喷雾式乳液干燥器控制系统设计

加力/学宁波理工学院过程控制课程设计报告题目 喷雾式乳液干燥器控制系统设计项目成员 蒋嘉楠、钱品武、游翔 专业班级 自动化091 指导教师 关宏伟 分院 信息分/ 完成日期 12年11月 TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"*项目组成员 1\o"CurrentDocument"1课程设计目的 1\o"CurrentDocument"2课程设计题目描述和要求 1\o"CurrentDocument"3课程设计报告内容 1系统工作过程简介 2控制方案的设计 3控制算法的设计 3\o"CurrentDocument"4总结 7\o"CurrentDocument"5参考书目 7项目组成员项目组成员具体完成的工作备注蒋嘉楠Matlab仿真，word制作以及选题游翔winCC仿真以及选题程序调试钱品武后勤处理，答辩以及程序调试喷雾式乳液干燥器控制系统设计.课程设计目的设计喷雾式乳液干燥器控制系统，通过MATLA的真，实现对该系统过程控制中达到稳定控制。对该系统描述其工艺，并画出其工艺流程图和系统方框图，然后设计出可行方案，进行相对的PID参数整定，最后将得到一个可行性很高的系统设计方案。.课程设计题目描述和要求题目描述：2-3人为一个小组，以一个具体的工业过程为例，设计一个控制系统,完成相应的控制方案设计，完成系统的仿真，并有监控界面。要求：系统的工艺描述；系统的性能指标；系统的控制方案；画出控制流程图，方框图；利用MATLABJ行算法的仿真；以winCC为工具，表现出系统的具体的动态工作过程，画出监控界面。.课程设计报告内容系统工作过程简介本课程设计的题目是喷雾式乳液干燥器控制系统设计。在众多的干燥设备中，喷雾式干燥器是应用较广的干燥器之一，是处理溶液、悬浮液或泥浆状物料的干燥设备。能从液体直接干燥成粉体，这是喷雾式干燥器的最大优点；然而，热效率低、体积庞大、生产能力低、投资高是它的缺点。喷雾式干燥器的工作原理是：用喷雾的方法将物料喷成雾滴分散在热空气中，物料与热空气成并流、逆流或混流的方式互相接触，使水分迅速蒸发，达到干燥的目的。由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A或B,虑去凝结块和其他杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷下。有鼓风机将一部分空气送至换热器，用蒸汽进行加热，并将与来自鼓风机的另一部分空气混合，经风管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸发掉乳液中的水分，使之成为粉状物，并随湿空气一起由底部送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进行严格控制。图1喷雾式乳液干燥流程示意图控制方案的设计(1)被控对象的选择按照生产要求，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(问接)，从而实现对乳粉水分控制。(2)控制变量的选择影响干燥器出口温度的变量有乳液流量记为fl(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fl(t)为控制变量，得到如下控制方案方框图：方案2以旁路空气流量f方案2以旁路空气流量f2（t）为控制变量，得到如下控制方案方框图:方案3以加热蒸汽量f3（t）为控制变量，得到如下控制方案方框图:和｝ n仙)制算法的设计通道分析1）各环节的放大系数均为1;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:GmGm(S)15s13）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G(s)8.5s1G(s)8.5s18.5s18.5s12se4)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：G(s)e3sG(s)5)两个时间常数为100sG(s)5)两个时间常数为100s的环节：1100s1100s16)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G(s) 1—环节： 100s1。3.3.2仿真及分析Matlab仿真图:方案1以乳液流量3(t)为控制变量，得到如下D&Matlab仿真图:方案1以乳液流量3(t)为控制变量，得到如下D&叫图2万案1的ELJiulink忻自图经过运行，我们可以得到下面的仿真结果图:方案2以旁路空气流量f2（t）为控制变量，得到如下Matlab仿真图：fileEditMewS>mulatj-onFcite虱lookHeip□昌|工金自♦夕今|口仁►-fn一际3" -3|国内圉令J“灵施®lEidfl-finl国3方案2的sunoalirJE帕育国经过运行，我们可以得到下面的仿真结果图：方案3以加热蒸汽量f3（t）为控制变量，得到如下Matlab仿真图:经过运行，我们可以得到下面的仿真结果图:由上述Matlab仿真分析后我们可知: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fi(t)影响较大，而干扰f2⑴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fl(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。

3.3.3PID参数整定1）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，T4首先将P置较大的数值，T4昔误！未找到引用源。，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。现像如下：¥FunctonBlockParameters-PTD。通ErdlerFIDCantroll'9rThisbloc*inplnwiilscaminuouf-wAdiacrtte-tln#®e_ssnti-wincup'.e-KtEmalrexet,End1s314rLaIit工a1ck31nls.aTtiTpCi=fe*button(eeqmrejSirrralinkCorrttolDe.sisn)-C^ritc.ullv£|PLDTjjut-JonL2m口CGTltil¥LLIJU3"tiiwi™~|PJDIdwjwM]Pfm.IStat.MtrUmtiContFiillrrsettingt曰ht韭411.七匕ti？iAJPrajiortiijnalCPJ;1DLriUgxhl(1)2 0Dcrivati^TD(D): 0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.现象如下：2）利用workspace的数据，可得第一个峰值为y1=1.2196,y2=0.9161,y（错误！未找到引用源。）=0.8086;于是错误！未找到引用源。 满足条件。此时T=231.41-86.85=144.56S。、•、,产定参数调节规律PTiTdP4I4.872.28D3.243.36814.456表2根据P确定的PID整定参数计算表PI控制结果如下:PID控制结果如下:可见PI的控制效果并不能满足要求，于是我们采用 PID控制器以下进行干扰仿真:t=500s处加入阶跃加热蒸汽流量 f3（t）t=500s处加入阶跃加乳液流量 fi(t)t=500s处加入阶跃fi(t)和f3(t)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fi(t)对应的阀门始终处于最大的开度状态，这样fi(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。超调量较大的特点，