自動控制技術(shù)課程設(shè)計

噴霧式乳化物干燥器控制系統(tǒng)介紹摘要：噴霧式干燥器是應(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。本文介紹了乳化物干燥器控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括了根據(jù)干燥的工藝流程和控制系統(tǒng)的設(shè)計要求選擇被控變量和操縱變量，選擇執(zhí)行器以及選擇控制器的控制規(guī)律和作用方式等。關(guān)鍵詞：噴霧式干燥器乳化物控制系統(tǒng)參數(shù)乳化物干燥工藝流程及控制要求工藝流程簡介如圖1.1所示為乳化物干燥過程中使用的噴霧式干燥器。圖1.1乳化物干燥過程工藝流程示意圖由于乳化物屬于膠體物質(zhì)，激烈攪拌容易使其固化，所以不能采用泵對其進行輸送，因而采用高位槽的辦法。濃縮的乳化物由高位槽流經(jīng)過濾器A或B濾去凝結(jié)塊和其它雜質(zhì)后，再從干燥器頂部由噴嘴噴出。一部分的空氣由鼓風機送至換熱器，由蒸汽加熱變成熱空氣后，再與另一部分由鼓風機直接送來的空氣混合，經(jīng)過風管送往干燥器，由下而上吹出，從而充分與干燥器中至上而下噴出的乳化物相接觸，蒸發(fā)掉其中的水分，使乳化物成為產(chǎn)品從干燥器下端流出，而吸收了乳化物中所含水分的熱空氣則變成了濕熱空氣從干燥器的上端流出。控制系統(tǒng)的設(shè)計要求因為生產(chǎn)工藝對乳化物干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，要求其水分含量不能波動太大，所以對干燥過程的溫度要進行嚴格的控制。若生產(chǎn)過程的溫度波動小于±2°C，則產(chǎn)品的質(zhì)量可以符合要求。被控變量與操縱變量的選擇2.1被控變量的選擇根據(jù)乳化物干燥的生產(chǎn)工藝，干燥后乳化物中的水分含量與干燥時的溫度密切相關(guān)。因為一般情況下的測量水分的儀表精度不高，產(chǎn)品水分含量精確測量存在困難，所以選用間接參數(shù)，即干燥器的溫度為被控變量。操縱變量的選擇通過對圖1.1的分析，可知影響干燥器溫度的因素有乳化物流量f(t)，旁路空氣流1量f(t)，和加熱蒸汽流量f(t)，所以有三個變量可以作為操縱變量，選其中任意變量23作為控制參數(shù)，均可構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。但并不是每個變量都是最優(yōu)的選擇，為此根據(jù)調(diào)節(jié)閥1、2、3的位置分別畫出了其各自的系統(tǒng)框圖，分別以三個變量作為操縱變量構(gòu)成三種不同的控制方案，對三種控制方案進行進一步的比較分析，選取最優(yōu)的方案。三種控制方案的方框圖分別如圖2-1、圖2-2和圖2-3所示。對圖2-1進行分析可知，圖2-1采用乳化物流量作為操縱變量，乳液直接進入干燥器，控制通道的滯后最小，對干燥溫度的校正作用最迅速，而且擾動通道延時較大，從控制方面進行考慮，將乳化物流量作為操縱變量應(yīng)該是最佳的控制方案。但由于乳液流量是生產(chǎn)負荷(亦是產(chǎn)量)，若作為操縱變量，則干燥器不可能始終在最大而且是最穩(wěn)定的負荷點工作，從而限制了裝置的生產(chǎn)能力。此外，如果在乳化物的進口管線上安裝控制閥，容易使?jié)饪s乳液結(jié)塊，降低產(chǎn)品的質(zhì)量。所以，將乳液流量作為操縱變量在工藝要求上不合理。綜合考慮，一般不采用此控制方案。

