设备管理_干燥曲线的干燥设备微机控制系统的设计研究论文

Y9 3 7 5 1 ；7 单位代码1 0 6 3 5 学号2 0 0 3 0 9 7 西南虫学 硕士学位论文 基于给定干燥曲线的干燥设备微机控制系 统的设计研究 论文作者：任海军 指导教师：何培祥副教授李庆东教授 学科专业：农业机械化工程 研究方向：机电一体化技术 提交论文日期：2 0 0 6 年5 月l O 日 论文答辩日期：2 0 0 6 年6 月1 日 学位授予单位：西南大学 中国重庆 2 0 0 6 年5 月 西南大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 现在我国使用的大多数干燥设备，对烘干过程的控制多用间断调整的方式，采用这种控 制方式，科研人员在寻找最佳干燥工艺参数时很不方便。目前还没有干燥设备能够按照科研 人员绘制出的干燥曲线对干燥过程进行控制。因此不能使科研人员用较少的时间找到最佳干 燥工艺曲线，限制了干燥设备在生产中的进一步应用。 为提高干燥过程的自动控制水平节省科研人员在寻找最佳干燥工艺曲线时的人力、物 力，使干燥系统能够按科研人员在P C 机上绘制出的干燥工艺曲线进行干燥，从而以较少的工 作时间就能找到最佳干燥工艺曲线，也为了干燥设备在干燥过程中更能适应所处理物料的需 要，使应用技术更加完善、工艺也更趋台理，本论文对基于给定干燥曲线的干燥设备微机控 制系统进行了研究。 本系统主要由P C 机、R s _ _ 4 8 5 总线、单片机( 微控制器) 、P T l 0 0 铂电阻、固态继电器、 小型轴流电风扇及干燥箱组成。单片机将P T l 0 0 铂电阻采集到的模拟温度信号转换为数字信 号，通过R S 4 8 5 总线传送给P C 机P C 机用得到的实时温度值与设定干燥曲线上的控制目 标值进行比较，经过P I D 算法处理后，将控制参数传送给单片机，单片机根据控制参数决定 执行机构的动作。 试验证明：本论文所设计的基于给定干燥曲线的干燥设备微机控制系统，设计合理，运 行可靠，实用价值高达到了按P C 机绘制出的干燥工艺曲线进行干燥的目的和荽求。 关键词：给定干燥曲线微机控制R s 4 8 5 总线温度跟踪 嚣南大学颟 学位浍文英文摘要 A b s t r a c t A tp r e s e n t ，t h ed r y i n ge q u i p m e n ti nu s em o s t l yc o n t r o l l e dt h ed r y i n gp r o c e s sa ti n t e r v a l sw h i c h i si n c o n v e n i e n tt ot h es c i e n t i f i cr e s e a r c hp e o p l et of i n dt h eb e s t 出y i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r s T h e r e w a sn od r y i n ge q u i p m e n tn O Wt h a tc o u l dc o n t r o lt h ed r y i n gp r o c e s st Or i mt oo b e yt h ed r y i n gC u r v e s d r a w np r e v i o u s l y , S op e o p l eo f t e nt o o kt o om u c ht i m et of i n dt h eb e s ta J r v e sw h i c hr e s t r a i n e di t s a p p l i c a t i o ni np r a c t i c e T h i st h e s i ss t u d i e dt h ed r y i n gM C U s y s t e mb a s e do nt h eg i v e nd r y i n gc n r v e $ w h i c hi m p r o v e d t h ea u t o m a t i o nl e v e lo fd r y i a gp r o c e s s ，s a v e dt h et i m e ，m a n p o w e ra n dm a m f i a lr e s o n t c e sf o rt h e s c i e n t i f i cr e s e a r c hp e o p l et of i n dt h eb e s td r y i n gC u r v e s ，c o n t r o l l e dt h ed r y i n gs y s t e mt o r u n a c c o r d i n gt ot h eC U r v O Sd r a w np r e v i o u s l yi nP C A tt h es 越, n gt i m e ，t h ed r y i n ge q u i p m e n tc o u l d b e t t e r f i tt h er e q u i r e m e n to ft h