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喷雾式乳液干燥过程控制系统设计

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1. 引言
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制,又称PID调节.当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须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，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。本文以工业中的喷雾式乳液干燥系统为控制系统,利用PID进行控制。

2. 生产过程简介及设计要求
2.1生产过程简介
如图2—1所示通过气干燥器将浓缩乳液干燥成乳粉.
图2-1 乳液程示意图
阀1
阀2
阀3
浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A和B，滤去凝结块和其它杂质后，从干燥器顶部由喷嘴喷下。
空气由鼓风机送至换热器（蒸汽）加热后，再与来自鼓风机的空气混合,经风管送往干燥器，由下而上吹出,从而蒸发掉乳液中的水分，使之成为奶粉，并随湿空气一起送出进行分离。
生产工艺对干燥后的产品质量要求很高,水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进行严格控制.若温度波动±2℃,产品质量可以符合要求。
2.2设计要求
以乳化物的干燥过程为例来设计干燥器。由于乳化物属于胶体物质,激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。
浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A或B，虑去凝结块和其他杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷下。有鼓风机将一部分空气送至换热器，用蒸汽进行加热,并将与来自鼓风机的另一部分空气混合，经风管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起由底部送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进行严格控制。

3. 被控参数与控制参数的选择
3。1被控参数的选择

根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。考虑到一般情况下的测量水分的仪表精度较低，故选用间接参数，即干燥的温度为被控参数，水分与温度一一对应，将温度控制在一定数值上。
3。2控制参数的选择

经过对图1的分析，可知影响干燥器温度的因素有乳液流量 ,旁路空气流量 ，和加热蒸汽流量 。选其中任意变量都可作为控制参数,均可构成温度控制系统。选其中任意变量作为控制参数，，均可构成温度控制系统。图中用调节阀位置代表三中控制方案.其框图分别如图3-1，图3-2,图3-3所示。对其进行近一步的分析一边选取最优的方案。
按图3-1进行分析可知，乳液直接进入干燥器,控制通道的滞后最小，对被控温度的校正作用最灵敏,而且干扰进入系统的位置远离被控量，所以将乳液流量作为控制参数应该是最佳的控制方案 ；但是，由于乳液流量是生产负荷，工艺要求必须稳定,若作为控制参数则很难满足工艺要求.所以,将乳液流量作为控制参数的控制方案应尽可能避免。

图3—1 乳液流量为控制参数时系统框图

图3—2 风量为控制参数时系统框图

按图3—2进行分析可知，旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器,它与图3-1控制方案相比，控制通道存在一定的纯滞后，对干燥温度校正作用的灵敏度虽然差一些，但可通过缩短传输管道的长度而减小纯滞后时间。

图3-3 蒸汽量为控制参数时系统框图

按图3-3所示的控制方案分析可知，蒸汽需经过换热器的热交换，才能改变空气温度。由于换热器的时间常数较大,而且该方案的控制通道既存在容量滞后又存在纯滞后，因而对干燥温度校正作用的灵敏度最差.
根据以上分析可知，选择旁路空气量作为控制参数的方案比较适宜.

4. 检测仪表的选择
4。1测温元件及变送器的选择

因被控温度在600摄氏度以下,热电阻的线性特性要优于热电偶，而且无需进行冷端温度补偿，使用更加方便，故选用热电阻温度计。由于热电阻的三线制接法可利用电桥平衡原理较好地消除导线电阻的影响，所以选用三线制接法，并配用温度变送器.

4。2调节阀的选择

根据生产工艺安全的原则，适宜选用气关式调节阀；根据过程特性与控制要求,宜选用对数流量特性的调节阀。
调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示,它们的确定是合理应用执行器的前提条件.确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量(m3或kg）。可见流通能力直接代表了调节阀的容量.
由流体力学理论可知,当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为：

式中,α为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定;A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。
依据流通能力的定义，则有 ：

流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即

调节阀尺寸的确定过程为根据通过调节阀的最大流量,r为流体重度 ，以及调节阀的前后压差,先由上式求得最大的流通能力，然后选取大于 最低级别的C值，即可依据下表确定出Dg和dg的大小。

调节阀流通能力C与其尺寸的关系

4。3调节器的选择

根据过程特性与工艺要求，宜选用将比例与积分组合起来,既能控制及时，又能消除余差的比例积分控制（PI）控制规律.

式中 为PI调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比
由于选用调节阀为气关式，则Kv为负;对于Ko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Ko为正;一般测量变送Km为正。是系统中各环节静态放大系数极性乘机为正，则调节器Kc取负，即选用正作用调节器。

4-1 比例积分调节器的阶跃响应特性

4.4 温度控制原理图及其系统框图

根据上述设计控制方案,喷雾式干燥设备控制系统的系统框图如下

5。调节器的参数整定
v 对与调节起的参数整定我选择的是临界比例度的整定放法。
v 临界比例度法是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性 ，其方法简单、使用方便，因而获得广泛应用。
v 调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性,确定PID调节器的比例度 、积分时间TI以及微分时间TD的大小。在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量.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。
具体整定过程步骤如下:
1）。首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值 。
2）。等系统运行稳定后,对设定值施加一个阶跃变化，并减小直到出现下图所示的等幅振荡曲线为止。如图5—1

图5—1

记录下此时的临界比例度和等幅振荡周期 .按图三的经验公式计算出调节器的 、TI、TD如我们假设控制对象传递函数。

因调节器选用PI,则可设

根据临界比例度法，先将调节器的积分时间TI置于最大，

则 GC≈

此时系统传函

特征方程

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，

查图七可得KC=2.84，TI=4。76

图七 模拟控制规律

运用这样的整定方法我们就可以获得工艺生产所要求的参数了，满足过程特性和工艺要求,生产出合格的产品.

5. 总结
5。1 方案评价及改进方向
本系统能将牛奶液体的干燥温度进行严格控制，并且有较快的抗干扰能力减小纯滞后时间。改进主要针对对成品温度的控制的灵敏度的提高
5。2 收获及体会
通过这次的设计使我对过程控制中所学习到的知识得到的更加深刻的认识以及巩固，也使我在学习书本知识的同时学会了将学习到的知识应用到实际生产中，在实际生产中拓展自己的能力和自己的学习热情。通过这次的设计也使我对控制系统产生了深刻的认识，在我脑海里产生了深刻影响。
通过这几天的忙碌,我学会了许多我们在课堂上面所学不到的知识和能力。在我们做课程设计的时候我们将面对许许多多的系统传递函数，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的知识和自己的查阅资料的能力，综合运用以前上课时老师教我们的分析方法去分析新的问题。
还有通过这几天的设计,我也认识到了和同学配合的重要性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美的，我们也不能是万能的什么都知道，在学习生活中团队配合才是重要的。在这次的课程设计中也是得到了很多同学的帮助才能够使我快速准确的完成了这次的设计。

6. 参考文献
[1] 过程控制，金以慧。北京：清华大学出版社，1993。4： 103—118
［2] 何衍庆.工业生产过程控制。北京：化学工业出版社,2004。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，2002.7：42-62
［4] THSA-1过控综合自动化控制系统实验平台实验指导书
［5] 过程控制,金以慧.北京:清华大学出版社，1993。4： 205—209

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