)據(jù)序列中的噪聲比例；α1為標(biāo)準(zhǔn)差的調(diào)節(jié)系數(shù)；α2為噪聲比例的調(diào)節(jié)系數(shù)。

25、進(jìn)一步地，所述將生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集、設(shè)備特征數(shù)據(jù)集和環(huán)境特征數(shù)據(jù)集進(jìn)行特征提取，得到綜合特征數(shù)據(jù)集的方法包括：

26、對(duì)于每個(gè)imf分量ci′(t)，其能量定義為：其中，為imf分量在時(shí)間t上的值；

27、計(jì)算每個(gè)imf分量的相對(duì)能量百分比，計(jì)算公式為：其中，為第i′個(gè)imf分量的相對(duì)能量百分比；m′為imf分量的總數(shù)；為所有imf分量能量的總和；j為遍歷所有的imf分量的索引；

28、基于計(jì)算得到的相對(duì)能量百分比，選擇占比最大的imf分量作為特征；通過(guò)希爾伯特變換計(jì)算imf分量的瞬時(shí)頻率和幅度，對(duì)于一個(gè)imf分量ci′(t)，其希爾伯特變換定義為：其中，h[ci′(t)]為分量ci′(t)的希爾伯特變換；p為主值積分；為希爾伯特變換的核函數(shù)；τ為積分變量；

29、使用主成分分析對(duì)選擇后的特征進(jìn)行降維，得到降維后的生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集、設(shè)備特征數(shù)據(jù)集和環(huán)境特征數(shù)據(jù)集；

30、將降維后的生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集、設(shè)備特征數(shù)據(jù)集和環(huán)境特征數(shù)據(jù)集通過(guò)加權(quán)模型融合形成綜合特征數(shù)據(jù)集，將生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集記為f1，設(shè)備特征數(shù)據(jù)集記為f2，環(huán)境特征數(shù)據(jù)集記為f3；

31、所述加權(quán)模型為：sq＝f1·ω1+f2·ω2+f3·ω3；其中，ω1為生產(chǎn)特征數(shù)據(jù)集的權(quán)重系數(shù)；ω2為設(shè)備特征數(shù)據(jù)集的權(quán)重系數(shù)；ω3為環(huán)境特征數(shù)據(jù)集的權(quán)重系數(shù)。

32、進(jìn)一步地，所述質(zhì)量評(píng)估模型的構(gòu)建方法包括：

33、將數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集，訓(xùn)練模型和評(píng)估模型性能；樣本集為數(shù)據(jù)集中的一個(gè)子集，每個(gè)樣本集包括歷史綜合特征數(shù)據(jù)集以及對(duì)應(yīng)的碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差；構(gòu)建質(zhì)量評(píng)估模型，模型包括輸入層、gru層、全連接層和輸出層；

34、質(zhì)量評(píng)估模型的輸入層用于輸入歷史綜合特征數(shù)據(jù)集，輸入層的神經(jīng)元數(shù)目應(yīng)與歷史綜合特征數(shù)據(jù)集的特征數(shù)目相匹配；使用gru層處理歷史綜合特征數(shù)據(jù)集，根據(jù)任務(wù)復(fù)雜度調(diào)整gru層的數(shù)量和神經(jīng)元數(shù)量；通過(guò)全連接層以提供附加的非線性變換；

35、模型的輸出層用于輸出碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差，輸出層的神經(jīng)元數(shù)量對(duì)應(yīng)于預(yù)測(cè)目標(biāo)的數(shù)量，通過(guò)一個(gè)神經(jīng)元來(lái)輸出預(yù)測(cè)值，使用恒等函數(shù)作為激活函數(shù)；所述傳輸誤差預(yù)測(cè)模型為質(zhì)量評(píng)估模型；

36、定義模型的損失函數(shù)，使用均方誤差損失函數(shù)衡量預(yù)測(cè)的碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差與實(shí)際的碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差之間的差異；

37、使用訓(xùn)練集對(duì)質(zhì)量評(píng)估模型進(jìn)行訓(xùn)練，通過(guò)反向傳播算法更新模型參數(shù)，以最小化損失函數(shù)；使用驗(yàn)證集通過(guò)計(jì)算準(zhǔn)確率指標(biāo)來(lái)評(píng)估質(zhì)量評(píng)估模型的性能；

38、選用adam優(yōu)化算法作為優(yōu)化器，根據(jù)驗(yàn)證集的性能反饋對(duì)模型進(jìn)行調(diào)優(yōu)，調(diào)整模型參數(shù)直到性能不再顯著提升或達(dá)到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)時(shí)停止；

39、使用測(cè)試集評(píng)估模型在預(yù)測(cè)任務(wù)中的性能，并使用訓(xùn)練好的傳輸誤差預(yù)測(cè)模型對(duì)當(dāng)前綜合特征數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差。

40、進(jìn)一步地，所述將預(yù)測(cè)碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差與預(yù)設(shè)碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差閾值進(jìn)行對(duì)比，判斷碳酸鋰的產(chǎn)品質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)的方法包括：