ed r i e dm a t e r i a la n da c h i e v et h ep e r f e c t i o ni na p p H c a f i o na n dt h er m i o n a l i t y i nt e c h n i q u e T h i Ss y s t e mw a sm a i n l yc o m p o s e do f P C ，R s _ - 4 8 5b u s ，蜘g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ( m i c r o c o n - t r o l l o r ) , P T l 0 0r e s i s t a n c e ，s o l i ds t a l er e l a y , m i n f l y p ef a r m e ra n dd r y i n gc a s e 。P I Cc o n v e n e dt h e a n a l o gt e m p e r a t u r es i g n a l ss a m p l e db yF T l 0 0r e s i s t a n c ei n t od i g i U ds i g n a l sa n dt h e nt r a n s m i H e dt h e d a t at oP Cb yR S q 8 5b u s T h eP Cc o m p a r e dt h er e a lt i m et e m p e r a t u r ew i t ht h et a r g e tv a l u es e ti n t h ed r y i n gc u r v ea n dt r a n s m i t t e dt h ec o n t r o lp a r a m e t e r st oP I Ca f t e rP I Dm e d u l a t i o n T h eP 1 C c o n t r o l l e dt h eo p e r a t i o no ft h ei m p l e m e n ta c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lp a r a m e t e r s T h ee x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h eM i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mf o rd r y i n ge q u i p m e n tb a s e dO B g i v e nd r y i n gC u r v e sw a sr e a s o n a b l ei nd e s i g n ，r e l i a b l ei no p e r a t i o n ，v a l u a b l ei na p p l i c a t i o na n d a c h i e v e dt h ea i ma n dr e q u i r e m e n tt h a tt h es y s t e mc o n t r o l l e dt h ed r y i n g 粥转t On ma c c o r d i n gt O t h ed r y i n gc u r v e st h eP Ch a dd r a w n K e y w o r d s ：s p e c i f i e dd r y i n gc u r v e s ；M i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ；R S - 4 8 5b u s ；t e m p e r a t u r et r a c k I l 附譬# 3 ：( 装订在学位论文封面后酋页) 独创性声明 羔9 3 7 6 6 7 学位论文题露：兰曼塞立丝塞主邃壁璺塑i 邃塑l 麴塑 一，一一控型垒! 墨塑亟狃量霉鱼三Z 一 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西南大学或其他教育机构的学位或证书焉使飕过的奉孝料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均融在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者：右乳法季签字隧期：训参年歹月刃霹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权僳露并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进褥检索，可以采耀影印、缩印或季j 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：翻不保密， 口保密期限至年月止) 学位论文作者签名：肚渤褥 签字日期：加嘭年岁月刁矗 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：一通讯遗址： 踹： 衡磬 签字目糍： 拶6 年步月刁翳7 电话：I ! 