7奶粉干燥系統(tǒng)

1、指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)： 審定成績(jī)： 重 慶 郵 電 大 學(xué)自 動(dòng) 化 學(xué) 院自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：奶粉干燥系統(tǒng)單位（二級(jí)學(xué)院）： 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院制目 錄一、 設(shè)計(jì)題目 1二、 設(shè)計(jì)報(bào)告正文 22-1 摘要 32-2 奶粉干燥系統(tǒng)工作原理分析42-3 奶粉干燥系統(tǒng)各環(huán)節(jié)分析建模52-4 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)系數(shù)的確定62-5 系統(tǒng)性能分析7 2-5-1 系統(tǒng)降階處理82-5-2 系統(tǒng)時(shí)域分析92-5-3系統(tǒng)頻域分析102-6 系統(tǒng)的校正112-6-1 系統(tǒng)校正原因122-6-2 滯后校正132-6-3 超前

2、校正142-7 系統(tǒng)擾動(dòng)分析15三、 設(shè)計(jì)總結(jié) 16四、 參考文獻(xiàn) 17附錄 一 設(shè)計(jì)題目及要求1.1 設(shè)計(jì)題目初始條件奶粉干燥控制系統(tǒng)原理如下圖所示。 1.2 設(shè)計(jì)要求1.查閱相關(guān)資料，分析系統(tǒng)的工作原理，指出被控對(duì)象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)方框圖。2.分析系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系，代入相關(guān)參數(shù)求取系統(tǒng)傳遞函數(shù)。3.分析系統(tǒng)時(shí)域性能和頻域性能。4.運(yùn)用根軌跡法或頻率法校正系統(tǒng)，使之滿足給定性能指標(biāo)要求。系統(tǒng)在等速斜波信號(hào)（）的作用下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1。開環(huán)截止頻率，相角裕度，幅值裕度。二 設(shè)計(jì)報(bào)告正文 2.1 摘要關(guān)鍵詞：2.2奶粉干燥系統(tǒng)工作原理2.2.1奶粉干燥系統(tǒng)原理圖 工作

3、原理分析奶品生產(chǎn)要求把濃縮奶液干燥成奶粉。加工時(shí)奶液從高位儲(chǔ)奶槽流下，經(jīng)過(guò)濾去掉凝塊后進(jìn)入干燥器。冷空氣也進(jìn)入干燥器。在干燥器中奶液被熱空氣加熱，使水分蒸發(fā)，最后隨濕空氣一起噴出，在重力作用下，空氣、奶粉自然分離。為了保證奶粉的質(zhì)量，要求奶粉濕度要達(dá)到一定要求并且相同。故要控制的是奶粉濕度，所以奶粉濕度應(yīng)該是被控制量，那么奶粉就應(yīng)該是被控制對(duì)象，給定量即為要求奶粉濕度。但是干燥器出口飄飄而下的奶粉濕度不容易實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。如果離線檢測(cè)，則時(shí)間太長(zhǎng)，不能及時(shí)控制產(chǎn)品質(zhì)量。研究表明，干燥器出口的氣體溫度與奶粉質(zhì)量密切相關(guān)，工藝要求出口溫度保持恒定，出口溫的在線實(shí)時(shí)測(cè)量也較易實(shí)現(xiàn)。因此把干燥器出口

4、溫度作為被控制量，這樣，干燥器就作為被控制對(duì)象，根據(jù)要求濕度量轉(zhuǎn)換而來(lái)的出口溫度即為給定量。    進(jìn)入干燥器的空氣溫度和奶液流量都對(duì)干燥器出口的溫度有影響。調(diào)節(jié)奶液流量將使產(chǎn)量波動(dòng)，所以不宜采用這個(gè)方法。調(diào)節(jié)進(jìn)入熱交換器的蒸汽流量或溫度也可以調(diào)節(jié)進(jìn)入干燥器內(nèi)空氣的溫度。但調(diào)節(jié)蒸汽，則控制器包括熱交換器的時(shí)間常數(shù)比較大，信號(hào)傳遞滯后比干燥器大得多，系統(tǒng)不易控制。    圖中采取的方案是進(jìn)入干燥器的空氣由兩部分組成，一部分是經(jīng)過(guò)熱器中蒸汽加熱的，另一部分是未加熱的，且它們的溫度都是恒定不變的。通過(guò)空氣閥門改變這兩部分