對圖2-2進行分析可知，旁路空氣量與熱風量混合，經(jīng)風管進入干燥器，它與圖2-1的控制方案相比，控制通道存在一定的純滯后，對干燥溫度校正作用的靈敏度雖然差一些，但可通過縮短傳輸管道的長度而減小純滯后時間。圖2-2風量作為操縱變量的控制系統(tǒng)方框圖對圖2-3所示的控制方案分析可知，采用蒸汽量作為操縱變量，控制通道時間常數(shù)較大，擾動通道時間常數(shù)反而較小。蒸汽需經(jīng)過換熱器的熱交換，才能改變空氣溫度。由于換熱器的時間常數(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操縱變量的方案為最佳。圖2-3蒸汽量作為操縱變量的控制系統(tǒng)方框圖控制方式與控制過程3.1調(diào)節(jié)閥的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝安全原則及被控介質(zhì)的特點，選調(diào)節(jié)閥用氣關(guān)式。根據(jù)過程特性與控制要求，宜選用對數(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、閥前后壓差為O.IMPa、流體重度為lg/cm3時，每小時通過閥門的流體流量(m3或kg)。可見流通能力直接代表了調(diào)節(jié)閥的容量。由流體力學理論可知，當流體為不可壓縮時，通過調(diào)節(jié)閥的體積流量為：qvqv=aA0 rg(p1-p2)式3-1)式中，a為流量系數(shù)，它取決于調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形狀和流體流動狀況，可從有關(guān)手冊查閱或由實驗確定；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：式3-2)流通能力C與調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)有確定的對應(yīng)關(guān)系。這就是確定調(diào)節(jié)閥尺寸的理論q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q式3-3)調(diào)節(jié)閥尺寸的確定過程為根據(jù)通過調(diào)節(jié)閥的最大流量Cmax，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Cmax最低級別的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)系公稱直程D苦(mm)2C2532405065閥門直怨6g(mm)246-S1012：52?324050泌能力C羊座閥0.080.120.200320.500.W1.22.03.25.0812203256101625106S公隸直徑80100125150200250300閥門i^dg(mm)￡0100125150200250303沆通籠力C單座閥80120200280450100160250400630100016003.2測溫元件及變送器的選擇因為被控溫度在100°C左右，熱電阻的線性特性要優(yōu)于熱電偶，而且無需進行冷端溫度補償，使用更加方便，故選用熱電阻溫度計。由于熱電阻的三線制接法可利用電橋平衡原理較好地消除導線電阻的影響，所以選用三線制接法，并配用溫度變送器?？刂埔?guī)律與控制器的選擇根據(jù)乳化物干燥的過程特性與生產(chǎn)工藝要求，宜選用將比例與積分組合起來，既能控制及時又能消除余差的比例積分控制（PI）控制規(guī)律或者選用比例積分微分（PID）控制規(guī)律。由于選用調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，則調(diào)節(jié)閥的作用方向為負方向；對于控制對象來說，當被控過程輸入空氣增加時，其輸出（水分散發(fā)）亦增加，故對象的作用方向為正；一般測量變送器的作用方向為正。根據(jù)構(gòu)成負反饋系統(tǒng)的原則，則調(diào)節(jié)器的作用方向取正，即選用正作用調(diào)節(jié)器?？刂葡到y(tǒng)方框圖根據(jù)上述設(shè)計控制方案，噴霧式乳化物干燥控制系統(tǒng)的方框圖如下圖3-1噴霧式乳化物干燥設(shè)控制系統(tǒng)的方框圖調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定對于調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定選擇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)中進行，不需要測試過程的動態(tài)特性，其方法簡單、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)被控過程的特性，確定PID調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間TI以及微分時間TD的大小。在簡單過程控制系統(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，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、最大動態(tài)偏差（或超調(diào)量）和過渡過程時間等其它指標。具體整定過程步驟如下：（1） 首先將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，微分時間置零，比例度置為較大的數(shù)值。（2） 等系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對設(shè)定值施加一個階躍變化，并減小到出現(xiàn)下圖所示的等幅振蕩曲線為止。

記錄下此時的臨界比例度和等幅振蕩周期.按圖三的經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的、TI、TD如我們假設(shè)控制對象傳遞函數(shù)。10(S+2)(2S+1)1tS豐1因調(diào)節(jié)器選用PI,則可設(shè) G=-C8TSI根據(jù)臨界比例度法，先將調(diào)節(jié)器的積分時間TI置于最大,貝I」 G=-二KC8此時系統(tǒng)傳遞函數(shù)W(此時系統(tǒng)傳遞函數(shù)W(S)=GGGC V 1+GGGGCVmK(10S+1)20S3+52S2+25S+2+10K特征方程 D(S)二20S3+50S2+25S+2+10K二0 ，其中K=1為滿足等幅振蕩條件，將S=JW帶入，令實部，虛部為0解得K=6.3即，6=0.162兀T= =5.6KWn通過查表可得K=2用4T=4.76I運用這樣的整定方法我們獲得了乳化物干燥工藝生產(chǎn)所要求的參數(shù)，滿足干燥過程特性和工藝要求，從而生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。5結(jié)論噴霧式乳化物干燥器用噴霧的方法將物料噴成霧滴分散在干燥器中，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)，達到干燥的目的。在設(shè)計中選擇物料的干燥溫度為被控參數(shù)，而對于控制變量的選擇則是通過3種方案的比較最后選擇用旁路空氣量作為控制變量。通過查找大量的資料選擇了比較適宜的儀表DDZ-III型儀表。根據(jù)調(diào)節(jié)閥流通能力確定了調(diào)節(jié)閥的尺寸，調(diào)節(jié)器則選擇了既能控制及時，又能消除余差的PI控制規(guī)律。由于生產(chǎn)過程的溫度波動要求小于±2°C,所以選擇了熱電阻溫度計和溫度傳感器。最后運用了臨界比例度法對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行整定，使整個控制系統(tǒng)處于最優(yōu)的工作狀態(tài),滿足生產(chǎn)工藝上的要求。參考文獻厲