噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)

1、理學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱：噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)院 系：理學(xué)院專 業(yè)：自動(dòng)化1401學(xué) 號(hào)：1443121033姓 名：蘇 鵬指導(dǎo)導(dǎo)師：2017年6月10日西京學(xué)院理學(xué)院制摘 要本次課程設(shè)計(jì)的題目是奶粉噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在眾多的干燥設(shè)備中，噴霧干燥器是應(yīng)用較廣的干燥器之一，是處理溶液、懸浮液或泥漿狀物料的干燥設(shè)備。能從液體直接干燥成粉體，這是噴霧干燥器的最大優(yōu)點(diǎn)；熱效率低、體積龐大、生產(chǎn)能力低、投資高是它的缺點(diǎn)。噴霧干燥器的工作原理是：用噴霧的方法將物料噴成霧滴分散在熱空氣中，物料與熱空氣呈并流、逆流或混流的方式互相接觸，使水分迅速蒸發(fā)，達(dá)到干燥的目的

2、。在設(shè)計(jì)中選擇物料的干燥溫度為被控參數(shù)，而對(duì)于控制參數(shù)的選擇則是通過(guò)三種方案的比較最后選擇用旁路空氣量作為控制參數(shù)。根據(jù)過(guò)程特性與工藝要求，宜選用將比例與積分組合起來(lái)，既能控制及時(shí)，又能消除余差的比例積分控制（PI）控制規(guī)律。應(yīng)用臨界比例度法對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定，使整個(gè)控制系統(tǒng)處于最優(yōu)的工作狀態(tài)，滿足生產(chǎn)工藝上的要求。關(guān)鍵詞：PID控制；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；單回路控制系統(tǒng)AbstractThe subject of this course design is the control system design of milk spray drying equipment. Among many d

3、rying 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, larg

4、e 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 a

5、chieve 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 pro

6、portion 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 systemIII目錄1引言12干燥過(guò)程的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)12.1生產(chǎn)過(guò)程12.2設(shè)計(jì)要求23被控參數(shù)與控制參數(shù)的選擇2

7、3.1被控參數(shù)的選擇23.2控制參數(shù)的選擇及方案設(shè)計(jì)24檢測(cè)儀表的選擇54.1測(cè)溫元件及變送器的選擇54.2調(diào)節(jié)閥的選擇54.3調(diào)節(jié)器的選擇65.調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定76仿真及分析97總結(jié)117.1 方案評(píng)價(jià)及改進(jìn)方向117.2 收獲及體會(huì)11西京學(xué)院理學(xué)院課程設(shè)計(jì)1引言為了提高在奶粉生產(chǎn)過(guò)程中干燥的速度、質(zhì)量，提高奶粉乳液轉(zhuǎn)變成品的生產(chǎn)效率，需要一套穩(wěn)、準(zhǔn)、快的控制系統(tǒng)，因?yàn)閲婌F干燥設(shè)備有可直接由溶液或懸浮體制得成分均勻的粉狀產(chǎn)品的特殊優(yōu)點(diǎn)，本課程設(shè)計(jì)要完成噴霧式奶粉干燥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文以工業(yè)中的奶粉噴霧干燥系統(tǒng)為控制系統(tǒng),利用PID進(jìn)行控制。在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、

8、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。2 干燥過(guò)程的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1生產(chǎn)過(guò)程在奶粉生產(chǎn)過(guò)程中，干燥程序是奶粉生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，噴霧干燥過(guò)程是物料由泵送至噴霧干燥器內(nèi)，由霧化器將其分散為小霧滴；空氣經(jīng)加熱送入干燥室內(nèi)與料霧混合、接觸；最后完成干燥過(guò)程。噴霧式干燥過(guò)程示意圖如圖2-1所示。圖2-1 奶粉噴霧干