5、空氣的比例就可以改變進(jìn)入干燥器內(nèi)空氣的溫度。采用這種方法，控制器的時(shí)間常數(shù)比較小，響應(yīng)迅速，操作較靈活。熱敏元件測(cè)量出干燥器的出口溫度反饋到放大器，與給定的希望溫度相比較，產(chǎn)生偏差信號(hào)。然后經(jīng)可控硅控制的電動(dòng)機(jī)操縱空氣閥門，改變冷熱空氣的比例，即決定進(jìn)入干燥器中熱空氣的溫度。奶粉干燥控制系統(tǒng)方框圖如下圖所示。電動(dòng)機(jī)空氣閥門干燥劑出口溫度放大器及可控硅熱敏元件2.3每個(gè)環(huán)節(jié)分析建模系統(tǒng)建?？梢苑譃閮煞N：機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模。實(shí)驗(yàn)建模就是通過(guò)在研究對(duì)象上加上一系列的研究者事先確定的輸入信號(hào)，激勵(lì)研究對(duì)象并通過(guò)傳感器檢測(cè)其可觀測(cè)的輸出，應(yīng)用數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。這里面包括輸入信號(hào)的設(shè)計(jì)選取

6、，輸出信號(hào)的精確檢測(cè)，數(shù)學(xué)算法的研究等等內(nèi)容。機(jī)理建模就是在了解研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基礎(chǔ)上，通過(guò)物理、化學(xué)的知識(shí)和數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)內(nèi)部的輸入狀態(tài)關(guān)系。在這里，由于實(shí)驗(yàn)建模有一定的困難，故我們采用機(jī)理建模。 環(huán)節(jié)分析建模1.給定單元給定單元由電位器構(gòu)成。供電電壓對(duì)應(yīng)著給定溫度，假定用熱敏元件測(cè)溫傳感器，靈敏度為，所以滑動(dòng)端的輸出電壓正比于給定溫度故 給定電壓可以直接給出為。2測(cè)溫單元 溫度單元有熱敏元件構(gòu)成，熱敏元件的輸出端電壓的大小正比于所測(cè)溫度的大小。且靈敏度系數(shù)和給定單元一樣為。故所測(cè)電壓為3. 比較單元 比較單元將給定信號(hào)與實(shí)際信號(hào)相比較，得出差值信號(hào)，也就是負(fù)反饋。該系統(tǒng)是將和串聯(lián)反極

7、性相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。算子式為4. 放大單元放大單元將差值信號(hào)放大，以方便驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，放大倍數(shù)為，沒(méi)有量綱。故 5.可控硅調(diào)節(jié)器可控硅調(diào)解器供出可調(diào)電壓，以驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。輸入量為調(diào)解電壓輸出量為電樞電壓，傳遞系數(shù)為 故 6.執(zhí)行單元執(zhí)行單元為一個(gè)直流伺服電動(dòng)機(jī)，輸入為電壓，輸出為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角，驅(qū)動(dòng)閥門開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)。 其中 是電動(dòng)機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù);是電動(dòng)機(jī)傳遞系數(shù)7.開關(guān)閥門減速器減速器是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，將伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角變換成為閥門的開度。設(shè)閥門關(guān)閉時(shí)的角度為零，全部打開的角度為，傳遞關(guān)系為變比系數(shù)。故 8.空氣溫度單元 在該單元，空氣通過(guò)兩個(gè)管道進(jìn)入，以不同比例不同溫度混合。假設(shè)閥門全開時(shí)兩管道的流

8、量、流速相同，即橫截面積相同。閥門開度和管道橫截面積成正比，即和氣體流量成正比。設(shè)流量最大值為，則當(dāng)前流量為而在壓強(qiáng)不變的情況下，不同流量不同溫度的氣體混合后的溫度為 其中為冷空氣溫度，為熱空氣溫度在實(shí)際情況中，為定值，經(jīng)過(guò)擬合將其變成一個(gè)指數(shù)衰減的方程將其拉氏變換后就得到。如下圖所示充入干燥器的氣體是流動(dòng)的，同時(shí)進(jìn)同時(shí)出，假設(shè)進(jìn)口氣體的流量和出口流量相同，那么出口溫度就等于。即 綜合以上可得方程組為：整體框圖如下： _將其變成等效單位負(fù)反饋，整體框圖如下：1/kk1k2km/s（Tms）k3k4k5/Ts+1k閉環(huán)傳遞函數(shù)為開環(huán)傳遞函數(shù)為2.4 傳遞函數(shù)的系數(shù)確定 根據(jù)實(shí)際情況取放大比例系數(shù)