邮编 两丽大学硕士学位论文立献综述 第 章文献综述 1 1 干燥设备概述 随着工农娥熬发展，干燥设备制造行她垂不叛成熟羊鞋牲太，成为机械工业孛一个新* 行 娥”。干燥设备f 。泛应用子纯工、建材、食晶、药物及生纯等行业。被干燥匏料的蒹种和干燥 设备的种类都在不断增加”3 。 1 1 1 国内= F 燥设备的发展概况及现状 我国的千僚技术与装备，经过最近_ = 十多年的努力。已发生根本性变化。现在，中国大 批进口干燥设备的时代已经结束，中国的喷雾千燥机、旋转快速干燥机、振动流化床干燥机、 蒸汽管( 管壁导热的) 回转干燥机、双锥回转真空千燥帆及粮食干嫖机等，均接近或达到国际 磐代承平“。 干燥设备的种类繁多，按搡作压力可以分为常压式和真空式：按操作方式可分为间隙揉 作和连续操作科炎；按传热原理可分为传导加热式、对流加热式、辐射传热式和高频加热式； 按加热方式胃分为宣接加热式翻闻接加热式；接构造可戳分先辖式干燥嚣，带式干潦器、喷 雾干燥器、流化床千燥器、气流干燥嚣、豳转干燥器、及传碍干燥器等1 ”。 ( 1 ) 箱式干燥器 籍式干燥嚣特剐逵用于多品种、小批基生产匏场合。往往其德干缫器不舷处理蛇物瓣，褴 式午燥器都糍处理。虽然箱式干燥器是比较琢始静设备。髓对钧料姣淼广泛静适应缝决定窀 仍有很强的生命力。目前箱式千燥器也有一定改进。箱式千燥器又分为穿流式箱式干燥器和 真空箱式干燥器。穿流式箱式千燥器中的热风通过金属网穿过物料层，可大大提高传热传质 效率，瞧物辩必须有一定的形状以防潺辩。囊空箱式干燥嚣铸热方式大多矮润接翱热、旗射 加热、红外加热或感应加热婷。箱体密闭程减压状态下工作，以热源和物料表面之间温度计 算的面积传热系数。真空籀式干燥器运行时强制热气流均匀地穿过堆积的料层。一般物料以 终炊、颗粒炊，短纾缍扶必走。如缩粉状物辩剐瘦先挤青成璐矮方可健用。 ( 2 ) 带式干燥机 带式干燥机是成批生产用的连续式干燥设备，用于透气性较好的片状、条状、颗粒状物 料的千燥，对于脱水蔬菜中麴饮片等含水攀赢商物料呈热敏性的尤为台逶。干燥机具有干燥 遵瘦快、蒸发强度离、产骆旗激好的优点。带式干燥税鹣大型纯技术已裔一定进展，我强跫 能制造干燥面积1 0 0 平方米的大型带式干燥机。 ( 3 ) 喷雾干燥器 喷雾干爨嚣是干燥设备中进震最快酶设餐之一“，露藏强染辩、塑辩、医药、食品、农产、 冶金等行业广泛应用“1 。按喷雾干燥的雾纯商式，习惯上将壤雾干燥器分为转盘式、篷力式、 气流式等三种测式。离心式喷雾干燥器的高速雾化器是荧键设备，放大问题具有很强的技术 l 谣南犬掌预= ：学位论文文献综述 掣鼍! ! ! 笆S II I I l l II 墨 要求。我国目秘已经具备生产气流、机械及机电一体的离心霹让器的熊力，生产靠造技术基 本成熟。压力式喷雾干燥器所得产品为微粒状，在台成洗涤剂、染料、水处理剂等方谣都有大 牾应用。目前，我国自行设计的压力式喷雾干燥器鑫径可达8 米，总崭达5 0 多米，蒸发能力 达每小时儿吨之多。上世纪八十年代班前的喷雾干燥装备，几乎全部进口；现在大多数旋转 雾化器已经国产化了“1 。 ( 4 ) 流纯床干燥器 流化干燥技术在工业生产领域熙发展的比较快，干燥是其应用较单的领域之一”1 。上个世 纪九十年代，我国的振动流纯床干燥设备就已经接近简时期翻际先进永平8 1 。由于适应不同物 料要求及对成品的不同要求，出现了几种不同的流化床干燥器。大体可分为单腠圆筒流化干 燥器、多层流化手僚嚣、卧式多赛流纯干燥器、喷嚣流傀干爝器、惰性粒子流纯干潦器和喷 动床干燥器。由于在流化床干燥器的干燥过程中，胤体颗粒悬浮于干燥介质中，因而流体与 潮体接耱孺较大，丽虽。物辩在于澡器内捌烈搅动，犬= 爰减小了气貘阻力因而热效率较高， 可达6 0 8 0 ，且密封性能好，传动机械叉不接触物料，产品纯洁度商，目前广泛用于化工、 医药、轻工、食品及建末| 王渡孛。 ( 5 ) 气流干燥器“1 气流干燥器鬻分为旋转气流干燥器和闲蒸干臻器。 旋转气流干燥器由带有加热爽套的简体和干燥室内数个环状挡板构成，干燥室内被环状 挡扳分成凡个小国干燥宣。热空气和漫物精麸干燥嚣底部进入干燥室，在与热空气传热俦覆豹 同时又受旋转气流的作用而呈螺旋上升运动。从干燥器中央开口处向干燥室上方移动。旋转气 流干瀑器是剥用瀛态诧终套传导传热原理，使气体夹带麴辩颗粒麸切绫方向进入旋转予燥室， 沿热壁产生旋转运动，使微粒颗粒处于悬浮旋转运动状态，因此即使在雷诺数较低的情况下- 颗粒翅醚的气体边界层鳃亦髓呈岗痍溜流靛鸯。出予切线运动，使气弱两相搬对速度大夫增 加。此外，由于旋转运动使颗粒粉碎、气阉相接触暖积加大，也强化丁干燥过程。国内近几 年来的发展较为避速，梵箕是在制兹韭中用褥较广泛。 闪蒸干燥器国内也称旋流干燥器，旋转快速干燥器，是处理膏状物料的理想设备。在1 9 9 0 年熬撵麦g 入我图，最单应用在染料行韭。到莓蓠为止，经过广大工程技术人擞的不懈努力， 已经把原来的机裂改变了多种型式，进风方式也由原来的狭缝进风增加了切线进风，可以降 低系绕隧力。期料方式也由原来的单螺旋遴料增加了双螺旋进料，同嚣重叉增加了壤料的势缓 功能有效保证了产品粒度。