奶粉干燥系統(tǒng)自動(dòng)控制課程設(shè)計(jì)

資料資料.指導(dǎo)教師評(píng)定成績：審定成績： 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)題目及要求 .設(shè)1計(jì)題目初始條件 .設(shè)2計(jì)要求 摘要 關(guān)鍵詞：奶粉干燥；自動(dòng)控制二、設(shè)計(jì)報(bào)告正文 .奶2粉干燥系統(tǒng)工作原理..奶.粉1干燥系統(tǒng)原理圖工.作2原理分析...奶3粉干燥系統(tǒng)各環(huán)節(jié)分析建模各.個(gè)1環(huán)節(jié)分析2.傳4遞函數(shù)的系數(shù)確定..2.系5統(tǒng)性能分析 2.5系.統(tǒng)1降階 2.5系.統(tǒng)2的時(shí)域性能分析2.5系.統(tǒng)3的頻域性能分析2.系6統(tǒng)的校正 分1析校正原因...采2用滯后校正....用3超前校正...2.系7統(tǒng)的干擾分析 三設(shè)計(jì)總結(jié) 四參考文獻(xiàn) 一、設(shè)計(jì)題目及要求1.設(shè)1計(jì)題目初始條件奶粉干燥控制系統(tǒng)原理如下圖所示。55圖-奶粉干燥控制系統(tǒng)原理圖設(shè)2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。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)。分.析系統(tǒng)時(shí)域性能和頻域性能。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)（“力）=力）的作用下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小于.開環(huán)截止頻率w>3.4rad/s，相角裕度Y>45，幅值裕度h>20dB。c摘要在奶粉生產(chǎn)過程中，奶粉干燥是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和能源的消耗。本研究通過對(duì)奶粉干燥系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)的分析，根據(jù)其各個(gè)參數(shù)的關(guān)系模擬出系統(tǒng)流圖。通過對(duì)參數(shù)范圍的查詢初步確定參數(shù)，然后再根據(jù)頻域分析、時(shí)域分析、超前校正以及滯后校正對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析和校正。保證在其生產(chǎn)工藝不變的情況下，實(shí)現(xiàn)干燥參數(shù)的調(diào)整，達(dá)到保證奶粉質(zhì)量和產(chǎn)量的目的。關(guān)鍵詞：奶粉干燥；自動(dòng)控制；系統(tǒng)框圖； ；函數(shù)降階；頻域分析；時(shí)域分析；超前校正；滯后校正資料.資料資料.二、設(shè)計(jì)報(bào)告正文奶2粉干燥系統(tǒng)工作原理2奶.粉1干燥系統(tǒng)原理圖過潴」蒸汽y圖-奶粉干燥系統(tǒng)原理圖過潴」蒸汽y圖-奶粉干燥系統(tǒng)原理圖2.2工.作2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。如果離線檢測，則時(shí)間太長，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)測量也較易實(shí)現(xiàn)。因此把干燥器出口溫度作為被控制量，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2.-21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。通過空氣閥門改變這兩部分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。2.2建.立3系統(tǒng)方框圖反饋控制系統(tǒng)的基本組成：測量元件，給定元件，比較元件，放大元件，執(zhí)行元件，校正元件。通過奶粉干燥系統(tǒng)的原理圖，可分析出其中，熱敏元件為測量元件，放大器為放大元件，電機(jī)和空氣閥門時(shí)執(zhí)行元件。得以下系統(tǒng)框圖。出口溫度、空氣閥門1熱敏電阻出口溫度、空氣閥門1熱敏電阻電動(dòng)機(jī)干燥器2.奶3粉干燥系統(tǒng)各環(huán)節(jié)分析建模2.3各.個(gè)1環(huán)節(jié)分析1、給定單元給定單元由電位器構(gòu)成。供電電壓U(R)對(duì)應(yīng)著給定溫度，假定用熱敏元件0測溫傳感器，靈敏度為K，所以滑動(dòng)端的輸出電壓U(R)正比于給定溫度T故給0定電壓可以直接給出為U(s)。02、測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溫度的大小。且靈敏度系數(shù)和給定單元一樣為K。故所測電壓為U1(s)=K*T(s) ( )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U(R)和U串聯(lián)反極性相連接來實(shí)現(xiàn)的。算子式為01AU(s)=U1(s)-U1(s) ( )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k，沒有量綱。1