9、，；電機(jī)傳遞系數(shù)；電機(jī)時(shí)間常數(shù)；比例系數(shù)， ，；，。得出開環(huán)傳遞函數(shù)為閉環(huán)傳遞函數(shù)為 2.5 系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)降階 由于三階系統(tǒng)分析較為麻煩，故先分析系統(tǒng)的閉環(huán)零極點(diǎn)看是否能夠降階。用MATLAB繪制出系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的零極圖如下：num=48;den=0.1,2.05,1,0.48;z,p,k=tf2zp(num,den);disp('zero:');zdisp('pole:');pdisp('gains:');kzplane(z,p)zero:z = Empty matrix: 0-by-1pole:p = -20.0123 -0.2439

10、+ 0.4247i -0.2439 - 0.4247igains:k = 480 系統(tǒng)的零極點(diǎn)圖 由主導(dǎo)極點(diǎn)概念，可知該高階系統(tǒng)具有一對(duì)共軛復(fù)數(shù)主導(dǎo)極點(diǎn)，且非主導(dǎo)極點(diǎn)實(shí)部的模比主導(dǎo)極點(diǎn)的模大五倍以上，閉環(huán)零點(diǎn)不在主導(dǎo)極點(diǎn)附近，因此該三階系統(tǒng)近似成如下的二階系統(tǒng)： 系統(tǒng)的時(shí)域性能分析 .1 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析u 系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)由上節(jié)分析可得，系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程為： 用勞斯判據(jù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性如下： 1 0.24 0.49 0 0.24 0顯然，勞斯表第一列系數(shù)符號(hào)相同，故系統(tǒng)是穩(wěn)定的。u 系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)由自動(dòng)控制原理教程相關(guān)知識(shí)可知，二價(jià)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)為，及。由上節(jié)分析可知，系統(tǒng)的閉環(huán)傳

11、遞函數(shù)： 則系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)為 系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)相關(guān)性能指標(biāo)計(jì)算： 固有角頻率： 阻尼系數(shù)： 阻尼振蕩頻率： 上升時(shí)間： 峰值時(shí)間： 超調(diào)量： 延遲時(shí)間： 調(diào)節(jié)時(shí)間： 穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算：由系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: 當(dāng)輸入單位階躍函數(shù)時(shí)： 所以穩(wěn)態(tài)誤差為： 當(dāng)輸入單位斜坡函數(shù)時(shí)： 所以穩(wěn)態(tài)誤差為： 當(dāng)輸入單位加速度函數(shù)時(shí)： 所以穩(wěn)態(tài)誤差為：系統(tǒng)的頻域性能分析 .1穩(wěn)定性分析 對(duì)降階后的開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行頻域性能分析，首先通過(guò)奈奎斯特圖判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)用MATLAB作出其奈氏曲線如下：由上圖可知：系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的奈氏曲線不包圍點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定。.2 頻域性能分析 .2.1 性能指

12、標(biāo)的計(jì)算 由系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，可計(jì)算下面性能指標(biāo)：系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析，通過(guò)系統(tǒng)的頻率特性： 其幅頻特性為： 相頻特性為： 對(duì)數(shù)幅頻特性為：dB， 當(dāng)系統(tǒng)位于截止頻率處時(shí)，有，即，解得，將其帶入相頻特中，因此，就得到此時(shí)的相角裕度為：，截止頻率；又當(dāng)系統(tǒng)位于穿越頻率處時(shí)，通過(guò)式：可求得穿越頻率，因此幅值裕度dB，諧振峰值，由相角裕度可知系統(tǒng)不是十分穩(wěn)定。故系統(tǒng)的幅值裕度： 相角裕度：截止頻率：穿越頻率：.2.2 繪制伯德圖利用開環(huán)傳遞函數(shù)，通過(guò)MATLAB得到下面圖形 系統(tǒng)的伯德圖由上圖可知，當(dāng)，；當(dāng)時(shí)，所以該系統(tǒng)大體上是穩(wěn)定的。由閉環(huán)傳遞函數(shù)得到以下伯德圖2.6系統(tǒng)的校正 分析校正原因已知要求系

