羅小燕，蔡改貧，熊　奇，鐘汝昌，于　孟（江西理工大學機電工程學院，江西贛州341000）

白鎢礦反應釜溫度控制系統(tǒng)設計與仿真

羅小燕，蔡改貧，熊奇，鐘汝昌，于孟
（江西理工大學機電工程學院，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、產品質量不穩(wěn)定等問題，以及反應釜具有非線性、時滯、間歇等缺點，研究設計了一種基于單片機的反應釜溫度控制系統(tǒng)。設計根據(jù)反應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)關系，采用模糊-PID算法控制步進電機轉角以調節(jié)冷劑閥的開度控制釜內溫度。該模糊-PID控制器兼顧了反應釜溫度控制對超調量和過渡時間兩方面的要求，調節(jié)時間約0.5 s，超調量不到1%。Proteus軟件仿真結果表明該系統(tǒng)的控制精度高、動態(tài)性能好，可實現(xiàn)反應過程的自動化。

關鍵詞：白鎢礦；反應釜；溫度；單片機；模糊-PID算法

資助項目：國家級大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目（201310407013）；江西省自然科學基金資助項目（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、雜質浸出率低、設備簡單、能耗低、對礦石原料的適應性強等優(yōu)點，已成為處理各種鎢礦物原料的通用技術。目前，國內90%以上的鎢礦物原料分解均使用該技術[1]。在堿煮工藝中，采用高壓釜作反應器可以解決包括白鎢礦在內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現(xiàn)智能化與自動化控制，存在節(jié)能降耗、降低生產成本、提高產品質量等方面的潛力。

1　控制系統(tǒng)設計

1.1控制策略

反應釜是白鎢礦堿壓煮分解的常用設備，由于反應釜系統(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。本文采用單片機構成控制系統(tǒng)，通過模糊-PID算法對冷劑閥的開度進行控制，使其恒溫段保持在158℃~162℃之間[4]，反應釜溫度控制系統(tǒng)的控制精度對于浸出效率的提高和安全生產都有著重要的實際意義。

1.2系統(tǒng)硬件設計

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溫度[5]；溫控執(zhí)行模塊主要包括電磁閥和步進電機，電磁閥用于控制蒸汽閥門，步進電機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，通過模糊PID算法控制步進電機轉角以調節(jié)冷劑閥的開度，達到控制釜內溫度的目的。控制系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Structural diagram for control system

1.3系統(tǒng)軟件設計

1. 3. 1模糊-PID控制器設計

根據(jù)白鎢礦的堿壓煮分解反應工藝以及反應釜的工作特點，可以通過控制反應釜夾套內冷卻劑的流量來消除所放的熱量，使釜內溫度保持恒定。根據(jù)反應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)以當前釜內溫度為輸入量，以冷卻劑閥門開度的變化量為輸出量，設計一個模糊-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。在模糊控制中以設定溫度和實際溫度的偏差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)的響應曲線如圖3所示。

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

通過對圖3仿真曲線進行分析可知，在模糊-PID的控制下，超調量不到1%，調節(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，同時兼顧了反應釜溫度控制對超調量和過渡時間兩方面的要求。

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

1. 3. 2單片機系統(tǒng)主程序設計

在本設計中，將模糊-PID算法寫成C程序并將其寫入單片機內，通過控制步進電機轉角以調節(jié)冷劑閥的開度[9]，達到控制釜內溫度的目的，主流程圖如圖4所示。

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

系統(tǒng)開始工作時首先實時監(jiān)測釜內溫度并顯示，當溫度傳感器檢測到釜內溫度小于溫度設定值1 （158℃）時，打開蒸汽閥向反應釜夾套內輸入蒸汽，反應釜進入升溫階段，當溫度大于等于設定值1時關閉蒸汽閥，反應釜進入保溫階段，同時打開冷劑閥門輸入冷劑，并調用自適應模糊-PID程序將溫度值轉換成脈沖數(shù)，控制步進電機轉角來調節(jié)冷劑閥的閥門開度，使釜內溫度保持在溫度設定值2（160℃）附近，直至滿足工藝要求的保溫設定時間（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，是一個電子設計教學、實驗、創(chuàng)新平臺，涵蓋了電工電子實驗室、電子技術實驗室、單片機應用實驗室等的全部功能。由于其可以支持許多型號的單片機仿真，通常用于完成單片機的仿真試驗。