41、若預(yù)測(cè)碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差小于預(yù)設(shè)碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差閾值，則判定碳酸鋰的產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)；

42、若預(yù)測(cè)碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差大于等于預(yù)設(shè)碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差閾值，則判定碳酸鋰的產(chǎn)品質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

43、進(jìn)一步地，所述根據(jù)碳酸鋰生產(chǎn)的工藝參數(shù)誤差，對(duì)碳酸鋰的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整以縮小工藝參數(shù)誤差的方法包括：

44、采用反饋控制算法，對(duì)碳酸鋰的生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而縮小工藝參數(shù)誤差；具體方法步驟為：

45、s71、預(yù)設(shè)碳酸鋰生產(chǎn)的目標(biāo)工藝參數(shù)為sp；使用傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量在t′時(shí)刻的實(shí)際工藝參數(shù)為pv(t′)；計(jì)算目標(biāo)工藝參數(shù)和實(shí)際工藝參數(shù)之間的誤差e(t′)＝sp-pv(t′)；

46、s72、使用反饋控制算法計(jì)算控制輸出，基于控制輸出對(duì)碳酸鋰生產(chǎn)過(guò)程中反應(yīng)釜內(nèi)的溫度、壓力、液位和攪拌速度進(jìn)行調(diào)整；具體數(shù)學(xué)表達(dá)為：

47、其中u(t′)為控制輸出；kp為比例增益；ki為積分增益；kd為微分增益；為積分項(xiàng)，表示從時(shí)間0到當(dāng)前時(shí)間t′的誤差e(t′)的積分，積分項(xiàng)用于累積誤差，以減少長(zhǎng)期誤差；為在時(shí)間t′時(shí)刻誤差的變化率，即誤差e(t′)隨時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；t′為時(shí)間索引；

48、s73、根據(jù)控制輸出u(t′)調(diào)整碳酸鋰的生產(chǎn)參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)參數(shù)的比例增益進(jìn)行限制，進(jìn)而影響工藝參數(shù)，縮小目標(biāo)工藝參數(shù)和實(shí)際工藝參數(shù)之間的誤差；將調(diào)整后的碳酸鋰生產(chǎn)參數(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)中。

49、進(jìn)一步地，所述對(duì)比例增益進(jìn)行限制的方法包括：

50、通過(guò)比例增益控制模型對(duì)比例增益進(jìn)行限制，所述比例增益控制模型為：其中，tde為控制輸出所需時(shí)間；c為控制輸出的種類；β為調(diào)整系數(shù)。

51、本發(fā)明一種生產(chǎn)碳酸鋰的自動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)：

52、本發(fā)明通過(guò)逐步提取imf分量，emd能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)分解為不同時(shí)間尺度的信號(hào)成分；每個(gè)imf分量代表特定頻率或時(shí)間尺度的信息；這種特征提取方式有助于區(qū)分碳酸鋰生產(chǎn)過(guò)程中不同頻率下的動(dòng)態(tài)變化，例如短期波動(dòng)和長(zhǎng)期趨勢(shì)，從而優(yōu)化生產(chǎn)控制策略；通過(guò)計(jì)算殘余趨勢(shì)和imf分量，可以有效去除數(shù)據(jù)中的噪聲成分；

53、cauchy收斂準(zhǔn)則作為迭代停止條件，確保分解過(guò)程不會(huì)過(guò)度進(jìn)行，避免引入新的誤差，同時(shí)保留了信號(hào)的主要特征。閾值限定公式利用標(biāo)準(zhǔn)差、噪聲比例等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保噪聲處理的自適應(yīng)性，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；通過(guò)計(jì)算imf分量的相對(duì)能量和提取關(guān)鍵的分量，系統(tǒng)可以更好地識(shí)別出生產(chǎn)過(guò)程中哪些因素對(duì)整體系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能影響最大，并針對(duì)這些關(guān)鍵因素進(jìn)行調(diào)控和優(yōu)化；這種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的控制方式可以進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保生產(chǎn)過(guò)程平穩(wěn)高效；

54、使用希爾伯特變換對(duì)imf分量進(jìn)行瞬時(shí)頻率和幅度分析，可以幫助發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中信號(hào)的時(shí)頻特性，通過(guò)這種方式可以深入了解生產(chǎn)參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)控制系統(tǒng)優(yōu)化非常有幫助；通過(guò)反饋控制算法不斷調(diào)整溫度、壓力、液位和攪拌速度，使得實(shí)際工藝參數(shù)逐漸逼近目標(biāo)工藝參數(shù)；比例增益的限制能夠使誤差的調(diào)整過(guò)程更加平滑，有效縮短工藝參數(shù)調(diào)整所需的時(shí)間，從而縮小目標(biāo)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)的誤差，提高生產(chǎn)精度；通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，減少了對(duì)操作人員的依賴，提高了生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度；這不僅減少了操作誤差，還能優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，提升整體生產(chǎn)效率。