故：U(s)=K*AU(s)21、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U(s)輸出量為電樞電壓U，傳遞系數(shù)為K故2 a2U(s)=K*U(s)

a 22、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U，輸出為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)角。，驅(qū)a動(dòng)閥門開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)。k0(s)= m U(s)s(Ts+1)amK=-C一是電動(dòng)機(jī)

mRf+CC

ammeK=-C一是電動(dòng)機(jī)

mRf+CC

ammemRf+CCamme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中。設(shè)閥門關(guān)閉時(shí)的角度為零，全部打開的角度為中，傳遞關(guān)系為變比系數(shù)1。故mi叭s)=1*0s) ( )i8、空氣溫度單元在該單元，空氣通過兩個(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 °m，則當(dāng)前流量為Q(s)=3Q①mm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：Q*t+Q*t

t- 1 m 2Q+Q

m其中為I冷空氣溫度，1為熱空氣溫度。在實(shí)際情況中，7!Qm為定值，經(jīng)過擬合將其變成一個(gè)指數(shù)衰減的方程力=ew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t。即T(s)-t(s) (2-)1整體框圖如下：U0(R)>0—內(nèi)一區(qū)—s(TKm:s)一巴一巴」圖-系統(tǒng)框圖開環(huán)傳遞函數(shù)為：G() KKKKKKK(s) 12345mO s(Ts+1)(Ts+1)m(2-1)1閉環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=OKKKKKK

1_2_3_45_m

s(Ts+1)(cs+1)+KKKKKKK

m 12345m傳4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)K=3,K=4；電機(jī)傳遞系數(shù)K=3；電機(jī)12 m時(shí)間常數(shù)T=0.05；比例系數(shù)K=—,K=2,K=25；t=2,K=0,02。得m 3 25 4 5出：開環(huán)傳遞函數(shù)為：Go(s)=72s(0.05s+1)(2s+1))1閉環(huán)傳遞函數(shù)為：72s(0.05s+1)(2s+1)+1.441)系5統(tǒng)性能分析2.5系.統(tǒng)1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 繪制出系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的零極圖如下：72G(s)= O s(0.05s+1)(2s+1)+1.441JELL￡?E二」-EBE一-u-20 -15圖一系統(tǒng)的零極點(diǎn)圖-5 口RealPart-41JELL￡?E二」-EBE一-u-20 -15圖一系統(tǒng)的零極點(diǎn)圖-5 口RealPart-4毛I(xiàn)l-rl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)s=-0.2225±j1.0137，且非主導(dǎo)極點(diǎn)s3=20實(shí)部的模比主導(dǎo)極點(diǎn)的模大五倍1,2以上，閉環(huán)零點(diǎn)z=0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)：GOGO(s)= 六 [s-(-0.2225+j1.0137)]s-(-0.2225-j1.0137)]s2+0,4632s+0.665相關(guān)性能指標(biāo)計(jì)算：TOC\o"1-5"\h\z①固有角頻率：3=<0.665-0.8155 2n (②阻尼系數(shù)：1=0,4632=0.4632=0,28423 2x0.8155 (n (③P=arccos。=arccos0.284=0.1965兀 (④阻尼振蕩頻率3=3%,：1—。2=0,8155口―0.2842-0.7820dn( )⑤上升時(shí)間工=j=兀-O,1965兀-1.035「 3 0.7820 )d (⑥峰值時(shí)間：/='=^^=4.02p 3 0.7820 (d (-0.28—⑦超調(diào)量：o%=e1苴2x100%=e1-0.2842x100%-39.44%⑧延遲時(shí)間"二112匹=1+0,7x0?284=1.470.8155⑨調(diào)節(jié)時(shí)間13.53.5己3 0.284x0.8155n“15.112)穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算：由系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(s)=——720——° s(s+0.4632))2①當(dāng)輸入單位階躍函數(shù)時(shí)：K=limG(s)=limpo/ sf0720 =8s(s+0.4632)2)所以穩(wěn)態(tài)誤差為：e=

