白钨矿反应釜温度控制系统设计与仿真

罗小燕，蔡改贫，熊　奇，钟汝昌，于　孟（江西理工大学机电工程学院，江西赣州341000）

白钨矿反应釜温度控制系统设计与仿真

罗小燕，蔡改贫，熊奇，钟汝昌，于孟
（江西理工大学机电工程学院，江西赣州341000）

摘要：针对白钨矿碱压煮工艺中存在的能耗较高、产品质量不稳定等问题，以及反应釜具有非线性、时滞、间歇等缺点，研究设计了一种基于单片机的反应釜温度控制系统。设计根据反应釜中的传热方式和物料平衡原理，建立了温度控制系统的传递函数关系，采用模糊-PID算法控制步进电机转角以调节冷剂阀的开度控制釜内温度。该模糊-PID控制器兼顾了反应釜温度控制对超调量和过渡时间两方面的要求，调节时间约0.5 s，超调量不到1%。Proteus软件仿真结果表明该系统的控制精度高、动态性能好，可实现反应过程的自动化。

关键词：白钨矿；反应釜；温度；单片机；模糊-PID算法

资助项目：国家级大学生创新性实验计划项目（201310407013）；江西省自然科学基金资助项目（20132BAB206022）

0　引　言

白钨矿和黑白钨混合矿的NaOH分解工艺因其流程短、分解率高、杂质浸出率低、设备简单、能耗低、对矿石原料的适应性强等优点，已成为处理各种钨矿物原料的通用技术。目前，国内90%以上的钨矿物原料分解均使用该技术[1]。在碱煮工艺中，采用高压釜作反应器可以解决包括白钨矿在内的各种钨矿物原料的分解问题[2]。但是目前白钨矿碱煮工艺中，由于其分解过程还未实现智能化与自动化控制，存在节能降耗、降低生产成本、提高产品质量等方面的潜力。

1　控制系统设计

1.1控制策略

反应釜是白钨矿碱压煮分解的常用设备，由于反应釜系统具有非线性、干扰多、大滞后、时变等特性[3]，采用常规的PID控制难以满足要求。本文采用单片机构成控制系统，通过模糊-PID算法对冷剂阀的开度进行控制，使其恒温段保持在158℃~162℃之间[4]，反应釜温度控制系统的控制精度对于浸出效率的提高和安全生产都有着重要的实际意义。

1.2系统硬件设计

系统主要由温度检测模块、数据处理模块、参数显示模块、温控执行模块组成。温度检测模块的核心元件为温度传感器，本文选用PT100温度传感器用以检测釜内温度[5]；温控执行模块主要包括电磁阀和步进电机，电磁阀用于控制蒸汽阀门，步进电机用于控制冷剂阀门的开度；数据处理模块的核心元件为单片机，通过模糊PID算法控制步进电机转角以调节冷剂阀的开度，达到控制釜内温度的目的。控制系统结构框图如图1所示。

图1　控制系统结构框图Fig.1 Structural diagram for control system

1.3系统软件设计

1. 3. 1模糊-PID控制器设计

根据白钨矿的碱压煮分解反应工艺以及反应釜的工作特点，可以通过控制反应釜夹套内冷却剂的流量来消除所放的热量，使釜内温度保持恒定。根据反应釜中的传热方式和物料平衡原理[6]，建立的温度控制系统的传递函数[7]如式1所示。

系统以当前釜内温度为输入量，以冷却剂阀门开度的变化量为输出量，设计一个模糊-PID控制器。

经过整定得出PID初始参数为：Kp=150，Ki= 1 100，Kd=5。在模糊控制中以设定温度和实际温度的偏差e和偏差的变化ec作为输入，经过模糊推理和解模糊后输出PID的3个参数的变化率，使反应过程中PID的参数不断得到修正。建立模糊-PID仿真模型[8]如图2所示。

