白鎢礦反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

羅小燕，蔡改貧，熊　奇，鐘汝昌，于　孟（江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西贛州341000）

白鎢礦反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

羅小燕，蔡改貧，熊奇，鐘汝昌，于孟
（江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西贛州341000）

摘要：針對白鎢礦堿壓煮工藝中存在的能耗較高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，以及反應(yīng)釜具有非線性、時滯、間歇等缺點(diǎn)，研究設(shè)計了一種基于單片機(jī)的反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)。設(shè)計根據(jù)反應(yīng)釜中的傳熱方式和物料平衡原理，建立了溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)關(guān)系，采用模糊-PID算法控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角以調(diào)節(jié)冷劑閥的開度控制釜內(nèi)溫度。該模糊-PID控制器兼顧了反應(yīng)釜溫度控制對超調(diào)量和過渡時間兩方面的要求，調(diào)節(jié)時間約0.5 s，超調(diào)量不到1%。Proteus軟件仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)的控制精度高、動態(tài)性能好，可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程的自動化。

關(guān)鍵詞：白鎢礦；反應(yīng)釜；溫度；單片機(jī)；模糊-PID算法

資助項(xiàng)目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計劃項(xiàng)目（201310407013）；江西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20132BAB206022）

0　引　言

白鎢礦和黑白鎢混合礦的NaOH分解工藝因其流程短、分解率高、雜質(zhì)浸出率低、設(shè)備簡單、能耗低、對礦石原料的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為處理各種鎢礦物原料的通用技術(shù)。目前，國內(nèi)90%以上的鎢礦物原料分解均使用該技術(shù)[1]。在堿煮工藝中，采用高壓釜作反應(yīng)器可以解決包括白鎢礦在內(nèi)的各種鎢礦物原料的分解問題[2]。但是目前白鎢礦堿煮工藝中，由于其分解過程還未實(shí)現(xiàn)智能化與自動化控制，存在節(jié)能降耗、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面的潛力。

1　控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1控制策略

反應(yīng)釜是白鎢礦堿壓煮分解的常用設(shè)備，由于反應(yīng)釜系統(tǒng)具有非線性、干擾多、大滯后、時變等特性[3]，采用常規(guī)的PID控制難以滿足要求。本文采用單片機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)，通過模糊-PID算法對冷劑閥的開度進(jìn)行控制，使其恒溫段保持在158℃~162℃之間[4]，反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的控制精度對于浸出效率的提高和安全生產(chǎn)都有著重要的實(shí)際意義。

1.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由溫度檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、參數(shù)顯示模塊、溫控執(zhí)行模塊組成。溫度檢測模塊的核心元件為溫度傳感器，本文選用PT100溫度傳感器用以檢測釜內(nèi)溫度[5]；溫控執(zhí)行模塊主要包括電磁閥和步進(jìn)電機(jī)，電磁閥用于控制蒸汽閥門，步進(jìn)電機(jī)用于控制冷劑閥門的開度；數(shù)據(jù)處理模塊的核心元件為單片機(jī)，通過模糊PID算法控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角以調(diào)節(jié)冷劑閥的開度，達(dá)到控制釜內(nèi)溫度的目的?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structural diagram for control system

1.3系統(tǒng)軟件設(shè)計

1. 3. 1模糊-PID控制器設(shè)計

根據(jù)白鎢礦的堿壓煮分解反應(yīng)工藝以及反應(yīng)釜的工作特點(diǎn)，可以通過控制反應(yīng)釜夾套內(nèi)冷卻劑的流量來消除所放的熱量，使釜內(nèi)溫度保持恒定。根據(jù)反應(yīng)釜中的傳熱方式和物料平衡原理[6]，建立的溫度控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)[7]如式1所示。

系統(tǒng)以當(dāng)前釜內(nèi)溫度為輸入量，以冷卻劑閥門開度的變化量為輸出量，設(shè)計一個模糊-PID控制器。

經(jīng)過整定得出PID初始參數(shù)為：Kp=150，Ki= 1 100，Kd=5。在模糊控制中以設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的偏差e和偏差的變化ec作為輸入，經(jīng)過模糊推理和解模糊后輸出PID的3個參數(shù)的變化率，使反應(yīng)過程中PID的參數(shù)不斷得到修正。建立模糊-PID仿真模型[8]如圖2所示。

以單位階躍信號為激勵，仿真時間10 s，模糊-PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖2　自適應(yīng)模糊-PID控制器模型圖Fig.2 Model diagram for the adaptive fuzzy-PID controller

通過對圖3仿真曲線進(jìn)行分析可知，在模糊-PID的控制下，超調(diào)量不到1%，調(diào)節(jié)時間很短（約0.5 s）。因此，該模糊-PID控制器，具有較好的快速性和魯棒性，同時兼顧了反應(yīng)釜溫度控制對超調(diào)量和過渡時間兩方面的要求。

圖3　模糊-PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)曲線Fig.3 Response curve for fuzzy-PID control system

1. 3. 2單片機(jī)系統(tǒng)主程序設(shè)計

在本設(shè)計中，將模糊-PID算法寫成C程序并將其寫入單片機(jī)內(nèi)，通過控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角以調(diào)節(jié)冷劑閥的開度[9]，達(dá)到控制釜內(nèi)溫度的目的，主流程圖如圖4所示。

