氧化镁单晶具有良好的导热性和光学性,且能耐受高温或者低温(高温2500℃,低温-270℃),在高新技术产业中得到了广泛应用,是制造高温超导器件生长基片、高温高精度光学透镜、等离子显示器电极保护膜等的理想材料。氧化镁单晶制备的过程是一个复杂的物理化学过程。氧化镁的熔点高达2800℃,电弧炉可以瞬时产生3600℃以上的高温,采用电弧熔融法已经成为制备氧化镁单晶的主要手段。电熔镁炉通电后,在电极间产生电弧,在电弧的高温作用下,高纯氧化镁粉逐渐融化,并慢慢形成氧化镁熔池。熔池在经过排杂,降温等过程后,在其中逐渐生长出氧化镁单晶。在电熔镁炉中温度很高,气、固、液和电弧等离子体多相并存,动量、质量和热量传递耦合发生,具有强非线性、多变量互相耦合、大滞后等特点,许多工艺参数如内部温度数据、电弧燃烧和熔池状态等难以在线测量,并且难以采用精确的数学模型进行描述。电熔镁炉内氧化镁粉分为内层和外层。外层的多为纯度95%左右的氧化镁粉,主要是保温隔热的作用,内层多为99%纯度的氧化镁粉,熔化后形成高纯度的氧化镁熔池,降温后,其中逐渐生长出氧化镁单晶。建立熔池这一阶段是生产氧化镁单晶整个过程的基础,熔池的大小对杂质的排除和氧化镁的结晶都有非常重要的影响。熔池太大,会导致电弧炉外壳温度过高,容易引发电弧炉熔毁；另一方面会在熔池内引入更多的杂质,延长精炼的时间,浪费能源。熔池过小会影响单晶的产量,造成高纯氧化镁粉的浪费。在氧化镁熔池尺寸方面开展软测量的研究,对减少生产过程中的人工干预,节能降耗、提高产品质量、增加经济效益等方面具有非常重要的意义。辽宁中大超导材料有限公司863课题“PDP用MgO晶体材料技术研究及产业化”、“低品位菱镁矿绿色熔炼技术与装备”主要针对氧化镁单晶制备过程中的控制问题开展研究。本论文以此为背景,针对氧化镁熔池尺寸难以测量的问题,氧化镁熔池的尺寸为研究对象,综合运用机理分析、先进控制理论、人工智能技术等多学科知识,在进行过程机理和特性研究的基础上,研究氧化镁熔池尺寸的测量方法,建立氧化镁熔池的软测量模型,并对建模过程中遇到的问题进行讨论并解决。这些模型可以缩短处理周期,节约能源,降低成本,并为实现氧化镁单晶制备过程中氧化镁熔池尺寸的精确控制提供技术支持。取得的主要研究成果如下：(1)通过研究三相电熔镁炉传热过程,应用有限元法,在ANSYS软件中建立了氧化镁熔池尺寸预测的机理模型,并对氧化镁熔池的生长情况进行求解。与现场测得的真实数据比较,机理模型预测的结果误差比较大,精度比较低。由此可见,有限元的机理模型可以定性的了解熔池的生长情况,但是还不能应用到实际的工业过程中去。(2)现场实际运行参数是波动的量,而有限元的机理模型为了简化,一般对其取平均值,同时忽略了对熔池生长影响不大的参数,这使得有限元法对熔池尺寸进行预测,误差比较大,精度比较低。因此在研究氧化镁熔池形成过程中物理化学反应过程及传热过程的基础上,构建了基于PLS-ELM的软测量模型,对氧化镁熔池的尺寸进行估计。预测的结果与现场测得的真实数据相比较,PLS-ELM的软测量模型在提高模型的训练精度和泛化能力的同时,缩短了建模时间和运算时间,能够满足现场高速高精度地测量要求。(3)为了使软测量模型能够适应氧化镁单晶制备过程中,工况会发生变化的情况,提出了一种基于增量学习思想的模型更新方法。该方法通过引入权重因子以减弱旧训练样本的影响,同时以泛化能力为判断依据,对其输出权值进行选择性递推更新。将基于增量学习的OS-ELM,在线自适应极限学习机,加权平均PLS-ELM三种软测量模型,分别应用到氧化镁熔池尺寸的建模与更新。结果表明,该方法可以有效地通过新数据对模型进行更新,使模型能够适应现场工况的变化,从而保证模型的预报精度,减少了后继训练的时间,同时使软测量模型具有了延续学习的性能。(4)针对中大超导有限公司的氧化镁单晶的制备装置,首先基于现有DCS系统提出了软仪表总体设计方案。按照设计方案,在上位机上开发了数据通讯模块、数据采集和辅助变量选择模块、数据预处理模块、软仪表算法模块和在线维护与校正模块等以及DCS组态画面。然后提出了基于熔池尺寸软测量的氧化镁熔池的混合智能控制结构。目前,该混合智能控制系统已经在中大超导有限公司制备氧化镁单晶的过程中得到成功的应用,智能控制的水平大大提高,产品的产量和质量也有了明显提升。这验证了其在实际生产中的可行性和有效性。