根據(jù)單片機需具備的功能及控制系統(tǒng)結構框圖，設計單片機P2_3、P2_4、P2_5、P2_6接串行AD轉換，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接驅動芯片ULN2003A，通過ULN2003A控制步進電機，保證冷劑閥的連續(xù)性控制。

反應釜溫度控制單片機系統(tǒng)仿真電路如圖5所示。系統(tǒng)開始仿真時，可以看到當釜內溫度小于160℃時步進電機反轉，冷劑閥門開度減小；大于160℃時步進電機正轉，冷劑閥門開度增大；等于160℃時步進電機停轉，冷劑閥門開度不變。從理論上證明了可以通過單片機更加精確的調節(jié)釜內溫度。

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

3　　結　語

（1）以單片機為核心，設計了白鎢反應釜溫度控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)工藝過程的自動化。

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

（3）基于Proteus的單片機控制系統(tǒng)仿真結果表明，溫度控制系統(tǒng)的軟、硬件設計合理，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。

參考文獻：

[1]楊金洪.我國鎢礦物原料NaOH分解的理論與工藝研究進展[J].中國鎢業(yè)，2009，24（3）：28-30.

YANG Jin-hong.The theoretic and technology progresses of caustic decomposition of tungsten concentrates in China[J].China Tungsten Industry，2009，24（3）：28-30.

[2]方奇.苛性鈉壓煮分解白鎢礦[J]，中國鎢業(yè)，2001，16（5/6）：80-81.

FANG Qi.Decomposition of Scheelite with NaOH in Autoclaving[J]，China Tungsten Industry，2001，16（5/6）：80-81.

[3]艾麗萍，潘海鵬.基于插值模糊控制的反應釜目標溫度優(yōu)化設計[J].浙江理工大學學報，2012，（5）：390-394.

AI Li－ping，PAN Hai－peng.Design of reactor aimed temperature optimization based on interpolation fuzzy control[J].Journal of Zhejiang Sci－Tech University，2012，（5）：390-394.

[4]何利華，劉旭恒，趙中偉，等.鎢礦物原料堿分解的理論與工藝[J].中國鎢業(yè)，2012，（4）：22-26.

HE Li -hua，LIU Xu -heng，ZHAO Zhong -wei，et al.Theory and technologies on the alkali decomposition of tungsten ores[J].China Tungsten Industry，2012，（4）：22-26.

[5]王磊，李桂香，王元麒.基于Pt100熱電阻的溫度檢測系統(tǒng)設計[J].中國儀器儀表，2014，（12）：33-35.

WANG Lei，LI Gui-xiang，WANG Yuan-qi.Temperature measurement system based on Pt100[J]. China Instrumentation，2014，（12）：33-35.

[6]李東娟.連續(xù)攪拌反應釜的自適應神經(jīng)網(wǎng)絡控制[J].化工學報，2013，（12）：4674-4680.

LI Dong-juan.Adaptive neural network control for continuous stirred tank reactor[J].CIESC Journal，2013，（12）：4674-4680.

[7]馬澤宇，李季.基于模糊-PID的小型反應釜控制系統(tǒng)設計[J].自動化技術與應用，2013，32（12）：29-34.

MA Ze-yu，LI Ji.Fuzzy-PID based control system design of small reaction vessel[J].Techniques of Automation and Applications，2013，32（12）：29-34.

[8]馬琳，王建華.基于Matlab的模糊PID控制研究[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（3）：165-167.

MA Lin，WANG Jian-hua.Research on fuzzy PID controller based on matlab[J]. Modern Electronics Technique，2013，36（3）：165-167.

[9]盧超.基于Proteus的步進電機控制系統(tǒng)仿真設計[J].實驗室研究與探索，2010，29（6）：54-57.

LU Chao.Simulation design of step motor controlling system based on Proteus[J]. Research and Exploration in Laboratory，2010，29 （6）：54-57.

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，主要從事機電系統(tǒng)智能監(jiān)測與控制，物料高效破碎新技術研究與裝備開發(fā)。

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

收稿日期：2015-02-12

文獻標識碼：A

中圖分類號：TF35；TP29