根据不同物料采取与冀他干燥设备串联的方式叉增加了设备 的应用蕊围。霹翦闪蒸= F 缫器是发震最莰，应用最广泛的机蘩之一。凌染料、农药以及其他 有机化1 i 、无帆化工、矿物加工等行业都有大量应用。 酲蘸国内有一种瓤型气流干燥设备，穆为珏影喷瓣气流干燥器，它采用离瀑高压熟唼嘴 气流粉碎机，可实现很高的干燥效率( 6 0 一9 0 ) 。窀是一个瞬间气流干燥机，可以干燥液态、 泥态物料，替 喷雾干燥。由于是瞬间干燥，产品溆度儿乎不上拜，可以安全地干燥热敏性 2 西南大学硕士学位论文文献综述 和低熔点物料。 ( 6 ) 回转干燥器 带水蒸汽加热管的回转圆筒干燥器是在普通回转圆筒干燥器的基础上发展起来的。在网 转壳体的内部，以同心圆方式排列2 一圈的加热管，管内通入水蒸汽或其他热载体，以热传 导的方式加热被干燥物料。在石油化工中，干燥聚乙烯及对苯二甲酸时已成功使用。热量主 要是由加热管供给，故属于节能型的设备。 穿流回转干燥器也称旋转通风式干燥器，按其结构特点和工作原理，既可称之为卧式回 转流化床，也可称为回转干燥机。它是回转干燥机和流化床干燥机相结合的产物。 ( 7 ) 传导干燥设备 立式多层圆盘连续真空干燥器的结构为一根垂直的回转轴装有径向臂和单排的耙，以螺 旋线型式输送物料，通过静止的两种直径不同的不锈钢板。此板下面的夹套内用液体介质或 蒸汽加热。小的板有内边圈大的板有外边圈。交替安置。这种安排，使物料从小板的外缘 落到大板上，在大板上物料被输送到内缘后落到下面一个小板上，在小板上物料又被耙向外 边缘。每块板或每组板能各自加热或冷却，这样可正确地控制物料温度，可在干燥过程中调 整温度的分布，能避免热敏性物料的热分解和在干燥后可以进行冷却。 桨叶式干燥机早在二十世纪七十年代国内就有单位进行了桨式干燥机的开发，限于当时 技术和所设计的热轴结构过分复杂，因此中途停止。随着我国的改革开放，国外设备不断引 进，国内这方面资料的不断增加，于是国内又有单位对其进行了开发，目前已形成系列化机 型。 1 j 2 国外干燥设备的进展“。堋 2 0 世纪，为适用不同的原料及不同的产品要求，国外采用新技术开发了一些新型的干燥 设备，尤其是日本学者在干燥的基础理论和应用装置研究方面取得了突出的成果，开发出了 许多干燥技术和设备，在干燥技术方面的专利数( 1 9 7 8 2 0 0 0 年之间) 领先于美国和欧洲。近 年来，伴随着全球化的能源环境问题，日本产学研三方着眼于产品的高机能和高品质、过程 的节能以及对环境友好和安全性，研发出新的干燥技术。研制出新型的干燥设备。由于日本 近年在干燥领域取得的巨大成就，对国外干燥设备的介绍以日本为主。 ( 1 ) D r y m e i s t e r 干燥装置 细川微粒子株式会杜( H o s o k a w aM i c r o nC o r p ) 于1 9 9 9 年独立开发的D r y m e i s t e r 干燥装 置具有粉碎、干燥和分级联合功能。滤饼、糊状或浆状物料进入该装置内，在下部粉碎转子 的回转作用下，湿物料被破碎分散成微小的粒子，同时与从下部进入的热空气充分接触，发 生瞬时的热质交换，从而将其干燥成粉体产品。在上部设置多也片的分级转子，通过调控其 回转速度来调节产品的湿含量的粒度，使达到要求的湿含量和粒度的粉体随气流从叶片间隙 中穿过而被收集为产品。 3 西南大学硕士学位论文文献综述 ( 2 ) U S S 干燥装置( U L T R AS U P E RS O N I CS T E A MD R Y E R ) 该装置由三友一r ：学株式会社开发利用超音速冲击波对湿物料进行破碎、蒸发和干燥操 作。在该装置中，高压饱和蒸汽经减压后，在喷射作用下吸引燃烧气体( 热风) ，与蒸汽进行 混合，产生高温高压的过热蒸汽。此时形成的亚音速蒸汽流经收缩管道，被加速，形成马赫 数为1 的亚音速气流。之后，该气流发生多次膨胀和收缩，形成菱形状的冲击波。从喷嘴喷 射出来。该冲击波将含有水分的固形物破碎成细小的粒子；由于干燥表面积大幅度增加，在 与过热蒸汽接触时被瞬时蒸发和干燥( 装置内温度为9 0 - 1 2 0 “ ( 3 ) 。为了防止已干产品吸湿也 可以在喷射作用下，吸入热空气，以降低水汽的浓度。 ( 3 ) H i g hF l e xG r a l 干燥装置 深红P o w t e c k 开发的H i g hF l e xG r a l 装置在垂直和水平方向分别设置搅拌器和破碎装置， 可以进行对流传热( 热风) 、热传导( 夹套) 或微波方式提供热量。装置中的桨叶为中空结构， 且在底部与背部的多个位置开孔。在桨叶回转过程中吹出热空气( 4 0 - 1 5 0 “ C ) ，与湿物料均匀 接触。水平方向的破碎装置及搅拌器，可以将大块物料破碎，使颗粒粒径范围缩小，无干燥 不均匀和结块现象发生。比如，对于浆料( 含湿量6 0 , - 8 0 ) ，初始阶段可以用真空泵减压， 排出水分，接着在夹套内通入蒸汽、温水或热介质油，通过热传导方式将物料含湿量降至 3 0 - 4 0 ；之后，通过热空气干燥至要求的湿含量( 也可以用热辐射或微波辅助干燥) ，从而 实现高效率。 1 1 3 千燥设备的发展趋势。“ 从近年来，学者不但注重解决各种干燥技术问题，对干燥设备的发展趋势也十分关注。 