9、燥工藝流程圖奶粉噴霧干燥過(guò)程的生產(chǎn)工藝要求是將原料奶液用空氣干燥成奶粉，首先通過(guò)管道供氣設(shè)備將物料已濃縮的奶液（由于將液體奶制造成奶粉的噴霧干燥器的能量消耗大（相當(dāng)于1.7kg蒸汽，蒸發(fā)1kg水），所以常常是將奶液在引入噴霧干燥器之前進(jìn)行濃縮，形成濃縮的奶液）送入干燥室；干燥空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾之后被一渦輪式風(fēng)扇以告訴引入，經(jīng)過(guò)空氣加熱器（這一加熱器可以是蒸汽輻射式的，亦可以是均勻熱油）將空氣從室溫干燥溫度150-200；干燥箱有一錐形的底部，熱空氣通過(guò)頂部空氣分配系統(tǒng)進(jìn)入，霧化奶滴是從非常接近剛進(jìn)來(lái)的熱空氣的位置進(jìn)入，熱空氣立即與霧化奶滴相接觸，這樣迅速的混合可立即使水分瞬間蒸發(fā)；是奶粉干燥成顆粒，

10、大部分都將至其底部，通過(guò)管道空氣排出，干燥了的奶粉再行分離，輸出產(chǎn)品奶粉。干燥后成品質(zhì)量要求高，含水量波動(dòng)不能過(guò)大。2.2設(shè)計(jì)要求奶粉噴霧干燥過(guò)程的生產(chǎn)工藝要求是將原料奶液用空氣干燥成奶粉。由于乳化物屬于膠體物質(zhì)，激烈攪拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽噴霧辦法。濃縮的乳液由高位槽經(jīng)過(guò)濾器，慮去凝結(jié)塊和其他雜質(zhì)，并從干燥器頂部由噴嘴噴下。鼓風(fēng)機(jī)將一部分空氣送至空氣加熱器，經(jīng)風(fēng)管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸發(fā)掉乳液中的水分，使之成為粉狀物，并隨濕空氣一起由底部送出進(jìn)行分離。生產(chǎn)工藝對(duì)干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，水分含量不能波動(dòng)太大，因而需要對(duì)干燥的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。3被控參數(shù)與控制參數(shù)的選

11、擇3.1被控參數(shù)的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝，水分含量與干燥溫度密切相關(guān)?？紤]到一般情況下的測(cè)量水分的儀表精度較低，故選用間接參數(shù)，即干燥的溫度為被控參數(shù)，水分與溫度一一對(duì)應(yīng)，將溫度控制在一定數(shù)值上。3.2控制參數(shù)的選擇及方案設(shè)計(jì)影響奶粉產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量與許多因素有關(guān)，如料漿中固形物的含量、熱風(fēng)溫度、空氣流率,進(jìn)入霧化器的濃縮液流等。而產(chǎn)品的最終含水量與干燥機(jī)熱風(fēng)進(jìn)口溫度、加熱器出口溫度及干燥器內(nèi)負(fù)壓等參數(shù)有直接關(guān)系。經(jīng)分析可知，干燥器進(jìn)口溫度是控制干燥產(chǎn)品質(zhì)量的最主要因素,因此將干燥器進(jìn)口溫度選作被控變量。而影響干燥溫度的因素有物料流量,空氣流量和燃料變化。系統(tǒng)可選擇三種操作變量構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。其框

12、圖分別如圖3-1，圖3-2，圖3-3所示。對(duì)其進(jìn)行近一步的分析一邊選取最優(yōu)的方案。方案1:如圖3-1所示，將物料流量作為操縱變量，物料經(jīng)泵送入干燥器，通道滯后時(shí)間最短，對(duì)干燥溫度的調(diào)節(jié)作用最靈敏,并且干擾所處的位置靠近調(diào)節(jié)閥，似乎最適宜作為操作變量，但從工藝分析看，物料流量是生產(chǎn)負(fù)荷，需要維持穩(wěn)定才能保持產(chǎn)量，所以它不宜作為操作變量。圖3-1 操作變量為物料流量的控制系統(tǒng)方案2: 如圖3-2所示，以旁路空氣作為操作變量，旁路空氣經(jīng)與熱風(fēng)混合后，再經(jīng)過(guò)風(fēng)管進(jìn)入干燥器，與方案1相比，它構(gòu)成的調(diào)節(jié)通道時(shí)滯大，控制的靈敏度次之。圖3-2 操作變量為旁路空氣的控制系統(tǒng)方案3：如圖3-3所示，選