ss)2K=K=limsGVsf0 °3)②當(dāng)輸入單位斜坡函數(shù)時(shí)：720(s)=lims =1554.4s-0s(s+0.4632)所以穩(wěn)態(tài)誤差為：ess1 =6.4x10-41555)3③當(dāng)輸入單位加速度函數(shù)時(shí)：720K=lims2G(s)=lims2 =0a .-0 ° .~0 s(s+0.4632))3所以穩(wěn)態(tài)誤差為：1e=——=8ssKa3)系.統(tǒng)3的頻域性能分析.穩(wěn)3定.性1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 作出其奈氏曲線如下：2.5.3性.能2指.標(biāo)1的計(jì)算由系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=-720—，可計(jì)算下面性能指標(biāo)：

o s(s+0.4632)系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析，通過系統(tǒng)的720頻率特性： G(jw)= =A(w)ejq(w)^w(^w+0.4632)3)其幅頻特性為：4例二720w、；(0.4632)2+W2相頻特性為：w9(w)=一9Q—arctan 0.46323)3)對(duì)數(shù)幅頻特性為：L(w)=20lgA(w)3)當(dāng)系統(tǒng)位于截止頻率w處時(shí)，有L(w)=0，即c1c1720A(w)= ==0，解得w=5.17rad/s，將其帶入相頻特c1 wJ0.21+w2 c1c1' c19(w)=-90o-arctan>1中，因此，就得到此時(shí)的相角裕度為：c1 0.4632y=180o+9(w)=1800-177.67=2.33，截止頻率w=5.17rad/s；又當(dāng)系統(tǒng)位1 c1 c1于穿越頻率w處時(shí)，通過式：9(w)J-180o可求得穿越頻率w=-8rad/s，因x1 x1 x1此幅值裕度h(dB)=20lgA(w)=8，諧振峰值M= =24.6，由相角裕度%1 rsiny1可知系統(tǒng)不是十分穩(wěn)定。故系統(tǒng)的幅值裕度：Lg=8dB相角裕度：y=2.33截止頻率：3=5.17rad's

c穿越頻率：3「一8皿繪制伯德圖利用開環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=—720—o s(s+0.4632)，通過得到下面圖形BodeDiagramBodeDiagram資料資料.101［口Frequency（rad/se（5）1門口(HP)IDpn七匚Emw(ElllslllwgLId統(tǒng)大體上是穩(wěn)定的。由閉環(huán)傳遞函數(shù)G(s)=O720s2+0.4632s+0.665得到以下伯德圖BodeDiagram圖-系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖資料資料.系6統(tǒng)的校正2.6.分1析校正原因已知要求系統(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)截止頻率墳>3.4rad/s，相角裕度y>45，幅值裕度h>20dB。c由上面的分析可知穩(wěn)態(tài)誤差e=-L-= 1 =6.43x10-40.1ss1+K1554.4

vTOC\o"1-5"\h\z系統(tǒng)的幅值裕度：L=8dB>20dB Yg相角裕度：y=2.33<45 。截止頻率：3=5.17rad-s>3.4rad/sc穿越頻率：3=-8ro.dis.x .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3.4rad/s，所以可以先通過壓縮頻帶寬度來改善相位裕度，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。2.6.采2用滯后校正根據(jù)串聯(lián)滯后校正裝置的傳遞函數(shù)G（s）=T+1，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正，。 pTs+1具體步驟如下：（）根據(jù)靜態(tài)誤差系數(shù)k，同樣確定開環(huán)增益K>10，滿足要求。原系統(tǒng)

