喷雾式干燥设备控制综合系统.docx

理学院课程设计汇报

课程名称：
过程控制系统课程设计

项目名称：
喷雾式干燥设备控制系统

院 系：
理学院
专 业：
自动化1401
学 号：

姓 名：
苏 鹏
指导导师：

6月10日
西京学院理学院制
摘 要
此次课程设计题目是奶粉喷雾式干燥设备控制系统设计。在众多干燥设备中，喷雾干燥器是应用较广干燥器之一，是处理溶液、悬浮液或泥浆状物料干燥设备。能从液体直接干燥成粉体，这是喷雾干燥器最大优点；热效率低、体积庞大、生产能力低、投资高是它缺点。喷雾干燥器工作原理是：用喷雾方法将物料喷成雾滴分散在热空气中，物料和热空气呈并流、逆流或混流方法相互接触，使水分快速蒸发，达成干燥目标。在设计中选择物料干燥温度为被控参数，而对于控制参数选择则是经过三种方案比较最终选择用旁路空气量作为控制参数。依据过程特征和工艺要求，宜选择将百分比和积分组合起来，既能控制立即，又能消除余差百分比积分控制（PI）控制规律。应用临界百分比度法对调整器参数进行整定，使整个控制系统处于最优工作状态，满足生产工艺上要求。
关键词：PID控制；控制系统设计；单回路控制系统

Abstract
The subject of this course design is the control system design of milk spray drying equipment. Among many drying equipment, spray dryer is one of the dryer which is widely used. It is a drying equipment for treating solution, suspending liquid or mud material. The most important advantage of a spray dryer is its ability to dry directly from liquid. It has its disadvantages of low thermal efficiency, large volume, low production capacity and high investment. The working principle of the spray dryer is used: spray method material sprayed droplet dispersion in hot air, and hot air and a material flow, countercurrent or mixed mode of contact with each other, so that the rapid evaporation of water, to achieve the purpose of drying. In the design, the drying temperature of the material is chosen as the controlled parameter, and the choice of control parameters is through the comparison of the three schemes. Finally, the bypass air volume is chosen as the control parameter. Finally, the critical proportion method is used to adjust the parameters of the regulator. Make the whole control system in the optimal working state, and meet the requirements of the production process.
Keywords：PID control；control system design； Single loop control system

目录
1引言 1
2干燥过程控制系统设计 1
2.1生产过程 1
2.2设计要求 2
3被控参数和控制参数选择 2
3.1被控参数选择 2
3.2控制参数选择及方案设计 2
4检测仪表选择 5
4.1测温元件及变送器选择 5
4.2调整阀选择 5
4.3调整器选择 6
5.调整器参数整定 7
6仿真及分析 9
7总结 11
7.1 方案评价及改善方向 11
7.2 收获及体会 11

