难选矿石多路模糊自动恒温控制系统的开发与实现

1、难选矿石多路模糊自动恒温控制系统的开发与实现李龙江1，2，张 覃1，2(1贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550003；2贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550003)摘 要：在进行复杂难选矿石的选别作业时，需要用到3种以上的药剂，每一种药剂在混药和加药的过程中都有严格的温度要求，控制精度在0.5，为了达到浮选指标的要求，用自适应模糊控制的方法设计了一套单片机多路模糊自动恒温系统，实现了温度的多路控制。实践表明，该系统对多路温度控制误差小，可操作性强，在复杂难选矿石的浮选中，提高了选矿指标。关键词：模糊控制；单片机；推理；浮选药剂；温度控制系统中图分类号：TD 975 文献标

2、识码：A0 引言 在复杂难选矿石的浮选过程中，浮选加药对浮选指标有很大影响，加药条件要求比较高，首先是加药过程中药剂种类比较多，有捕收剂、抑制剂、起泡消泡剂等多达3种以上药剂，加药点比较多；其次是药剂性质比较复杂，由于加药环境比较潮湿，药剂受到环境氛围的影响比较突出；再次，有些药剂温度过高会蒸发，引起药剂失效，温度过低药剂会凝固，导致活性不够，药剂的给定温度是影响浮选指标的重要因素；最后，每种药剂都有自己的最佳温度作用域，进入药液的温度超过这个域度将失去最佳作用效果。药剂的给定温度是影响浮选指标的重要因素，因此，必须对浮选药剂进行高精度恒温控制。控制要求为：3种药剂的混药环节和加药环节(6个恒

3、温点)都必须保持在一定的温度，如果温度和给定值相比较偏差较大，则实现梯级快速加温；如果温度和给定值比较，结果比较小，则保持当前温度。本文针对以上对温度控制的复杂要求，运用自适应模糊控制原理，设计一款能独立控温的多路恒温加热温度控制系统，解决复杂条件下浮选加药恒温问题。温控系统的设计要求为：控制误差范围小，一般精度在-0.5，0.5，温度控制范围在0，100；控制点多，药剂有配制药液环节和加药环节，每种药剂有两个温度控制点，因此系统必须要求同时控制6个点以上；能实现单通道温度独立控制和集中全部通道温度并行控制；每个通道的温度都按设定值工作，如果温度和给定值相比较偏差较大，则实现梯级快速加温，如果

4、温度和给定值偏差比较小，则保持当前温度；通道之间温度检测与控制信号不能有干扰，整个温度控制不能干扰其他加药控制的检测信号；能够实现和USB通信，和上位机软件后台数据库通信和PLC可编程控制器通信，实现温度控制和其他浮选作业加药的联合控制，并和组态软件通信；系统要求防雷击干扰，操作人性化，显示清晰化，模块设计长寿化。 用自适应模糊控制的原理进行系统设计，其优点是响应较快、鲁棒性较好、对系统数学模型依赖性小1,2，在温度控制中得到了广泛应用。一般来说，考虑实现的简易性和快速性，模糊控制器普遍采用二维结构形式，以系统误差和误差变化率为输入变量，当目标温度与水浴实际温度误差大时，系统采用自组织模糊控制

5、以减少温度超调，以AT89S52为温度采集器和控制器，外加双极性变换电路模块，实现6路温度的高精度控制。目前国内外研发的多路温度控制装置比较多，但是加温方式单一，加温速度慢，不能实现梯级加温，而且相邻单路间的干扰很大，控制精度不高，不能高精度地应用于复杂难选矿石选矿作业中。1 自组织模糊控制温度控制模型 自组织模糊控制3是一个能在控制过程中自动产生和修改模糊控制决策表的自组织模糊控制算法。该算法不执行矩阵运算，只是在采样计算时修改关系矩阵相应元素，并按照自学习方法修改控制表中相应的控制量，从而建立起完善的模糊控制表。能有效地提高系统的控制性能，对于高阶、非线性、大滞后这类复杂的系统也有效。在温

6、度控制过程中4，为了实现6路温度的独立检测与控制，获得快速、稳定、超调量小的控制效果，每个温发控制点以目标温度Td、实际温度T与目标温度Td的偏差e(e=TdT)、温度偏差变化率e、以及目标温度Td与外部环境温度Tc的差值Tdc(Tdc=TdTc)为决策变量。将检测的温度的偏差信号分为7个区间，见表1。表1 模糊控制模糊推理规则决策查询表-40,-20-20,00,2020,4040,6060,8080,100负大负中负小零正小正中正大NBNBNBNLNMNLPLZONMNBNBNLNMNLZONLNLNBNMNMNLZONLNLZONMNMNMZOPLNLPLPLNLNLZOPLPLPLPL

