逄啟壽，羅 璇

（江西理工大學，江西 贛州 341000）

稀土串級萃取過程中，流量控制是整個分離控制中至關重要的環(huán)節(jié)，它對稀土萃取產(chǎn)品的質量有直接影響。流量對管道壓力有影響，有時會造成管道欠壓或過壓，影響萃取給料。稀土萃取過程中，介質都具有較強的酸腐蝕性，而且流量變化范圍較大。較原始的生產(chǎn)車間常用水車式圓盤戽斗流量控制器，目前，在大型先進稀土萃取車間，往往采用閥門和變頻調速來控制流量。

1 稀土萃取給料系統(tǒng)特性曲線分析

稀土萃取過程中，通常運用變頻轉速法和閥門控制法對流量加以控制。變頻轉速法是以閥門開度不變，通過變頻器改變水泵電機轉速來控制流量。圖1中，B1、B2、B3為管阻特性曲線，n1、n2、n3分別為不同轉速下的揚程特性曲線，K點是給料動平衡點。當改變電機轉速，揚程特性曲線由n1移到n2，管阻特性曲線B1不變，流量由Q0減小到Q1，揚程由h2減小到h3，其屬于變壓變流控制，輸出功率為矩形（O，Q1，P，h3）部分，功率為

閥門控制法是使開度管阻特性曲線B1變到B3，管阻特性發(fā)生改變，平衡點由K點移到G點，泵的轉速保持不變，流量由Q0減小到Q1，揚程由h2增加至h1。流量為Q1處，輸出功率為矩形（O，Q1，G，h1）部分，其功率為

通過比較，變頻調速流量控制功率遠遠小于閥門開口流量控制功率，節(jié)能效果非常明顯。但由于實際生產(chǎn)過程中流量控制變化范圍較大，較小流量控制水泵提供的揚程較小，導致管道欠壓，不能正常供應料液。為了解決這一問題，將給料系統(tǒng)設計為恒壓。圖1中，管阻特性曲線流量由Q0減小到Q1時，管阻特性曲線由B1變?yōu)锽2，保持壓力不變，通過調節(jié)轉速達到穩(wěn)定點E，其輸出功率為

因此，變頻調速恒壓給料流量控制可以節(jié)省的功率為矩形（h1，G，E，h2）圍成的面積：

圖1 管網(wǎng)及水泵運行特性曲線

2 稀土萃取恒壓變頻調速給料流程結構

如圖2所示，料液從儲罐流出，經(jīng)過泵機再經(jīng)過數(shù)字控制閥。數(shù)字控制閥由數(shù)字電路控制系統(tǒng)控制閥門開口，根據(jù)流量計得到的數(shù)據(jù)合理控制閥門。泵機直接連接交流變頻電源，轉速不變。由于萃取過程中流量時刻處在變化之中，通過流量揚程特性曲線分析得知，管阻特性曲線變化時，流量的改變必將影響揚程，進而改變管道口壓力；壓力的不穩(wěn)定又會影響給料的正常進行。管道壓力過高，會直接影響給料管道使用壽命且浪費能源。稀土萃取料液的酸性較強，一般使用PVC管道運送，而PVC管道的壓力承受能力差。當壓力太低時，管道處在欠壓狀態(tài)，通常不能把料液順利送到萃取槽進料口。通過壓力傳感器測量泵的出口壓力，用PLC控制變頻器輸出頻率進而控制電機轉速，可以平穩(wěn)輸送料液。

圖2 恒壓控制流程結構圖

3 萃取過程壓力控制分析

稀土萃取過程具有非線性、時滯性、強耦合性及時變性，而流量的精準控制往往與壓力相關，因此，合理控制壓力能夠保證精準的流量控制。而壓力控制同樣是一個非線性、大滯后的控制過程，非常難以控制，且難以建立精確的數(shù)學模型。傳統(tǒng)的PID參數(shù)一經(jīng)設定就不能自動更改，這給控制精度帶來不穩(wěn)定性，而模糊控制具有較強的自學習能力，能夠根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境自動調整輸出參數(shù)，所以將模糊控制理論與經(jīng)典的PID控制相結合，并根據(jù)稀土萃取過程給料壓力的變化，時時調節(jié)PID的3個參數(shù)。

4 模糊參數(shù)自整定PID控制器的設計

模糊參數(shù)自整定PID控制器是在經(jīng)典PID基礎上分別對其3個參數(shù)Kp、Ki、Kd進行在線整定，使達到對管道壓力優(yōu)化控制。控制原理如圖3所示，模糊控制過程由模糊化、模糊控制規(guī)則、模糊推理和去模糊化等幾個步驟實現(xiàn)。