1引言
为了提升在奶粉生产过程中干燥速度、质量，提升奶粉乳液转变成品生产效率，需要一套稳、准、快控制系统，因为喷雾干燥设备有可直接由溶液或悬浮体制得成份均匀粉状产品特殊优点，本课程设计要完成喷雾式奶粉干燥控制系统设计。本文以工业中奶粉喷雾干燥系统为控制系统,利用PID进行控制。在工程实际中，应用最为广泛调整器控制规律为百分比、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调整。当被控对象结构和参数不能完全掌握，或得不到正确数学模型时，控制理论其它技术难以采取时，系统控制器结构和参数必需依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能经过有效测量手段来取得系统参数时，最适适用PID控制技术。
2 干燥过程控制系统设计
2.1生产过程
在奶粉生产过程中，干燥程序是奶粉生产关键步骤之一，喷雾干燥过程是物料由泵送至喷雾干燥器内，由雾化器将其分散为小雾滴；空气经加热送入干燥室内和料雾混合、接触；最终完成干燥过程。喷雾式干燥过程示意图图2-1所表示。
图2-1 奶粉喷雾干燥工艺步骤图
奶粉喷雾干燥过程生产工艺要求是将原料奶液用空气干燥成奶粉，首先经过管道供气设备将物料——已浓缩奶液（因为将液体奶制造成奶粉喷雾干燥器能量消耗大（相当于1.7kg蒸汽，蒸发1kg水），所以常常是将奶液在引入喷雾干燥器之前进行浓缩，形成浓缩奶液）送入干燥室；干燥空气经过过滤以后被一涡轮式风扇以告诉引入，经过空气加热器（这一加热器能够是蒸汽辐射式，亦能够是均匀热油）将空气从室温干燥温度150-200；干燥箱有一锥形底部，热空气经过顶部空气分配系统进入，雾化奶滴是从很靠近刚进来热空气位置进入，热空气立即和雾化奶滴相接触，这么快速混合可立即使水分瞬间蒸发；是奶粉干燥成颗粒，大部分全部将至其底部，经过管道空气排出，干燥了奶粉再行分离，输出产品——奶粉。干燥后成品质量要求高，含水量波动不能过大。
2.2设计要求
奶粉喷雾干燥过程生产工艺要求是将原料奶液用空气干燥成奶粉。因为乳化物属于胶体物质，猛烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，所以采取高位槽喷雾措施。浓缩乳液由高位槽经过滤器，虑去凝结块和其它杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷下。鼓风机将一部分空气送至空气加热器，经风管送往干燥器，由下而上吹，方便蒸发掉乳液中水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起由底部送出进行分离。生产工艺对干燥后产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，所以需要对干燥温度进行严格控制。
3被控参数和控制参数选择
3.1被控参数选择
依据生产工艺，水分含量和干燥温度亲密相关。考虑到通常情况下测量水分仪表精度较低，故选择间接参数，即干燥温度为被控参数，水分和温度一一对应，将温度控制在一定数值上。
3.2控制参数选择及方案设计
影响奶粉产品产量和质量和很多原因相关，如料浆中固形物含量、热风温度、空气流率,进入雾化器浓缩液流等。而产品最终含水量和干燥机热风进口温度、加热器出口温度及干燥器内负压等参数有直接关系。经分析可知，干燥器进口温度是控制干燥产品质量最关键原因,所以将干燥器进口温度选作被控变量。而影响干燥温度原因有物料流量,空气流量和燃料改变。系统可选择三种操作变量组成温度控制系统。其框图分别图3-1，图3-2，图3-3所表示。对其进行近一步分析一边选择最优方案。
方案1:图3-1所表示，将物料流量作为操纵变量，物料经泵送入干燥器，通道滞后时间最短，对干燥温度调整作用最灵敏,而且干扰所处位置靠近调整阀，似乎最适宜作为操作变量，但从工艺分析看，物料流量是生产负荷，需要维持稳定才能保持产量，所以它不宜作为操作变量。
图3-1 操作变量为物料流量控制系统
方案2: 图3-2所表示，以旁路空气作为操作变量，旁路空气经和热风混合后，再经过风管进入干燥器，和方案1相比，它组成调整通道时滞大，控制灵敏度次之。
图3-2 操作变量为旁路空气控制系统
方案3：图3-3所表示，选择蒸汽流量作为操作变量，调整通道长，容量滞后大，控制灵敏度差，全部干扰进入位置均靠近被控变量。
图3-3 操作变量为蒸汽流量控制系统
从上图能够看出多种干扰作用点分布对控制方案影响对方案三来说是很清楚。对方案二来说，因为不管是鼓风温度改变或蒸汽压力改变，全部影响到热交换器后热风温度，所以，物料流量干扰和旁路空气干扰作用在同一点上。对方案一来说，不管何种干扰全部是乳液量或喷雾口热风温度发生改变，所以三个干扰全部作用在同一点上。
对应控制系统框图3-4所表示。表示干燥器，为调整器，为乳液流量或喷雾口热风温度改变。在方案二中，调整器作用到旁路管路，因为有管路传输纯滞后存在，故较方案一多一个纯滞后步骤。为热交换器后热风改变。在方案三中，调整器调整热交换蒸汽流量，热交换器本身为一双容积对象，所以又多了两个容积。这里每个容积时间常数。为送入
热交换器蒸汽流量改变。

图3-4 方案一调整方案框图

图3-5 方案二调整方案框图
图3-6 方案三调整方案框图
系统三种干扰分别为：
（1）干扰——乳液流量改变；
（2）干扰——热交换器散热及温度改变；
（3）干扰——蒸汽压力改变。
4检测仪表选择
依据生产工艺及用户要求，宜选择型仪表，具体选择以下：
4.1测温元件及变送器选择
因被控温度在600摄氏度以下，热电阻线性特征要优于热电偶，而且无需进行冷端温度赔偿，使用愈加方便，故选择热电阻温度计。因为热电阻三线制接法可利用电桥平衡原理很好地消除导线电阻影响，所以选择三线制接法，并配用温度变送器。
4.2调整阀选择
依据生产工艺安全标准，适宜选择气关式调整阀；依据过程特征和控制要求，宜选择对数流量特征调整阀。
调整阀尺寸通常见公称直径Dg和阀座直径dg表示，它们确实定是合理应用实施器前提条件。确定调整阀尺寸关键依据是流通能力，它定义为调整阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时经过阀门流体流量（m3或kg）。可见流通能力直接代表了调整阀容量。
由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，经过调整阀体积流量为：

公式中，α为流量系数，它取决于调整阀结构形状和流体流动情况，可从相关手册查阅或由试验确定；A0为调整阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。
依据流通能力定义，则有 ：

流通能力C和调整阀结构参数有确定对应关系。这就是确定调整阀尺寸理论依据可得流通能力和流体重度、阀前后压差和介质流量三者定量关系，即：

调整阀尺寸确实定过程为依据经过调整阀最大流量，r为流体重度 ，和调整阀前后压差，先由上式求得最大流通能力，然后选择大于 最低等级C值，即可依据下表确定出Dg和dg大小。
表3-1调整阀流通能力C和其尺寸关系