7、PMNLNLPLPLPLPMPMPBZOZOPLPLPBPBPM 其中，-3，-2，-1，0，1，2，3分别表示负大，负中，负小，零，正小，正中，正大7级，每级代表的温度偏差信号为负大：-40-20，负中：-200，负小：020，零：2040，正小：4060，正中：6080，正大：80100。同时将加热的速度变化也分为7级，分别对应i很快、较快、快、一般、慢、较慢、保持。自组织模糊控制以E、EC为决策变量，E为温度偏差的模糊输入变量，EC为偏差变化率的模糊输入变量，其中 E=INTRound(eke)， EC=INTRound(eke)式中，INT表示取整，Round表示四舍五入，ke、kc分

8、别为温度偏差e、温度偏差变化率e的模糊化因子。每个温度控制口根据输入的偏差变量和偏差变化率的输入量，确定温度加热的速度。偏差变化和加热速度遵循54条模糊推理规则。推理规则根据浮选过程的要求通过小试、中试和现场专家经验、专家数据库来制定，并用MATLAB7.1软件的模糊推理机推导得出具体规则库，规则形式如下： If温度偏差is NB and偏差变化率is NB， Then加热速度is PB； If温度偏差is ZO and偏差变化率is ZO， Then加热速度is ZO； 考虑到控制器超调小和响应速度快的要求以及对药剂的热惯性大等因素，当E、EC的值小于-3或大于3时，E、EC分别取-3或31

9、；通过表1可知，自组织模糊控制的加热速度随温度偏差e和温度偏差变化率e的改变而自适应调节，即温度控制阶段不同，加热速度不同，从而自适应改变温度的控制量，达到响应速度快、超调小的控制目的。2 多路温度控制的工作原理 多路温度控制的主要原理为单片机和模糊控制方法相结合，单片机检测温度传感器传回的信号进行模数转换后，将温度分为7个区间，分别为高、较高、中高、较中高、低、较低。然后运用模糊控制算法原理，根据给定温度和实际温度的绝对差值制定温度加热的模糊控制规则，制定规则查询表，对系统进行编程和单片机程序写入。规则对模糊控制器的加温速度是不一样的，当给定值和实际值相差很大时，加温速度则快；当给定值和实际

10、值相差不大时，加温速度则相当慢；在给定值附近时则维持当前温度。加温速度控制模块用极性变换电路来实现。 工作原理见图1。输入模块1的6个电磁继电器循环检测6点的温度，温度设定为5个区间，分为高温、较高温、中温、低温、较低温，检测的值经过14位A/D转换，然后送入单片机模块5，进行对比计算，启动与加热管1l相连的加热模块8的电磁继电器，实现恒温的目的。触摸屏显示模块6采用彩色触摸屏的人性化设计，方便给定读数的设置。所用的控制算法为自适应模糊控制，控制精确。3 系统的主要硬件结构和流程 浮选药剂多路神经模糊控制温控装置的结构如图1。先制作出输入模块1、电源模块3及单片机模块4，将6个不锈钢ptl00

11、制成的温度传感器10(检测范围为-60600)连接在输入模块1上，将输入模块1通过A/D转换模块5(A/D转换为14位，检测精度为0.01)与单片机模块4连接，将按键模块2的输出端与单片机模块4进行连接(按键模块2提供开机、关机按钮及程序与入口按钮)，单片机模块4通过D/A转换模块7与加热模块8连接，在加热模块8上连接有5个加温额定功率为2500W的加热管11(加热管11采用0.5m的不锈钢制作，5个加热管11的功率为12500w)；电源模块3由两部分组成，一部分为9 V直流电源，由一个插槽和一个挡板组成，由220 V电源经变压滤波得到，供给单片机模块4；另一部分为220 V交流电源，由一根电

12、源线和插头组成，插头直接插入民用220 V电源，直接供给加温模块8的固态电磁继电器。在单片机模块4上连接触摸屏显示模块6及电磁屏蔽及防雷击模块9。 在整个装置上还装有5点键盘功能、功能拓展口和串行通信口，使装置可以和PC上位机通信、PLC可编程控制器通信；电磁屏蔽及防雷击模块9能使检测端口的检测信号不互相干扰，加热模块8的强电流也不干扰检测端口。在复杂难选矿石的浮选加药过程中使用，所用的控制原理为神经模糊控制，通过触摸屏显示模块6上的触摸按钮来进行控制，方便温度设置。主要技术指标为：可控温范围0100；温度控制精度：05；供电电源：交流电220V；最大设计功率：12000W；许用电流：15A；