干燥设备的发展趋势主要有以下几种： ( 1 ) 多种传热形式综合应用，使之在干燥的不同阶段发挥各种传热形式的优势，使设备 用能更加合理。 ( 2 ) 设备的大型化开发。任何生产都有最佳经济规模，干燥设备的放大技术能保证实现 规模化生产，因此设备的大型化研究是今后的发展方向之一。 ( 3 ) 干燥设备专用化。干燥设备是非标设备，由于处理的物料物性及产品差异很大，因 此有针对性的设计能使干燥设备发挥更好作用，从技术至经济均有一定意义。 ( 4 ) 多级及组合干燥系统的开发。不同型式的干燥设备可以适用不同的物料或适用物料 不同的干燥阶段，组合干燥可以最大限度地优化干燥过程，使干燥系统更加合理。 ( 5 ) 设备的多功能化。现在的干燥设备除单一干燥功能的以外，有时还将粉碎、分级、 甚至加热反应集于一机之中，大大缩短生产工艺流程，使设备呈多功能化。 ( 6 ) 应用计算机技术，改善干燥过程控制，提高干燥设备的技术( 理论研究、设计、操 作、控制) 水平。 ( 7 ) 工业生产对干燥技术的需求剧增，使干燥设备向机电一体化、制造加工标准化、提 4 秘南大学硕士学位论文文献综述 皇量置糖麓量置鼍_ Il l l N I 鼻量霸蔓目 凑调控水平等成了干燥设备研究发展的方向。 我圜干燥设备的设计岛制造技术与发达国家的嗣行业相比还存在着一定的差距。目前， 市场中低技术产品占主导地位。日菔激烈的宽争要求我们的企业必须避过技术进步、吸收国 外先进技术、自主创新来提升产品醅质，才能满足生产需求。 1 2 干燥系统控制研究 1 2 1 千燥器控制系统的特性“” 干燥器控制系统的要求是以最大限度地满足上述控制目的为前提，它与对一般控制系统 的品质所提出的耍求是一致的。 ( 1 ) 准确性 对手控制系统来说，就是控镥精度问题。即干燥产品的滋禽璺必须符合要求，当然这首 先取决予干燥器豹选择是谮符合干燥产晶的簧求和所确定的王艺条件的正确性，但控髑系统 的准确性也是满足干燥要求的必要条传。 ( 2 ) 稳定性 对于控制系统来说，就是对抗= F 扰作用的响应，必须以足够精确的程度恢复初始平衡状 态，不会发生超磁允许误蓑的振动。在干燥 过程静控制串，麟是不会使千燥产品靛温含蟹和 其他质摄指标发生较大的波动。 ( 3 ) 覆应速度 对予控制系统来说，就是需簧有较小的时间常数t 对干扰作用以最快的速度恢复稳定。 在干燥避穗控制中，表耩在把任何千燥条穆豹渡动黠平燥产晶璇量鹃影响减少努| 簸，j 、。 ( 4 ) 可靠性 即撩涮系统具备一定豹稳定糍爨和冗余黧，对予于燥系统，即使干燥器豹特性发生苯些 变化( 如长时间连续运转造成干燥糕的性能衰退) 或某些部件发生故障，也不允许控制系统 超差甚袋失效。 1 + 2 。2 常用干燥嚣控制系统分析“ ( 1 ) 手动控制 手动控制是最基本的控懿方式，也是备秘垂动撩溉的蒸獭和备份，我们霹以扶手动控翱 的步骤来了解自动控制的过程。 首先扇动千燥器，接罄设定每个操作变爨的勰始馕，箨遥过测量仪表测寇予燥产赫舱各 项质量指标并与给定值进行比较，最后根据测量值与给定值间的差值对操作变最进行调熬， 使溅量馕保持最大限度趣接避绘定俊。 以上备步骤均是由入j 二完成的，其中最后一个步骤是关键t 这完全依赖予操作者根据个 人的技术释噬! 验进行分析刿凝，徽如决策“ 5 谶南大学硕士学位论文文献综述 ! , I I I 薯目一 手动控制比较篙单，设备成本低，至今逐大量应用予实验干燥设备和闯欹燃干澡设罄。 由于其直观秘可靠性强，在几乎所有的舞动控制系统中也将冀作为备份控制方式，以便在自 控失灵或发生特殊的异常情援珏寸能够切换到这一方式避行操佟。但是，由予人类体力和脑力 生理极限的限制，许多大型复杂的干燥过程跫手动控制无法胜任的，只能遵过自动控案方式 柬鹪决。 ( 2 ) 反馈控制 反馈控制是自动控制最基本、最常用的控制原理。人王控制过程可归结三个步骤测蠼被 控制量一与给定值作比较求出偏差一根据偏差调节控制量以消除偏差。这辨通过检测偏差， 艿利用偏差去纠正偏差的控制系统称为反馈控制系统。反馈就是指被控锘4 量通过测量装鬣将 信号返回控制量输入端，使之与控制量进行比较。比较的结果称为偏差，控制系统擞据偏差 的大小和方向进行调节，减小或消除偏差。从而使被控制量与绘定值一致。 如果将人工控制系统中人的功能用一个自动化装黉来代替，误差测量装置类似于人的眼 睛，控制装置类似于人的大脑，执行机构类似于人的手脚，这样就构成了一个采用反馈原理 的自动控制系统。典型的干燥鼗置反馈控制系统如图1 1 所示。 在反馈控制系统中，最主要的研究对象是控制量与被控制餐之间的关系。从理论上讲。根 据干燥装置的物理数学模型可以准确地用数学方式表达这种关系。但实际问题的复杂性使得 这种数学表达在工程上变得几乎不可能，在常规的控制方法中，人们只能用有限的几种典型 环节及其叠加作用近似她表达这种控制龋与被控制量的关系，并用含有这种几种环节处理功 能的控制装置处理偏差信号，褥出控制信号击补偿干扰作用，校藤被控制鬃与给定信号的偏 差。控制装置中的典型环节有以下几种。 干扰信号 囝 一1典墅的千僳装鼍反饿控制系统结构暖 眈倒环：诲( P ) 键控制信号按一定院倒复现偏差信母。 积分环节t I ) 使控制信号酌受仡速度按一定眈侧复现偏差镲号，用馘消除稳定校态下 被控螽量与绘定信号的差值。 