13、擇蒸汽流量作為操作變量，調(diào)節(jié)通道長(zhǎng)，容量滯后大，控制的靈敏度差，所有干擾進(jìn)入位置均靠近被控變量。圖3-3 操作變量為蒸汽流量的控制系統(tǒng)從上圖可以看出各種干擾作用點(diǎn)的分布對(duì)控制方案的影響對(duì)方案三來(lái)說(shuō)是很清楚的。對(duì)方案二來(lái)說(shuō)，因?yàn)闊o(wú)論是鼓風(fēng)溫度的變化或蒸汽壓力的變化，都影響到熱交換器后的熱風(fēng)溫度，因此，物料流量干擾和旁路空氣干擾作用在同一點(diǎn)上。對(duì)方案一來(lái)說(shuō)，無(wú)論何種干擾都是乳液量或噴霧口熱風(fēng)溫度發(fā)生變化，因而三個(gè)干擾都作用在同一點(diǎn)上。 對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)框圖3-4所示。表示干燥器，為調(diào)節(jié)器，為乳液流量或噴霧口熱風(fēng)溫度的變化。在方案二中，調(diào)節(jié)器作用到旁路管路，由于有管路的傳遞純滯后存在，故較方案一多一個(gè)

14、純滯后環(huán)節(jié)。為熱交換器后熱風(fēng)的變化。在方案三中，調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)熱交換的蒸汽流量，熱交換器本身為一雙容積對(duì)象，因而又多了兩個(gè)容積。這里每個(gè)容積的時(shí)間常數(shù)。為送入熱交換器的蒸汽流量的變化。圖3-4 方案一調(diào)節(jié)方案框圖圖3-5 方案二調(diào)節(jié)方案框圖圖3-6 方案三調(diào)節(jié)方案框圖系統(tǒng)的三種干擾分別為：（1）干擾乳液流量的變化；（2）干擾熱交換器散熱及溫度變化；（3）干擾蒸汽壓力的變化。4檢測(cè)儀表的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝及用戶要求，宜選用型儀表，具體選擇如下：4.1測(cè)溫元件及變送器的選擇因被控溫度在600攝氏度以下，熱電阻的線性特性要優(yōu)于熱電偶，而且無(wú)需進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，使用更加方便，故選用熱電阻溫度計(jì)。由于熱電阻的

15、三線制接法可利用電橋平衡原理較好地消除導(dǎo)線電阻的影響，所以選用三線制接法，并配用溫度變送器。4.2調(diào)節(jié)閥的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝安全的原則，適宜選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥；根據(jù)過(guò)程特性與控制要求，宜選用對(duì)數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥的尺寸通常用公稱直徑Dg和閥座直徑dg表示，它們的確定是合理應(yīng)用執(zhí)行器的前提條件。確定調(diào)節(jié)閥尺寸的主要依據(jù)是流通能力，它定義為調(diào)節(jié)閥全開(kāi)、閥前后壓差為0.1MPa、流體重度為1g/cm3時(shí)，每小時(shí)通過(guò)閥門的流體流量（m3或kg）?？梢?jiàn)流通能力直接代表了調(diào)節(jié)閥的容量。由流體力學(xué)理論可知，當(dāng)流體為不可壓縮時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的體積流量為：公式中，為流量系數(shù)，它取決于調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形狀和流體流動(dòng)狀

16、況，可從有關(guān)手冊(cè)查閱或由實(shí)驗(yàn)確定；A0為調(diào)節(jié)閥接管截面積；g為重力加速度；r為流體重度。依據(jù)流通能力的定義，則有 ： 流通能力C與調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這就是確定調(diào)節(jié)閥尺寸的理論依據(jù)可得流通能力與流體重度、閥前后壓差和介質(zhì)流量三者的定量關(guān)系，即：調(diào)節(jié)閥尺寸的確定過(guò)程為根據(jù)通過(guò)調(diào)節(jié)閥的最大流量，r為流體重度 ，以及調(diào)節(jié)閥的前后壓差，先由上式求得最大的流通能力，然后選取大于 最低級(jí)別的C值，即可依據(jù)下表確定出Dg和dg的大小。表3-1調(diào)節(jié)閥流通能力C與其尺寸的關(guān)系4.3調(diào)節(jié)器的選擇根據(jù)過(guò)程特性與工藝要求，宜選用將比例與積分組合起來(lái)，既能控制及時(shí)，又能消除余差的比例積分控制（PI）控制規(guī)