圖4　基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)主流程Fig.4 MajorflowsheetfortemperaturecontrolsystembasedonSCM

系統(tǒng)開始工作時首先實(shí)時監(jiān)測釜內(nèi)溫度并顯示，當(dāng)溫度傳感器檢測到釜內(nèi)溫度小于溫度設(shè)定值1 （158℃）時，打開蒸汽閥向反應(yīng)釜夾套內(nèi)輸入蒸汽，反應(yīng)釜進(jìn)入升溫階段，當(dāng)溫度大于等于設(shè)定值1時關(guān)閉蒸汽閥，反應(yīng)釜進(jìn)入保溫階段，同時打開冷劑閥門輸入冷劑，并調(diào)用自適應(yīng)模糊-PID程序?qū)囟戎缔D(zhuǎn)換成脈沖數(shù)，控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角來調(diào)節(jié)冷劑閥的閥門開度，使釜內(nèi)溫度保持在溫度設(shè)定值2（160℃）附近，直至滿足工藝要求的保溫設(shè)定時間（1 h），然后待其降溫后卸料。

模糊-PID算法部分程序如下：

int Fuzzy（int P，int D）/*模糊運(yùn)算引擎*/

{

//int U; /*偏差，偏差微分以及輸出值的精

確量*/

unsigned int PF[2]，DF[2]，UF[4]；/*偏差,偏差微

分以及輸出值的隸屬度*/

int Pn，Dn，Un[4]；

long temp1，temp2；

......（隸屬函數(shù)程序代碼）

temp1=UF[0]*Un[0]+UF[1]*Un[1]+UF[2]*Un[2]+

UF[3]*Un[3]；

temp2=UF[0]+UF[1]+UF[2]+UF[3]；/*解模糊*/

sptr->U=temp1/temp2；return sptr->U；

}

2　單片機(jī)控制系統(tǒng)仿真與分析

Proteus是英國Labcenter electronics公司的EDA工具軟件，是一個電子設(shè)計教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新平臺，涵蓋了電工電子實(shí)驗(yàn)室、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、單片機(jī)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室等的全部功能。由于其可以支持許多型號的單片機(jī)仿真，通常用于完成單片機(jī)的仿真試驗(yàn)。

根據(jù)單片機(jī)需具備的功能及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，設(shè)計單片機(jī)P2_3、P2_4、P2_5、P2_6接串行AD轉(zhuǎn)換，完成溫度的檢測；P3_7接電磁閥，控制蒸汽閥的開閉；P1口接LCD，顯示參數(shù)；P2_2、P2_7、P3_4、P3_5接驅(qū)動芯片ULN2003A，通過ULN2003A控制步進(jìn)電機(jī)，保證冷劑閥的連續(xù)性控制。

反應(yīng)釜溫度控制單片機(jī)系統(tǒng)仿真電路如圖5所示。系統(tǒng)開始仿真時，可以看到當(dāng)釜內(nèi)溫度小于160℃時步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，冷劑閥門開度減??；大于160℃時步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，冷劑閥門開度增大；等于160℃時步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，冷劑閥門開度不變。從理論上證明了可以通過單片機(jī)更加精確的調(diào)節(jié)釜內(nèi)溫度。

圖5　基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)仿真圖Fig.5 Simulation diagram for control system based on SCM

3　　結(jié)　語

（1）以單片機(jī)為核心，設(shè)計了白鎢反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)工藝過程的自動化。

（2）建立了反應(yīng)釜的模糊-PID控制器的模型，并將其轉(zhuǎn)換為可實(shí)際運(yùn)行的控制子程序，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，增強(qiáng)抗干擾能力。

（3）基于Proteus的單片機(jī)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果表明，溫度控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計合理，通過有效控制冷劑閥的開度，能將恒溫段的溫度控制在158℃到162℃之間，從而提高了系統(tǒng)的控制精度。

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Design and Simulation for the Temperature Control System in Scheelite's Reaction Kettle

LUO Xiao-yan, CAI Gai-pin, XIONG Qi, ZHONG Ru-chang
(School of Mechanical and Electronic Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, Jiangxi 341000, China)

Abstract:A temperature control system was developed to address the problems in scheelite's alkali pressure cooking process, such as high energy consumption, unstable product quality, non-linear, delayed and intermittent reaction kettle. The transmittance function for reaction kettle's temperature control system was established based on the principles of heat transfer and mass balance. The kettle temperature was conditioned by adjusting the openness of the cooling valve via controlling stepper motor rotation adopting fuzzy PID algorithm. The fuzzy -PID controller meets the dual requirements of reaction kettle's temperature for overshoot and transition time(with transition time around 0.5 s and overshoot lower that 1 %). The simulation results by proteus testifies the accurate control precision and dynamic performance.

Key words:scheelite;reactionkettle;temperature;singlechipmachine;fuzzyPIDalgorithm

DOI：10.3969/j.issn.1009－0622.2015.02.014

通訊作者：蔡改貧（1964-），男，江西豐城人，博士，教授，主要從事機(jī)電系統(tǒng)智能監(jiān)測與控制，物料高效破碎新技術(shù)研究與裝備開發(fā)。

作者簡介：羅小燕（1967-），女，江西贛州人，碩士，副教授，主要從事機(jī)電系統(tǒng)智能監(jiān)測與控制研發(fā)。

收稿日期：2015-02-12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TF35；TP29