13、单路功率：2000W：最大控温通道：6路。图1 模糊自动恒温6路温度控制系统结构示意图4 触摸屏软件设计 为了达到温度控制人性化要求，本系统的显示模块采用10英寸触摸屏。接通电源后，系统处于待机状态，单击设备启停开关，系统开始工作，系统的所有模块将被激活，此时屏幕显示如图2：“欢迎您使用恒温控制系统。”图2 开机界面显示 5 s后，显示如下画面，画面有4个区域，左上为图像显示区域，命名为A区域，右上为状态数据显示和文字分析区域，命名为B区域，左下为按键选择区域，命名为C区域，右下为设置数字按键，命名D区域。按键区单击响应，按键转变为红色，数字区的左箭头表示取消左一位，右箭头表示右移一位但是不删

14、除，或者按照一般工况机键盘设计，如图3。图3 温控主界面 当触摸1时，将设置1路温度控制，显示如图4。设置温度控制区间，设置完后，点确认，系统加温装置启动，设置不正确，点重置键重新设置。同理实现全部控制口的设置操作。触摸设备运行显示按钮时，将在1区显示如图所示的温度设定值和控制值。设置完毕，系统自动运行，显示实时控制窗口数据，如图5所示。图4温控设置界面图5 温控运行界面 同理，当触摸显示温时曲线时，在1区和2区将显示温度时间曲线。当点击PC机接口时，系统通过接口数据线和上位机接口，上位机的触摸屏页面有和上面一样的温度设置等界面，可以控制热管的工作。当某路温度控制需要停止时，只需要触摸一下某路

15、温度的运行端，端口就立即掉电。5 多路温度系统特点 a浮选在混药的环节加温和实现恒温，精度高，可控范围大。温度控制在O100左右，温度可调，可以根据实际需要调整。混药环节的温度要求及时加温，加热到给定温度的时间不能超过储水的时间，能即时加热。 b在混药剂的同时，药剂保持恒定的要求温度，而且全储桶均匀。 c加药槽内的药剂能够实现多路恒温，恒温的标准不一样。第一个槽的温度在55左右，第二个槽的温度在60左右，第三个槽的温度在40左右。 d温度系统控制方式灵活多变，不但能进行单点一对一控制，而且还能够同时进行6点控制，检测与加热一体化。 e温度控制系统所有模块人性化设计，操作简单，可靠性高。在控制过

16、程中，可以实现单路控制。本系统精度高，可精确到百分位，能很好地应用到浮选药剂要求恒温的场合，并能推广应用到其他单路温控场合。 f系统设计USB接1：3，不但能单独使用，而且通过电脑等上位机，可以和电脑主机通信，可以和PLC可编程控制系统通信，在组态软件编写的界面设置温度，同样可以驱动控制器。6调试与结论 在实施过程中，系统连线如图6。 用导线接通220 V交流电源模块3，打开系统启动开关，装置正常工作，触摸屏显示模块6显示项目，当设置某一个通道的温度的区间值后，装置自动判断温度在哪一个区间，然后启动加热电流，根据已知区间和目标区间的大小确定加热速度的快慢。如果温度在设定的区间范围内，系统则不动

17、作，使温度保持在某一恒定的值。如果要退出加热环节，只需要点击一下触摸屏显示模块6的按钮，就可以实现停止加热，简单高效方便。并设有防干扰和防雷击模块，系统受外界的干扰影响小。当系统和PC机和PLC通信时，直接接通串行通信线即可。系统还设有升级口，可以方便进行升级和维护。图6 模糊自动恒温6路温度控制系统连线图 接线调试完毕，本系统用在了复杂难选矿石的药剂温度控制当中。实践表明，对于多路温度控制系统，引入自适应模糊控制决策，系统对多路温度控制误差小，可操作性强，在复杂难选矿石的浮选中，提高了浮选指标。7参考文献1李界家，马斌，叶选，等参数自调整模糊控制器在空调控制系统中的应用J仪表技术与传感器，2

18、005，(6)：15-162诸静模糊控制原理与应用M北京：机械工业出版社，1995：220-2223吴庆华，任长明，杨博一种自组织模糊控制算法及其实现1天津大学学报(自然科学与工程技术版)1999，(03)，48-524杨艳华，汪鲁才，等恒温水浴温度复合智能控制方法与实现J仪表技术与传感器，2010，(8)：85-89Design and implementation of temperature control system of many different pathsin refractory ores dressingLI Long-jiang1，2，ZHANG Qin1，2(1.In

19、stitute of Mining Technology，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550003，China；2.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Nonmetallic Mineral Resources，Guiyang Guizhou 550003，China)Abstract：When doing sorting operation for refractory ores which is complex to process，we often need to use more than three kinds of reagentsDuring the process of mixing and adding reagents，each reagent has its strict demand for temperatureTh