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

钵程强计想告

题目喷雾式乳液干燥器控制系统设计

项目成员蒋嘉楠

专业班级__________自动化091________________

指导教师_____________________

分院______________信息分院___________

完成日期_____________12年11月____________

目录

*项目组成员........................................................1

1课程设计目的......................................................1

2课程设计题目描述和要求...........................................1

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

4总结............................................................7

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

1.课程设计目的

设计喷雾式乳液干燥器控制系统，通过MATLAB仿真，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。

2.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MATLAB进行算法的仿真；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。

3.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

干燥滞顶部由喷嘴喷下。有鼓风机将一部分空气送至换热潜，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。

高位槽

、控制方案的设计

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。因而可选择干燥落的出口温度作为被控参数（间接），

从而实现对乳粉水分控制。

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力⑴，旁路空气流量记为f2（t）,加热

蒸汽量记为f3⑴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f2⑴为控制变量，得到如下控制方案方框图:

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:

G（s）=------

5s+i.

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,

1

G（s）=

（8.5s+l）（8.5s+l）（8.5s+l）

滞后时间为2秒的对象，即干燥器特性为

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：G（s）=ef。

G（S）=7-------ry-------r

5）两个时间常数为100s的环节：（100S+l）（l（）0s+l）o

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1（）0秒的

G（S）=7-------r

环节：（lOOs+1）。

仿真及分析

方案1以乳液流量6⑴为控制变量，得到如下Matlab仿真图:

D百口昌3喧|R40力口|>■^00—|Norm«l二£］国画⑥卷㈡■履国《

TransferFcn1

图2方案1的simulink仿真图

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f2⑴为控制变量，得到如下Matlab仿真图:

TfansfecFon1

图3方案2的simulink仿真图

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f3⑴为控制变量，得到如下Matlab仿真图：

£ileEditViewSimulationFormatJoolsHelp

□4Q昌X电e|04ib■I2000|f三|国四囱承fR13国

TransferFcn1

图4方案3的sinulink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fl⑴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而缓

慢。干扰干扰fl（t）、干扰f2⑴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。

PID参数整定

I）利用衰减曲线法进行的整定:

调节规4PTiTd

PP―

I

D

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=8,Td=O.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:

0FunctionBlockParameters：PIDController

PIDController

Thisblockmplomentscontinuous-anddiscrete-time

asanti-vmdup,externalreset,andsignaltracking.

'Tune.・・'button(requiresSinulinkControlDesign).

Controller:PID

Time-domain:

QContinuous-tine

CDiscrete-time

MainPIDAdvanced；DataTypes)StateAttnbut-

Controllersettings

Controllerforn:Ideal

Proportional(P):10

Integral(I):0

Derivative(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：

Controller:PID昌图］PP醯寇矗IEI节中•

Tijiie-dujnaixi;

。Continuous-time

Discrete-time

2)利用workspace的数据，可得第一个峰值为yl=,y2=,y(on)=；于是

黑言第=3.97297".。满足条件。此时Ts—

数

PT；Td

调节规律

P4

I

D

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:

■ScopeIf回.Sspe

|昌图Q0圆醯国语0a专1|昌色®⑷q醯强1@e专，

，，：，，■:…：.一；］

0L---------------'----------------i--------nL_；■.u

02004006008001000200400600800

Timeoffset:0Timeoffset0

可见PI的控制效果并不能满足要求，