生產(chǎn)奶粉的干燥器溫控制系統(tǒng)1

1、牛奶類乳化物干燥過(guò)程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.干燥過(guò)程系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)1.1乳化物干燥器干燥原理根據(jù)系統(tǒng)具體指標(biāo)要求，可以對(duì)每一個(gè)具體部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分。圖2.1是噴霧式乳液干燥流程示意圖，通過(guò)空氣干燥器將濃縮乳液干燥成乳粉，已濃縮的乳液由高位儲(chǔ)槽流下，經(jīng)過(guò)濾器去掉凝結(jié)快，然后從干燥器頂部噴嘴噴出。干燥空氣經(jīng)熱交換器加熱、混合后，通過(guò)風(fēng)管進(jìn)入干燥器與乳液充分接觸，使乳液中的水分蒸發(fā)成為乳粉。成品乳粉與空氣一起送出進(jìn)行分離。干燥后成品質(zhì)量要求高，含水量不能波動(dòng)大。圖1-1 乳化物干燥器干燥原理圖1.2被控參數(shù)與控制參數(shù)的選擇1.2.1被控參數(shù)的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝，

2、水分含量與干燥溫度密切相關(guān)。考慮到一般情況下的測(cè)量水分的儀表精度較低，故選用間接參數(shù)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。1.2.2控制參數(shù)的選擇 經(jīng)過(guò)對(duì)裝置的分析，可知影響干燥器溫度的因素有乳液流量 ，旁路空氣流量 ，加熱蒸汽流量 。其中任意變量都可作為控制參數(shù)，均可構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。但并不是每個(gè)變量都是最優(yōu)的選擇，為此我根據(jù)調(diào)節(jié)閥1，2，3的位置分別畫(huà)出了其各自的系統(tǒng)框圖，對(duì)其進(jìn)行近一步的分析一邊選取最優(yōu)的方案。 1.對(duì)圖1-2行分析可知，乳液直接進(jìn)入干燥器，控制通道的滯后最小，對(duì)被控溫度的校正作用最靈敏，而且干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置遠(yuǎn)離被控量，所以將乳液流量作為控制

3、參數(shù)應(yīng)該是最佳的控制方案 ;但是，由于乳液流量是生產(chǎn)負(fù)荷，工藝要求必須穩(wěn)定，若作為控制參數(shù)則很難滿足工藝要求。所以，將乳液流量作為控制參數(shù)的控制方案 應(yīng)盡可能避免。2.1-3行分析可知，旁路空氣量與熱風(fēng)量混合，經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入干燥器，它與圖1-1控制方案相比，控制通道存在一定的純滯后，對(duì)干燥溫度校正作用的靈敏度雖然差一些，但可通過(guò)縮短傳輸管道的長(zhǎng)度而減小純滯后時(shí)間。3.圖1-4示的控制方案分析可知，蒸汽需經(jīng)過(guò)換熱器的熱交換，才能改變空氣溫度。由于換熱器的時(shí)間常數(shù)較大，而且該方案的控制通道既存在容量滯后又存在純滯后，因而對(duì)干燥溫度校正作用的靈敏度最差。根據(jù)以上分析可知，選擇旁路空氣量作為控制參數(shù)的方案

4、比較適宜。圖1-2 乳液流量為控制參數(shù)的系統(tǒng)框圖1-3風(fēng)量為控制參數(shù)的系統(tǒng)框圖圖1-4蒸汽量為控制參數(shù)的系統(tǒng)框圖2.電路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1測(cè)溫元件的選擇及A/D采樣電路溫度采集采用金屬熱電阻PT100，PT100是鉑熱電阻，它的阻值會(huì)隨著溫度的變化而改變。PT后的100即表示它在0時(shí)阻值為100，在100時(shí)它的阻值約為138.5。它的工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0攝氏度的時(shí)候他的阻值為100，它的的阻值會(huì)隨著溫度上升它的阻值是成勻速增漲的。電路采用PT100三線橋式式測(cè)溫電路，優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除，提高了測(cè)量的精度。其電路如圖3所示。 測(cè)

5、溫原理：電路采用TL431和電位器RP1調(diào)節(jié)產(chǎn)生4.096V的參考電源，采用R3、R4、RV2、PT100構(gòu)成測(cè)量電橋，其中R3=R4=2K,RV2為精密電阻，阻值為熱電阻100時(shí)的阻值，即138.51。當(dāng)溫度變化時(shí)，熱電阻的阻值改變，電橋產(chǎn)生一個(gè)毫伏級(jí)的壓差信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)過(guò)LM324運(yùn)算放大器的放大后輸出期望的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量給單片機(jī)運(yùn)算。差動(dòng)放大電路中R5=R6=1K,R7=R8=100K,輸出電壓：。圖2-1 測(cè)溫輸入電路理論上，運(yùn)放輸出的電壓為輸入壓差信號(hào)放大倍數(shù)，但實(shí)際在電路工作時(shí)測(cè)量輸出電壓與輸入壓差信號(hào)并非這樣的關(guān)系，壓差往往比理論值小很多，實(shí)際輸出信