13、統(tǒng)在單位斜坡輸入信號(hào)作用時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1，開環(huán)截止頻率，相角裕度，幅值裕度。由上面的分析可知穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)的幅值裕度：相角裕度：截止頻率：穿越頻率：由此可知穩(wěn)態(tài)誤差滿足要求，增益不用校正較合適，相角裕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于希望值，截止頻率大于，所以可以先通過(guò)壓縮頻帶寬度來(lái)改善相位裕度，采用滯后校具有一定合理性的，當(dāng)然也可以采用超前校正法。 采用滯后校正 根據(jù)串聯(lián)滯后校正裝置的傳遞函數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，具體步驟如下：（1）根據(jù)靜態(tài)誤差系數(shù)，同樣確定開環(huán)增益，滿足要求。原系統(tǒng)，相位裕度為，幅值裕度。（2）根據(jù)題目要求相角裕度，先取，選擇以校正系統(tǒng)的截止頻率： 由，取，得 又有， 取相位裕度，所以確定新的截

14、止頻率為，因此校正后的截止頻率為0.41，并且得到此時(shí)原系統(tǒng)的。（3）根據(jù)滯后校正的參數(shù)關(guān)系式：，得：,因此，求出。（4）計(jì)算兩轉(zhuǎn)折頻率， (5) 由上述參數(shù)，可得出滯后網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為： 所以，校正后新系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： ， （5）對(duì)校正后系統(tǒng)進(jìn)行性能分析做新系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖如下：運(yùn)用串聯(lián)滯后校正后系統(tǒng)波特圖根據(jù)系統(tǒng)的頻率特性方程計(jì)算得：，同時(shí)，因此可得相角裕度，但是截止頻率，故校正不成功，只能采用超前校正法。采用超前校正（1）設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，首先調(diào)整開環(huán)增益。由題目要求，系統(tǒng)靜態(tài)誤差系數(shù) 有：根據(jù)靜態(tài)誤差系數(shù)，同樣確定開環(huán)增益，滿足要求。原系統(tǒng)，相位裕度為，幅值裕度。原系統(tǒng)的相

15、角裕度小于給定要求，所以考慮采用相位超前校正。（2）由給定要相位超前角求以及原系統(tǒng)特性，計(jì)算所需的相位超前角：（初始設(shè)置增補(bǔ)角為）（4）計(jì)算衰減率 由公式，代入得，取。（5）計(jì)算校正系統(tǒng)的截止頻率對(duì)串聯(lián)超前校正裝置有，有原系統(tǒng)在新的截止頻率處的取值應(yīng)有：，故求出此時(shí)的，即取校正后系統(tǒng)的截止頻率為。（6）計(jì)算校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率 因有截止頻率,因此對(duì)校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率有，。（7）對(duì)校正后系統(tǒng)的檢驗(yàn) 通過(guò)衰減率可得補(bǔ)償增益，并由式 可得校正裝置的傳遞函數(shù)為 , 因此可得校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： , 對(duì)數(shù)幅頻特性為：相頻特性：，時(shí)，求得截止頻率，故> >對(duì)校正后的系統(tǒng)進(jìn)行性能指標(biāo)的檢驗(yàn)，校正后系統(tǒng)開環(huán)頻率特性如下：運(yùn)用串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)的波特圖由以上分析可知校正成功。校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為2.7系統(tǒng)的干擾分析在奶粉干燥控制系統(tǒng)中，有許多環(huán)節(jié)都可能造成擾動(dòng)。主要有以下幾點(diǎn)：（1） 奶流量的擾動(dòng)，由于奶流量可能受外界影響，可能會(huì)影響奶粉的產(chǎn)量。（2） 空氣流量的擾動(dòng)，空氣流量受外界各種因素的影響，也會(huì)氣體溫度造成一定的影響。（3） 給定電壓也可能被外界影響，產(chǎn)生擾動(dòng)。（4） 出口溫度可能受氣體和外界的因素如風(fēng)力、濕度等的影響，產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)擾動(dòng)。 對(duì)各種擾動(dòng)，系統(tǒng)有一定的調(diào)節(jié)能力，但是不能完全控制。三 設(shè)計(jì)總結(jié)四、參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 胡壽松