微分环节( D ) ，使控制债号按一定比例复现谝莲信号的变纯速度，翔予预测偏差的变 优趋势，使控制信号按速做出反应。 在i 业干澡装置中其套上诉一种控制秘能或数奉争控制功能组合的控制装麓都被广泛使 用，弼时其寄这三种功能的控制装嚣称为P I D 调 ，器，这类调节器是反馈控刳系统的棱心装 6 西南大学硕士学位论文文献综述 置，在干燥控制系统中P I D 调节器最常用的场合是根据尾气温度调节输入干燥器的热量和进 料速率。 ( 3 ) 前馈控制和前馈一反馈控制 反馈控制用于干燥装置有许多成功的例子，但有些时候物料或热风在干燥器内停留时间 很长，致使控制量的变化要经过相当长的时间滞后才能补偿被控制量的偏差，即在控制理论 被认为是惯性很大的系统反馈控制往往无能为力。例如热风回转干燥器，以调节输入热风 的温度控制排风温度。由于热风在干燥器内流速很低，停留时间有几时秒钟，进风温度的变 化要经过很长的时间才能引起排风温度的相应变化，而在这期间如果干扰信号作用得较为频 繁或幅值较大，就会引起排风温度较大的波动而得不到及时补偿，从而造成干燥产品湿含量 的波动。 为克服这一问题，一种预测型的控制方式称为前溃控制被采用。在前馈控制系统中，不 是测量被控制量而是直接测量干扰信号，并预测干扰对被控制量的影响，从而调节控制量补 偿干扰信号的作用，使被控制量保持稳定。如仍以前述热风回转干燥器为例。假定排风温度 的变化是由于进料含湿量的变化引起的，就可直接测量进料的含湿量，如含湿量增加则提高 进风温度，含湿量降低进风温度，从而维持排风温度的稳定显然，这样控制系统的反应速 度会快得多，如果补偿适当，就不会引起排气温度的波动，达到了控制的目的。 在前馈控制系统中，操作变量、干燥量和被控制量之间的数学关系必须非常明确。这是 因为这些量的关系在控制系统中事先已被确定，而且是将基于这种关系的预测作为补偿的依 据，而不是像反馈控制系统那样将干扰的结果( 偏差) 作为补偿的依据，前馈控制系统对干 燥装置的数学模型有极大的依赖性。典型的干燥前馈装置控制系统如图1 2 所示。 将前馈和反馈系统相结合产生前馈一反馈控制系统。造成被控制量响应滞后及不稳定的 干扰量采用前馈控制，前馈控制的模式误差、测量误差和系统参数变化均采用反馈控制进行 补偿。前馈一反馈控制系统如图1 3 所示。 圈卜一2 典型的千爆装量翦馈控制系统结构圈 ( 4 ) 模型控制 对实际干燥系统进行控制，往往遇到工艺所需的产品指标难以直接测量的问题，如前所 述被控量常常是干燥产品的含水率，由于在工程上直接快速测量干燥产品的含水率十分困难， 而测量干燥器的排风温度却较为简便，同时又发现排风温度与干燥产品的含水率有密切的相 关关系，因此就可以用控制排风温度的方法间接控制产品的含水率，这种控制方式称为推断 7 西南大学硕士学位论文 文献综述 干扰 图1 3 典型的千燥装置前馈一反馈控制系统缩构圈 控制，这是一种最简单的模型控制。在这种控制方式中，只要建立了排风温度与干燥产品含 水率对应关系的模型，就能以此模型为依据进行有效的控制。 实际上，排风温度并非影响产品含水率的唯一因素，进风和排风温度的温差、空气湿含 量、进料含水率、产品颗粒大小等因素都会影响干燥产品的含水率，如果要对系统进行较为 精确的控制，就需要对多个变量进行测量以及建立各变量对被控制量影响大小的数量关系。 换句话说，也即建立一个更完接、更精确的模型以进行控制。 模型是控制对象的模仿与抽象，必须与原系统具有同构或同态性质。模型描述与控制目 的有关的操作变量、干扰量、测量变量和非测量变量中所希望控制的量( 被控制量) 之间的 关系，这种关系既可是相互之间的有无，也可是其间的数量关系。对于某一个具体的模型， 它只是为实现某一个具体控制目的对原型系统某一方面特征所做的模仿与抽象，由于控制目 的可能不止一个，因此对同一个原型系统可以建立不同的模型。 按模型所描述关系的确定与否，可分成确定性模型和非确定性模型。两类。对于干燥系 统，经过抽象和忽略一些次要因素，有些系统可以用微分方程等数学工具确定的函数关系进 行描述，称为确定性模型。还有一些千燥系统由于人们对其信息掌握不太完备，或者会出现 随机性的影响因素，使其不能以确定的数学关系进行描述，称为非确定性模型。 建立了正确与合理的模型，就可根据模型的特性建立控制器的控制策略，j 这可以是设定 若干控制器的参数，也可是建立一套完整的算法，对于较为复杂的模型控制。往往需要借助 计算机进行。 还有一种方法是根据控制目的先建立一个理想的模型，将它与实际的控制对象并联，然 后比较模型与控制对象的闭环响应，根据响应的差异改变控制器的设定参数，使控制对象达 到最佳性能，这称为模型参考自适应控制。如果不采用参考模型，而是直接测量干燥系统的 特性再据此改变控制器的参数设定，这就是典型的白适应控制系统，它可以应用于难以建立 模型的场合。 8 礞南大学硕士学位论文 立献练述 皇舅舅曼薯嘲皇皇皇拦崮皇皇皇曾姆臻量舅置一I I l 糟 无论廷模型控裁还是爨适应控翱，出于诗算工作釜较大，其控稍系统的成本均魄较离。 ( 5 ) 智能控制 在设计和应用干燥控制系统时，前述备种控制方式在应用中有时会遇到很多困难，主要 原因有以下几个方面。 予攥过程的复杂瞧，反欢梵系统静藜线程和时交健。 某些干燥产品质量指标难以直接测鬣( 如产品的颜色和气味等) ，就他测量结果不准确， 不可靠等等。 