6、號(hào)為：。A/D轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809，ADC0809是一種帶有8通道模擬開(kāi)關(guān)的8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us左右。8通道模擬開(kāi)關(guān)及通道選擇邏輯，該部分的功能是實(shí)現(xiàn)8選1操作，本系統(tǒng)采用3通道輸入模擬信號(hào)，所以A和B接高電平，C接低電平。8位A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)選送至輸入端的信號(hào)Vi進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果D存入三態(tài)輸出鎖存緩沖器。它在START上收到一個(gè)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換命令后開(kāi)始轉(zhuǎn)換，100us左右后轉(zhuǎn)換結(jié)束。轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?，通知CPU讀結(jié)果。啟動(dòng)后，CPU可查詢方式（將轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)接至一條I/O線上）或中斷方式（EOC作為中斷請(qǐng)求信號(hào)引入中斷邏輯）了解A/D轉(zhuǎn)換過(guò)

7、程是否結(jié)束。 ADC0809的量化單位： （2-1）轉(zhuǎn)換結(jié)果： （2-2）2.2溫度顯示電路 四位共陽(yáng)數(shù)碼管顯示接口電路如圖2-2所示。 圖2-2 四位LED接口電路數(shù)碼管接口接單片機(jī)P0口，控制口接三極管，三極管基極接P2.4-P2.7口，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的I/O通道有限，所以數(shù)碼管通過(guò)動(dòng)態(tài)掃描法來(lái)顯示實(shí)時(shí)溫度。所謂動(dòng)態(tài)，就是利用循環(huán)掃描的方式分時(shí)輪流選通各顯示器的公共極，當(dāng)掃描的速度達(dá)到一定的程度時(shí)，人眼就分辨不出來(lái)，認(rèn)為各顯示器同時(shí)發(fā)光。程序中由定時(shí)器100ms中斷實(shí)時(shí)刷新各位數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新顯示。2.3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，

8、宜選用對(duì)數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥的尺寸選擇調(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： （2-3）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 （2-4）流通能力C與調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)

9、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 （2-5）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qmax，r流體重度 ，以及調(diào)節(jié)閥的前后壓差 ，求得最大的流通能力，然后選取大于 的最低級(jí)別的C值，即可依據(jù)表1確定出Dg和dg的大小。 表1調(diào)節(jié)閥流量能力C與其尺寸的關(guān)系2.4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PI控制規(guī)律。比例積分控制（PI） （2-6）式中 稱為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。其階躍響

10、應(yīng)如圖2-3 圖2-3 比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性 由于選用調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，故 為負(fù)；當(dāng)給被控過(guò)程輸入的空氣量增加時(shí)，干燥器的溫度降低，故K0為負(fù)。；測(cè)量變送器的通常為正。為使整個(gè)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)的乘積為正，則調(diào)節(jié)器的 應(yīng)為正，故選用反作用調(diào)節(jié)器。2-5溫度控制原理圖及其系統(tǒng)框圖 根據(jù)上述設(shè)計(jì)控制方案，干燥設(shè)備控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2-4圖2-4 系統(tǒng)框圖2-6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)

11、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TI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。見(jiàn)圖2-4圖2-4 等幅震蕩曲線記錄下此時(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P

12、I，則可設(shè)。根據(jù)臨界比例度法，先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間TI置于最大則GC.此時(shí)系統(tǒng)傳函特征方程其中，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.。查表可得KC=2.84,TI=4.76 表2 PID參數(shù)整定運(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。3.Matlab仿真 圖3-1 Simulink仿真圖圖3-2 PI控制仿真結(jié)果4.小結(jié)與體會(huì)通過(guò)這次的設(shè)計(jì)使我對(duì)過(guò)程控制中所學(xué)習(xí)到的知識(shí)得到的更加深刻的認(rèn)識(shí)以及鞏固，也使我在學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)的同時(shí)學(xué)會(huì)了將學(xué)習(xí)到的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，在實(shí)際生產(chǎn)中拓展自己的能力和自己的學(xué)習(xí)熱情。通過(guò)這次的設(shè)計(jì)也使我對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的認(rèn)識(shí)，在我腦海里產(chǎn)生了深刻影響。通過(guò)這幾天的忙碌，我學(xué)會(huì)了許多我們?cè)谡n堂上面所學(xué)不到的知識(shí)和能力。在我們做課程設(shè)計(jì)的時(shí)候我們將面對(duì)許許多多的系統(tǒng)傳遞函數(shù)，微分方程，校正仿真等問(wèn)題。這也就要求我們利用課上學(xué)習(xí)到的知識(shí)和自己的查閱資料的能力，綜合運(yùn)用以前上課時(shí)老師教我們的分析方法去分析新的問(wèn)題。還有通過(guò)這幾天的設(shè)計(jì)，我也認(rèn)識(shí)到了和同學(xué)配合的重要性，在我們學(xué)習(xí)生活中，自己不可能是十全十美的，我們也不能是萬(wàn)能的什么都知道，在學(xué)習(xí)生活中