17、律。式中 為PI調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比由于選用調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，則為負(fù)；對(duì)于來(lái)說(shuō)，由前所訴，當(dāng)被控過(guò)程輸入空氣增加時(shí)，其輸出（水分散發(fā)）亦增加，故為負(fù)；一般測(cè)量變送Km為正。是系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)極性乘機(jī)為正，則調(diào)節(jié)器取正，即選用反作用調(diào)節(jié)器。5 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定對(duì)與調(diào)節(jié)起的參數(shù)整定我選擇的是臨界比例度的整定放法。臨界比例度法是一種閉環(huán)整定方法。由于該方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，不需要測(cè)試過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性 ，其方法簡(jiǎn)單、使用方便，因而獲得廣泛應(yīng)用。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的任務(wù)是根據(jù)被控過(guò)程的特性，確定PID調(diào)節(jié)器的比例度 、積分時(shí)間T

18、I以及微分時(shí)間TD的大小。在簡(jiǎn)單過(guò)程控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率為主要指標(biāo)，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量。另外還應(yīng)滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差、最大動(dòng)態(tài)偏差（或超調(diào)量）和過(guò)渡過(guò)程時(shí)間等其它指標(biāo)。 具體整定過(guò)程步驟如下：（1）首先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，微分時(shí)間置零，比例度置為較大的數(shù)值 。（2）等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)設(shè)定值施加一個(gè)階躍變化，并減小直到出現(xiàn)下圖所示的等幅振蕩曲線為止。如圖5-1所示。圖圖5-1等幅振蕩曲線記錄下此時(shí)的臨界比例度和等幅振蕩周期 ，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的 TI、TD如我們假設(shè)控制對(duì)象傳遞函數(shù)。因調(diào)節(jié)器選用PI，則可設(shè)：根據(jù)臨界比例度法，先將調(diào)節(jié)器的積

19、分時(shí)間TI置于最大，則： 此時(shí)系統(tǒng)傳遞函數(shù)：特征方程為：其中，為滿足等幅振蕩條件，將s=jw帶入，令實(shí)部，虛部為0解得：K=6.3 即 =0.16，查表 5-1可得KC=2.84,TI=4.76表5-1 臨界比例度法的參數(shù)計(jì)算表整定參數(shù)及調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)用這樣的整定方法我們就可以獲得工藝生產(chǎn)所要求的參數(shù)了，滿足過(guò)程特性和工藝要求，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。6仿真及分析假設(shè)干燥器的傳遞函數(shù)為，控制器采用控制，干擾由不同位置作用下系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)圖和仿真相應(yīng)曲線圖。方案一：Simulink仿真方案：圖6-1方案一Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖圖6-2方案一Simulink仿真相應(yīng)曲線圖方案二：Simulink仿真方案

20、：圖6-3 方案二Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖圖6-4 方案二Simulink仿真相應(yīng)曲線圖方案三：Simulink仿真方案：圖6-5 方案三Simulink仿真結(jié)構(gòu)圖圖6-6 方案三Simulink仿真相應(yīng)曲線圖根據(jù)干擾作用點(diǎn)對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量影響的分析以及主要干擾施加點(diǎn)越靠近調(diào)節(jié)閥控制質(zhì)量相對(duì)較高的原則。方案一的干擾作用點(diǎn)與對(duì)象的輸入重合，調(diào)節(jié)作用最迅速，因此其控制性能最佳，方案二次之；方案三最差。從控制的品質(zhì)方面考慮，應(yīng)該選擇方案一，既選擇乳液流量作為操作變量。但是在選擇調(diào)節(jié)方案時(shí)，還得從工藝角度來(lái)考慮，方案一并不是最有利的，但是物料流量是負(fù)荷。另外在乳業(yè)管線上裝了調(diào)節(jié)閥，容易使?jié)饪s乳液結(jié)塊，降低了產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，綜合以上分析比較，選擇方案二是比較好的，即采用旁路空氣作為操作變量。7總結(jié)7.1 方案評(píng)價(jià)及改進(jìn)方向本系統(tǒng)能將奶粉液體的干燥溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制，并且有較快的抗干