vvw=5.17rad/s，相位裕度為y=2.33，幅值裕度L-8dB。c1 g（）根據(jù)題目要求相角裕度y>40。，先取y-45。，選擇以校正系統(tǒng)的截止頻率，得，得①(w) =-1300 w=wc由y+(2~5)=兀+①(W)

c 0 w=wc

,取45+5=兀+中(w)0 w=wc又有①(0.39)=-130，取w=0.39相位裕度y=500 。 °c40，所以確定新的截止頻率為w=0.39,因此校正后的截止頻率為，并且得到此時(shí)原系統(tǒng)的cL(w)=69.69dB。0）根據(jù)滯后校正的參數(shù)關(guān)系式：20lgP=L（w），得：0c20lgb=L0(wc)dBnB=103.94=3090。20）計(jì)算兩轉(zhuǎn)折頻率ww，w1,2 21 1 1 0.4632—=( )w= T 510c10=0.0463211———~r~wBtB20.046323090―2.998x10-5由）上述參數(shù)，可得出滯后網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：1+—G(s)——w2-os1+—10.8s+133355s+1所以，校正后新系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G''(s)—G(s)G(s)—

o co10.8s+1 720 . 33355s+1s(s+0.4632)（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：BodeDiagramGm=Infd日(atInfrad/sec),Pm=4fi.5deg(atQ.56rad/sec)"150 ?? ■~ ? ■ ?~~■~ ? ? ■~~?~ ? ■■ ? ?? ■~ ? ■ ?~~■~■ ■■■-5 -4 -3 -2 -1 0 1 21D1D10 10 1D 1D10 10Frequency(rad/sec)圖-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：截止頻率w'=0.37rad/s3.4rad/s,故校正c不成功，只能采用超前校正法。Y2.6采.用3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)k,同樣確定開環(huán)增益K>10,滿足要求。原系統(tǒng)vvw=5.17rad/s，相位裕度為y=2.33，幅值裕度l=gdB。原系統(tǒng)的相角裕度co g小于給定要求，所以考慮采用相位超前校正。（）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①：m①=、7+（5。~20。）=45。—2.33。+10。=52.67。（初始設(shè)置增補(bǔ)角為10o）mcco（）計(jì)算衰減率a

由公式a=1Tm叱，代入①=52.67o得a=0.1173,取a=0.15。TOC\o"1-5"\h\z1+sin① mm(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L(攻)=1?201g1=9.21dB，有原系統(tǒng)L(攻)在新的截止頻cc2a o率處的取值應(yīng)有：L(w)=-L201g1=-9.21dB，故求出此時(shí)的c oc2 aw'=22.25rad/s，即取校正后系統(tǒng)的截止頻率為w'=22.25rad/s。cc(6)計(jì)算校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率因有截止頻率攻因有截止頻率攻'=-Lc弋a(chǎn)T因此對(duì)校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率有1 1 1攻=—=awww=7.71rad/s，w= =-^=w'=64.23rad/s。1Tc 2aTaac(7)對(duì)校正后系統(tǒng)的檢驗(yàn)通過衰減率a可得補(bǔ)償增益K=1=8.33，并由式G(s)=K?a1+TS-可得ca cc1+aTs校正裝置的傳遞函數(shù)為G(s)=1十°」3s。因此可得校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)c 1+0.02sG'G'(s)=G(s)G(s)=

o co1+0.13s720 . 1+0.02ss(s+0.4632)對(duì)數(shù)幅頻特性為：L,(w)=201g世里空+201g 720 0 \：1+(0.02w)2 wq'w2+(0.4632)2相頻特性