圖3 給料壓力調節(jié)系統(tǒng)模糊自整定PID控制器結構圖

4.1 輸入輸出模糊化

模糊PID控制器輸入時，管道壓力誤差及誤差變化率分別為E和EC，輸入變量的模糊論域的子集區(qū)為 ［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］，論域等級?。郏?，6］，管道最高壓力不超過394 kPa，正常情況下約為376kPa，最低壓力約為358 kPa。

模糊輸出3個參數(shù)分別為Kp、Ki、Kd，應用傳統(tǒng)的PID，3個參數(shù)取值分別設定為Kp＝5.48，Ki＝4.98，Kd＝1.37。設輸出控制參數(shù)Kp、Ki、Kd模糊子集都為［負大，負中，負小，零，正小，正中，正大］，簡記為［NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB］。

4.2 模糊規(guī)則的確定

根據(jù)經(jīng)驗，建立合理的模糊給料壓力PID自調整參數(shù)。根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)E及EC分別分析如下［1－2］：

1）如果E較大，則誤差的絕對值較大，此時不論誤差變化趨勢如何，都應該考慮控制器的最大輸出，應取較大的Kp；為了防止飽和，應取較小的Ki；同時，為了防止微分飽和且出現(xiàn)較大的超調，應該取Kd＝0。

2）如果E·EC＞0，說明誤差朝增大的方向變化。假如E較大，則可以考慮由控制器實施較強的控制效果，使誤差絕對值減小，但此時Ki、Kd要適中，不能太大；Ki取較小值，因為E絕對值偏小，控制器實施一部分控制作用，只要改變誤差的變化趨勢，即可使其朝誤差絕對值減小方向變化。

3）如果E·EC＜0，說明誤差朝減小的方向變化。假如E較大，則應該實施一般的控制，這樣可迅速減小誤差絕對值，應該取中等Kp，較小的Ki和中等Kd，使系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)性能提高；假如E較小，則為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定性能，應該增大Kp和Ki，同時為了避免系統(tǒng)在穩(wěn)定值附近震蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，應該取中等Kd。

4.3 反模糊化過程

通過上面推理得到的3個參數(shù)是反模糊化的量，必須對其反模糊化得到清晰化的量。通過重心算法對其進行反模糊化，計算公式［3］如下：

由于計算工作量非常大，通常應用MATLAB模糊工具箱把規(guī)則輸入到工具箱中，計算后可方便地得出結果。

5 恒壓供料系統(tǒng)模型的建立及仿真

本課題供料恒壓控制系統(tǒng)考慮為滯后一階慣性環(huán)節(jié)，對變頻器的調節(jié)及傳感器壓力檢測等滯后時間忽略不計，其表達式［4］為

式中：k為供料系統(tǒng)的穩(wěn)定增量，t為時間常數(shù)，τ為純滯后時間。參數(shù)的確定通過離線開環(huán)階躍響應法，由控制器輸出一個適當?shù)碾A躍響應信號，使泵的轉動速度提高到一定的幅度，分別記錄下料液的壓力變化情況，再根據(jù)輸入輸出情況辨別。

通過現(xiàn)場試驗得到經(jīng)驗值k＝6.8，t＝5.7，τ＝0.52s，所以給料近似模型為

仿真結果如圖4所示。可以看出，模糊參數(shù)自整定PID與常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比，其震蕩次數(shù)減少，超調量較小，過度時間縮短，具有較好的穩(wěn)定性。

圖4 仿真結果

6 結論

通過分析揚程流量特性曲線，得出恒壓流量給料控制的穩(wěn)壓、節(jié)能優(yōu)勢。參數(shù)自整定模糊PID控制與傳統(tǒng)PID控制相比，具有良好的穩(wěn)定性，在稀土萃取過程中，可實現(xiàn)壓力穩(wěn)定控制，保證萃取料液長期穩(wěn)定供應。

［1］曹永成，姜斌，李彥林.基于模糊PID的城市供水恒壓控制研究［J］.職業(yè)技術，2011（7）：137－138.

［2］黃良沛，劉義倫，陽小燕.參數(shù)自適應模糊PID控制在恒壓供水系統(tǒng)中應用［J］.礦山機械，2005（7）：29－30.

［3］肖順根.稀土萃取中模糊自調整PID的給料流量智能控制系統(tǒng)研究［D］.贛州：江西理工大學，2008：26－35.

［4］謝靜.基于神經(jīng)模糊PID混合控制的恒壓供水系統(tǒng)［D］.西安：西安科技大學，2011：32－33.