以单位阶跃信号为激励，仿真时间10 s，模糊-PID控制系统的响应曲线如图3所示。

图2　自适应模糊-PID控制器模型图Fig.2 Model diagram for the adaptive fuzzy-PID controller

通过对图3仿真曲线进行分析可知，在模糊-PID的控制下，超调量不到1%，调节时间很短（约0.5 s）。因此，该模糊-PID控制器，具有较好的快速性和鲁棒性，同时兼顾了反应釜温度控制对超调量和过渡时间两方面的要求。

图3　模糊-PID控制系统的响应曲线Fig.3 Response curve for fuzzy-PID control system

1. 3. 2单片机系统主程序设计

在本设计中，将模糊-PID算法写成C程序并将其写入单片机内，通过控制步进电机转角以调节冷剂阀的开度[9]，达到控制釜内温度的目的，主流程图如图4所示。

图4　基于单片机的温度控制系统主流程Fig.4 MajorflowsheetfortemperaturecontrolsystembasedonSCM

系统开始工作时首先实时监测釜内温度并显示，当温度传感器检测到釜内温度小于温度设定值1 （158℃）时，打开蒸汽阀向反应釜夹套内输入蒸汽，反应釜进入升温阶段，当温度大于等于设定值1时关闭蒸汽阀，反应釜进入保温阶段，同时打开冷剂阀门输入冷剂，并调用自适应模糊-PID程序将温度值转换成脉冲数，控制步进电机转角来调节冷剂阀的阀门开度，使釜内温度保持在温度设定值2（160℃）附近，直至满足工艺要求的保温设定时间（1 h），然后待其降温后卸料。

模糊-PID算法部分程序如下：

int Fuzzy（int P，int D）/*模糊运算引擎*/

{

//int U; /*偏差，偏差微分以及输出值的精

确量*/

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

分以及输出值的隶属度*/

int Pn，Dn，Un[4]；

long temp1，temp2；

......（隶属函数程序代码）

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　单片机控制系统仿真与分析

Proteus是英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，是一个电子设计教学、实验、创新平台，涵盖了电工电子实验室、电子技术实验室、单片机应用实验室等的全部功能。由于其可以支持许多型号的单片机仿真，通常用于完成单片机的仿真试验。

根据单片机需具备的功能及控制系统结构框图，设计单片机P2_3、P2_4、P2_5、P2_6接串行AD转换，完成温度的检测；P3_7接电磁阀，控制蒸汽阀的开闭；P1口接LCD，显示参数；P2_2、P2_7、P3_4、P3_5接驱动芯片ULN2003A，通过ULN2003A控制步进电机，保证冷剂阀的连续性控制。

反应釜温度控制单片机系统仿真电路如图5所示。系统开始仿真时，可以看到当釜内温度小于160℃时步进电机反转，冷剂阀门开度减小；大于160℃时步进电机正转，冷剂阀门开度增大；等于160℃时步进电机停转，冷剂阀门开度不变。从理论上证明了可以通过单片机更加精确的调节釜内温度。

图5　基于单片机的控制系统仿真图Fig.5 Simulation diagram for control system based on SCM

3　　结　语

（1）以单片机为核心，设计了白钨反应釜温度控制系统，可以实现工艺过程的自动化。

（2）建立了反应釜的模糊-PID控制器的模型，并将其转换为可实际运行的控制子程序，提高了系统的动态性能和稳态性能，增强抗干扰能力。

（3）基于Proteus的单片机控制系统仿真结果表明，温度控制系统的软、硬件设计合理，通过有效控制冷剂阀的开度，能将恒温段的温度控制在158℃到162℃之间，从而提高了系统的控制精度。

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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

通讯作者：蔡改贫（1964-），男，江西丰城人，博士，教授，主要从事机电系统智能监测与控制，物料高效破碎新技术研究与装备开发。

作者简介：罗小燕（1967-），女，江西赣州人，硕士，副教授，主要从事机电系统智能监测与控制研发。

收稿日期：2015-02-12

文献标识码：A

中图分类号：TF35；TP29