进入新世纪以来,我国成为全球最大的产铝和耗铝国家,但在国内的铝电解行业中,大型企业依然暴露出生产效率低、电能消耗高、环境污染严重等各种各样的问题。而高电能消耗一直是铝电解工业最为严重的问题,因此铝电解行业的首要目标就是降低能源消耗。在铝电解控制系统中,当铝电解槽受到扰动之后,电解槽的稳定性随之降低,导致能源利用率降低、能源消耗过高,成本升高。所以为了降低铝电解槽的能源消耗,必须保证电解槽工作在稳定区域。本文的整体研究背景是铝电解工业,在剖析工业电解槽机理的基础上,搭建符合工业要求的半实物仿真平台,该平台是东北大学直流负载半实物仿真及负荷检测与综合控制装置,在该平台上对提出的控制算法进行仿真验证。本文研究内容主要包括铝电解过程建模、控制方法研究、Simulink软件系统仿真研究、铝电解半实物平台搭建等。本文首先对铝电解过程、工艺原理和理论控制等方面进行了大量查阅和分析,并在此基础上对铝电解过程机理进行了深入的理论分析,通过对工艺参数耦合分析,提出了机理化的电解槽模型。该机理模型是以电压平衡方程和能量平衡方程为理论基础得出的。在本文中选取受电流波动影响较小的极距为被控对象,以极距为被控对象可以揭示槽电压、系列电流之间的关系。铝电解是一个具有参数时变、延时、大惯性和非线性的复杂过程,传统PID控制器在铝电解过程中无法完全满足铝电解的控制需求,本文在控制器上做出改进,提出了基于遗传算法优化的PID控制器,遗传PID控制器在控制效果上要优于传统PID控制器,它能够根据不同的槽况进行适当的调整,具有通用性。本文还考虑了阳极效应对电解槽的危害和补救措施。在铝电解工业中,阳极效应的发生和解决措施都是由经验工人来完成的,其弊端显而易见:经验判断容易造成误差,存在缩短电解槽寿命的风险。本文提出的无扰动切换控制策略,可以保证电解槽在发生阳极效应期间,迅速恢复至稳定状态。设计开发铝电解半实物仿真平台。利用西门子系统配套设施进行硬件配置和软件设计:西门子S7-300系列PLC和铝电解槽模型共同搭建铝电解控制系统,利用西门子视窗控制中心Wincc设计整个铝电解控制系统的监控界面,方便操作人员进行实时管理和监控。