喷雾式乳液干燥器的PID控制.doc

喷雾式乳液干燥器的PID控制摘要：以喷雾式乳液干燥系统为例，简要的进行了系统的分析、设计过程，并利用simulink对不同的设计方案进行仿真及比较，根据工业生产实际选出了最佳的设计方案，根据“经验法”对PID控制参数进行了整定，得到了较为满意的控制品质。关键词:设计 仿真 PID控制器 参数 整定1. 前言在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。本文以工业中的喷雾式乳液干燥系统为控制系统,利用PID进行控制。2. 喷雾式乳液干燥系统生产过程概述图2.1 喷雾式乳液干燥过程示意图图2.1 喷雾式乳液干燥过程示意图，通过空气干燥器将浓缩的乳液干燥成乳粉。已浓缩的乳液由高位储槽流下，经过滤器，然后从干燥器顶部喷嘴喷出。干燥空气经热交换器加热、混合后，通过风管进入干燥器与乳液接触，将乳液中的水分蒸发形成乳粉。要求乳粉质量高，含水量波动不能太大。3. 控制方案设计1233.1 被控参数选择按照生产要求，产品的质量取决于乳粉水分的含量。湿度传感器的精度低、滞后大，不易实现精确、快速的测量。而乳粉水分的含量与干燥器出口温度密切相关，且容易找到单值对应关系。因而可选择干燥器的出口温度作为被控参数（间接），从而实现对乳粉水分控制。3.2 控制变量选择影响干燥器出口温度的变量有乳液流量记为f1（t）、旁路空气流量记为f2（t）、加热蒸汽量记为f3（t）三个因素，通过图2.1的调节阀1、调节阀2、调节阀3对这三个变量进行控制。选择其中之一均可得到相应的控制方案：方案1 以乳液流量f1（t）为控制变量，得到控制方案方框图：图3.2.1 方案1对应的方框图方案2 以旁通冷分流量f2（t）为控制变量，得到控制方案方框图：图3.2.2 方案2对应的方框图方案3 以旁通冷分流量f2（t）为控制变量，得到控制方案方框图：图3.2.3 方案3对应的方框图3.3 通道分析：1.2.3.3.1.3.2.3.3.3.3.1. 各环节的放大系数均为1；3.3.2. 温度测量变送器：假定温度测量变送元件的时间常数为5秒即, ；3.3.3. 干燥器：干燥温度对于乳化物流量，对于热风温度都看作是3个时间常数为8.5s，滞后时间为2秒的对象，即干燥器特性为；3.3.4. 风管：只是一个流动通道，可近似的看作是一个滞后环节，对应于操作时的热风流速，滞后时间为3秒3.3.5. 两个时间常数为100s的环节3.3.6. 混合过程：加热器热风与旁路冷风的混合过程，可以看作时间常数为100秒的环节；3.4 仿真及分析：方案1：Simulink仿真方案：图3.4.1 方案1 simulink仿真图图3.4.2 方案1 simulink仿真结果图方案2：Simulink仿真方案：图3.4.3 方案2 simulink仿真图图3.4.4 方案2 simulink仿真结果图方案3：Simulink仿真方案：图3.4.5 方案3 simulink仿真图图3.4.6 方案3 simulink仿真结果图方案1 乳液流量直接进入干燥器，控制通道短、滞后小，控制灵敏，干扰进入控制通道的位置与调节阀输入干燥器的的控制变量重合，干扰引起的动差小，控制品质好。方案2 由于一阶惯性环节的时间常数T和纯滞后t，相对于方案1控制通道有一定的之后，控制变量对干燥器的反应不够灵敏干扰f1（t）影响较大，而干扰f2（t）引起的动差小而且平缓。方案3 由于有空气交换器，冷热空气混合延迟，风管滞后等多重因素的影响，控制通道较前两种方案的滞后很大，控制变量对于干燥器出口温度控制作用缓慢。干扰干扰f1（t）、干扰f2（t）引起的动差大。综上，按控制品质来看，三种控制方案中方案1最优，方案2次之。但从工业生产的实际（工艺和效益）考虑，方案1并不是最好的。这是因为如果以乳液流量作为控制变量，乳液流量不可能始终稳定在最大值，限制了系统的生产能力，对提高生产效率不利。另外，乳液管安装调节阀容易使浓缩乳液结块，甚至堵塞管道，会降低产量及产品质量。综合分析方案2比较好。下面根据方案2进行PID参数整定。4. PID参数整定利用衰减曲线法进行的整定： 整定参数调节规律 PTiTdPPI1.2P0.5TSD0.8P0.3TS0.1TS表1 衰减比4：1时，衰减曲线法整定参数计算参考表首先将P置较大的数值，Ti=，Td=0.第一次置的值为10，发现系统已经发散，说明P的值过大。适度的减小，直至出现衰减震荡。如果衰减的比例大于4：1，说明P的值过小，需适当的增大。经过多次试探可确定最终的P值为4.图4.1 P=10系统响应曲线 图4.2 P=4 系统响应曲线利用workspace的数据，可得第一个峰值为y1=1.2196，y2=0.9161，y（）=0.8086；于是n=y1-y()y2-y()=1.2196-0.80860.9161-0.8086=3.972974.0 满足条件。此时TS=231.41-86.85=144.56S. 整定参数调节规律 PTiTdP4I4.872.28D3.243.36814.456表2 根据P确定的PID整定参数计算表于是PI控制结果（图4.3）： 于是PID控制结果（图4.4）：图 4.3 PI控制器的控制结果 图 4.4 PID控制器控制结果可见PI的控制效果并不能满足要求.于是采用PID控制器（如图4.4）。以下进行干扰仿真：图 4.5 t=500s处加入阶跃加热蒸汽流量f3（t） 图 4.6 t=500s处加入阶跃加乳液流量f1（t）图 4.7 t=500s处加入阶跃f1（t）和 f3（t） 图 4.8 P=3.2 Ti=30 Td=75 控制结果需要说明的是由于生产的实际，我们总是希望系统的生产能力处于最大的状态，也就是说乳液的流量f1（t）对应的阀门始终处于最大的开度状态，这样f1（t）的扰动基本上是为零的，这样PID调节器对于生产实际已经能满足要求。综上所述，对于衰减法进行的PID参数整定，很重要的一点是如何确定P值，一旦P值确定后，便可根据经验的表格进行计算得出相应的结果。需要说明的是上述表格得出的结果只是一个参考值，如果整定的效果仍旧不满意可以进行相应的微调，直至满意为止。根据图4.4 超调量较大的特点，相应的增大微分环节，配合一定的积分，可得如图4.8比较令人满意的结果。5. 结束语PID控制因其简单、易用而广泛应用于工