建立于燎系统模型常常跫近 l ；c 的，忽嚷了很多因素，薅量建立模型簧藐费_ 丈量糕力。 对于上诉的非确定性模型无法处理。 控制量年【l 被控制量如果不止一个，互相之间会存在错综复杂的影响关系，各被控制量 的最佳值也会存在檀互制约的因索，难以蹲求最优的控制方案。 成本嵩，如自适应控制系统。 为了解决这些困难，需臻探寻控制理论和方法的新思路，这个新思路就是模仿入类大脑 思维方式的智能控制。从工襁的角度将智能定义为系统能把自身的行为适成于满足其在一个 环境范围内豁嗣标。按照这个定义，灵戆不仅燕入独其的晶质，祝器也霹敝嶷有智能。 传统的控制理论和方法，均需建立被经时象的精确数学模型，在避年亍定量分析的基础上 做出决策；而人类大脑的思维过程往往只利用直观感觉，估计的数量关系进行决策。传统的 控制器只能掇摄已有的算法遴豁计算，不照嬷理未知的隧搬因素，也不憩骥测过程变他盼趋 势；人类韵大脑可以将己霄静知识迸 亍综含、维理，处理来知的因素，强溯将要发生豹搴。 在控制方法中引入人类的莱燕思维方式就是所谓人工智能控制。 在人工智能控制领域，已经用于过程控制的主要有三种控制算法，它们是模糊逻辑控制、 专家系统和享孛经潮络控翱。 专家系统专家系统W 以看作是一个计算机程序，该程序具有知识寝示与处理的能力， 用以解决复杂的系统控制问题，其决策的水平可以同高级的专门技术人员相媲美专家蘸统 依赖鲡识的表达与运用，其典嫠结构圭珏图l 4 所示。 豳，4 龚墼专家系统祝鞠结掏蚕 专家系统的核心是知识麾，知识库中按一定的结构储存了尽可能多的人类掌撵被控制对 象控制规律的知识，并且人类可以不断注入新的知识。系统本身也可道过自身具备的学习能 鼙 积窿大学硕士学位论文文献练述 力积累更新知识。在推理机擒静控制下，专家系统自韵运捌角识痒中的知谈对输入憨多个测 簧变量进行分析判断，综合做出控制决策，然后输出给被控巷l 系统究戒控镪| 动作。 由此可见，专家系绞的决策过稷模仿了久弦的思维活动，船摄据已有熬知谈秘经验分柝 刿断，可以处理复袋的、没有确定数量关系鼗无援律的问题，藤且其决策水平会随着知识积 累的增加孺提毫。对于输入的信息。可以是不宠撼、不准礁的。甚至是包含镫误的，面传统 的控靠系统一个错误的输入镕患就可自造成控制失效。 孛经赌络控制人工神经网络的概念是受到生物神经网终启发两产生的，人工 孛经网 络是赣怠处理器件，又称为神经元芯片，它采用籁化戆数学函数来近似地攒述 睡I 经在大脑中 的行为。生物神经，作为大脑的擒传，其计算速度比构成计算机的基本茏件数字逻辑电路慢 得多。然赠，生物神经嬲络中的推理块于最炔的计算机。大脑通过具有丈量丈规模量连的神 经来补偿较慢的计冀操作。人】：神经网络模仿了大脑的结构和思考过程，它包食有大量处理 元件( P E ) ，好似犬脑的神缀元。每个处理元件都其有豌单的计算能力( 诸如求加权输入的总 和然席放大或对总和施加门限) ，它们依靠局部信息，并独立于其他处理元件进行计算。元件 闻以单向通信通道形式进行连接和信息传递，组成多种类趔的神经网络。神经网络的三个要 素是： 拓扑绌构一描述处理元件的数量和特征，组成网络层的组绒和屡间的连接。 学习一说明信息是如何存储在网络中及训练步骤a 恢复一描述从网络中检索所存储信息的方法。 神经网络在工程中有多种用途包括信息的分析和控翻。饲如神经网络与前述专家系统 相结合。智能他处理信息，可以提高专家系统对知识和经验的自组织自学习熊力，也可提高 专家系统的推理能力。用神经网络构成的控制器，可以有效地应用于未知模型参数和极其复 杂的场台+ 它可以通过输入经验数据和自学习，在掌握较小的测量变量的条件下估计模獭、 进行有效的控铜，但是，神经网络控制器的控制精度要差子有精度模型的模型控制。 模糊控制禳糊控制的数学基础是模糊逻辑，荑阑加利福尾强大学的z e d e h 教授于1 9 6 5 年首先提出了模糊集合的概念，戳扁他又将包括神经网络计算遗传算法等几种处理舆有系统 不稳定性的复杂问越的数学方法统称为“软计算”( S o f tC o m p u t i n g ) 。现在，“软计算”己成为 解决航天貉发射过程、飞行器控铡、复杂系统测试、城市交通系统控制等复杂、丈模型、控 翩阔磁的有力上其，我们有理幽勰待它在干僚系统控制方筒也能发挥臣丈f # 用。模糊控制歪 是其中一个分支。 常规的控翩露题楚通过纯粹的数字计算辩决的，这可称之为“硬计箨”，蓠麟奔绍的专家 系统涮完全是遥过语言文字符号来处理倍怠，模糊逻辑、神经网络计算、谗转算法蒯是介予 遮两者之间的软粹算。其中，横糊逻辑是能够蹋语言文字符号进行计葬的啦一数学工具。掰 谓模糊，是指对不确定的稽怠逝行处理。对于控制同驻，就是捂系统横型不精确，测量变量 不准确，在这种条仕下避 亍比较精确的掇制。 1 0 西南大学硕士学位论文文献综述 采用模糊控制可分为3 个阶段，在第一阶段，将不精确的系统参数模糊化，转换为表示 程度的语言参数( 一般为N B 、N M 、N S 、0 、P S 、P M 、P B 七级) 。第二阶段是建立“若A 且B 则C ”类型的控制规则，将模糊参数和控制规则按一定的模糊算法进行计算，得出控制 量的模糊集合。第三阶段是进行模糊决策，由模糊集合推导出精确的控制量经输出直接去控 制对象。模糊控制的工作原理如图1 5 所示。 