4.3调整器选择
依据过程特征和工艺要求，宜选择将百分比和积分组合起来，既能控制立即，又能消除余差百分比积分控制（PI）控制规律。
式中 为PI调整器积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出最大值和纯百分比作用时产生输出改变之比
因为选择调整阀为气关式，则为负；对于来说，由前所诉，当被控过程输入空气增加时，其输出（水分散发）亦增加，故为负；通常测量变送Km为正。是系统中各步骤静态放大系数极性乘机为正，则调整器取正，即选择反作用调整器。
5 调整器参数整定
对和调整起参数整定我选择是临界百分比度整定放法。
临界百分比度法是一个闭环整定方法。因为该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程动态特征 ，其方法简单、使用方便，所以取得广泛应用。
调整器参数整定任务是依据被控过程特征，确定PID调整器百分比度 、积分时间TI和微分时间TD大小。在简单过程控制系统中，调整器参数整定通常以系统瞬态响应衰减率为关键指标，以确保系统含有一定稳定裕量。另外还应满足系统稳态误差、最大动态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。
具体整定过程步骤以下：
（1）首先将调整器积分时间置于最大，微分时间置零，百分比度置为较大数值 。
（2）等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃改变，并减小直到出现下图所表示等幅振荡曲线为止。图5-1所表示。

图图5-1等幅振荡曲线
统计下此时临界百分比度和等幅振荡周期 ，按经验公式计算出调整器 TI、TD如我们假设控制对象传输函数。

因调整器选择PI，则可设：

依据临界百分比度法，先将调整器积分时间TI置于最大，
则：
此时系统传输函数：

特征方程为：

其中，
为满足等幅振荡条件，将s=jw带入，令实部，虚部为0
解得：K=6.3 即 =0.16，

查表 5-1可得KC=2.84,TI=4.76
表5-1 临界百分比度法参数计算表
整定参数及
调整规律

利用这么整定方法我们就能够取得工艺生产所要求参数了，满足过程特征和工艺要求，生产出合格产品。
6仿真及分析
假设干燥器传输函数为，控制器采取控制，干扰由不一样位置作用下系统仿真结构图和仿真对应曲线图。
方案一：Simulink仿真方案：

图6-1方案一Simulink仿真结构图

图6-2方案一Simulink仿真对应曲线图
方案二：Simulink仿真方案：

图6-3 方案二Simulink仿真结构图

图6-4 方案二Simulink仿真对应曲线图
方案三：Simulink仿真方案：

图6-5 方案三Simulink仿真结构图

图6-6 方案三Simulink仿真对应曲线图
依据干扰作用点对调整质量影响分析和关键干扰施加点越靠近调整阀控制质量相对较高标准。方案一干扰作用点和对象输入重合，调整作用最快速，所以其控制性能最好，方案二次之；方案三最差。从控制品质方面考虑，应该选择方案一，既选择乳液流量作为操作变量。不过在选择调整方案时，还得从工艺角度来考虑，方案一并不是最有利，不过物料流量是负荷。另外在乳业管线上装了调整阀，轻易使浓缩乳液结块，降低了产量和质量。所以，综合以上分析比较，选择方案二是比很好，即采取旁路空气作为操作变量。
7总结
7.1 方案评价及改善方向
本系统能将奶粉液体干燥温度进行严格控制，而且有较快抗干扰能力减小纯滞后时间。改善关键针对对成品温度控制灵敏度提升。
7.2 收获及体会
经过这次课程设计使我对过程控制中所学习到知识得到愈加深刻认识和巩固，也使我在学习书本知识同时学会了将学习到知识应用到实际生产中，在实际生产中拓展自己能力和自己学习热情。经过这次设计也使我对控制系统产生了深刻认识，在我脑海里产生了深刻影响。
经过这几天忙碌，我学会了很多我们在课堂上面所学不到知识和能力。在我们做课程设计时候我们将面对许很多多系统传输函数，微分方程，校正仿真等问题。这也就要求我们利用课上学习到知识和自己查阅资料能力，综合利用以前上课时老师教我们分析方法去分析新问题。
还有经过这几天设计，我也认识到了和同学配合关键性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美，我们也不能是万能什么全部知道，在学习生活中团体配合才是关键。在这次课程设计中也是得到了很多同学帮助才能够使我快速正确完成了这次设计，最终感谢段老师全程指导。

参考文件
[1]邵裕森、戴中先.过程控制工程[M].第二版，北京：机械工业出版社，.01：12～23. 
[2] 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，.3：77-88
[3] 翁维勤.过程控制系统及工程. 北京：化学工业出版社，.7：42-62
[4] THSA-1过控综合自动化控制系统试验平台试验指导书
[5] 过程控制，金以慧.北京：清华大学出版社，1993.4: 205-209

指导老师评阅意见:

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