图1 5 模猢控制的工作J 糸理 由图l 5 可见，模糊控制与一般反馈控制组成的基本环节是一致的，即由控制对象、控 制器和反馈通道等环节组成。但两者设计方法不同，模糊控制不受控制对象数学模型束缚， 而是利用模糊语言采用条件语句组成的语句模型，来确立各参数的控制规则，并在实际调 试中反复经人工修正，然后通过计算机采用查表法找出相应的模糊控制量，最后经一定加权 运算后得到实际控制量再加到被控对象上。 模糊控制要想取得较好的效果，必须具备完善的控制规则。然而对于某些复杂的工业过 程，有时难以总结出完整的经验。同时，当控制对象参数变化或受到随机干扰时控制效果会 受到影响。为克服模糊控制所存在问题，模糊控制可在以下方面进行改进。 把模糊控制同常规P I D 控制结合，用模糊控制器实现P I D 工作参数在线自整定，将大大 提高P I D 调节器的品质 着重发展具有自组织、自学习、自适应能力的模糊控制器，可自行 进行性能测量、控制量校正、规则修改，使其能适应几类控制对象，提高通用性；将神经网 络和模糊控制相结合。用神经网络实旋模糊控制，可用于复杂的、随机性大的系统控制中； 把模糊逻辑判断引入专家系统，在模糊控制中增加知识库和推理机构，构成专家模糊控制器。 目前，美、日等国均生产通用的模糊控制调节器，工业领域运用模糊控制的实例也很多。 但模糊控制在国内干燥领域的应用还少有报道。不过根据模糊控制的特点，可以相信它一定 会在干燥系统的控制中得到成功应用。 总之，模糊逻辑使人的自然语言作为算法语言进入计算机，其控制算法中隐含着人的逻 辑思维过程。它同前面介绍的专家系统、神经网络控制以及最新的遗传算法一起，逐步走向 深层次模拟人的智能，开创了智能控制的新领域。 l l 硝南大学硕士学位论文绪论 j m l n! i I E 鼍! s 目置 第2 豢绪论 2 1 研究的目的和意义 在农副产黯的加工中，干燥具有十分蘩雾的地位。于燎可戬使农剃产品中水势降低烈安 全储存的标准肉。同时也是诲多农副产晶静个重要勰工工序。于制的农副产品可减少由细 蔚、毒菌和害幽造成的质量下降，通过干燥，可以延长存储时间。由于千产品重量轻，体积 小，便于包装、运输、储存、流通和销售，所需费用降低，干燥后的产品易于粉碎、混合、 筛分，可添趣器种配辩进一步加工戏各种美睬食品，这就使得干燥设备鸯j “阏的窿用天地。 中国的干燥技术与装备，经过二十多年的努力，已经发生根本性变化。现在，中图大批 进口干燥机的时代已经结束，中国的喷雾千燥机、旋转快速干燥机、振动流化床干燥机、蒸 汽管( 管壁辱热豹) 回转干燥概、双锥隧转囊空干燥帆及靛食干燥机等，均接近或选到函际 当代水平。申嗣有近百家干蠊设备制造厂，主要分布在制药机械、纯工机械、食晶机械、农 产品加工机械、矿山冶金、林产品、轻工陶瓷等设备加工行业，这些行业的干燥设备生产企 业占全行业总数的8 0 以上。他们制造的常用千燥设备基本上满足了国内市场的需耍，并有 个别枧种爨秘到国终。健蔑，j 疰年来。千澡理论懿研究并没有突破性的避震干燥技术的逢 步主要集中在干燥设备结构的改进上，以最大限度地适成所处理物料的需要，使应用技术更 加完善，工慧也趋于合理。 目前我国使用较多的千漂设备大多数避人工控制，对烘干过程的控铷多采用间断镯攘的 方式，这就会造成大量入力、物力静渡贽。闲魏，实现千澡设备的自动控制，意义十分熏大。 自动控制魁一种由控制装鼹代替人脑和手脚功能而实现自动化的技术。它可替代人类繁琐紧 张的劳动和使人摆脱危险场所盼作业，在某种意义上减轻了人的体力和脑力劳动。挺赢干燥 设备宣动讫程度可鼓提菇设备生产攀，改遴产箍质量，减少艨辩、奄能期熬能的消戴，一般 情况下，干燥过程较长，如干燥的全过程由人工操作，很难满足控制嚣求。且对操作者也是 一个费时费力的事。不符设备的自动化发展趋势。现有的干燥系统锂能程度低，适虚能力 差，不适宜于漂工作量大的农剐产品懿干燥加工。 已有的自动控制干燥设备大多还停爨在仅使用单片机的水平上，还没有很好的使用P c 机，不能实现避距离控制。在干燥领域，还没有将P C 机和单片机很好地结含起来。农剐产品 加工研究中的干燥加工试骏要求在给定予爆工艺蓝线的指导下，对农副产品进行于燎。遮就 蠖褥我粕希鬻在于澡结束淤詹可以对实际干燥参数羁绘寇干燥参数进杼魄较，我出实际予漂 过程的不足以便进一步究替。目前还没有干燥设备能够按科研人员绘制出的干燥曲线对干 燥过程进行控制，因此不能使科研人员用较少的时间找到物料的最佳干燥工艺曲线。 为了提赢干燥过程斡自动控制永平，节省科研久员程罨找最佳干燥王雹曲线时鹣人力、镌 力，使干燥系统能够按科研人员在P c 机上绘制出的干燥：r 范曲线进行干燥，以较少的工作时 间就能找到最佳干燥工艺曲线，因此本论文对基于给定干燥曲线的干燥设备微机控制系统进 1 2 西南大学硪士学位论文缝论 子研究。 2 2 研究范围和研究内容 本论文所设计酌基于给定干燥l l l l 线的千绦设备徽枧控制系绕。主饕由P C 机、R S - - 4 8 5 慈 线、单片机、P T l 0 0 铂电阻、固态继电器、小型轴流电风扇及千燥箱组成。单片机将P T l 0 0 铂电阻袋集到静模撅温疫嵇号转换为数字错号，透过R 卜4 8 5 总线传遴给P C 枫，P C 税瘸得 到的实时温度值与设定干燥曲线上的控制目标值进行比较，经过P