過程控制課程設計

1、1系統描述1.1概述噴霧干燥設備在1901年首次用于奶粉工業(yè)的生產，在20世紀20年代才正真用于奶粉工業(yè)的生產，20世紀40年代末才在我國開始使用。最早的結構是屬于壓力箱式，物料的霧化為雙流體式，動力消耗量大。到1958年，輕工部在黑龍江推廣畜力小型壓力式噴霧干燥法生產奶粉，1955年哈爾濱松花江牛奶廠首次用離心噴霧的方法生產奶粉。這兩種形式都是平底結構，每工作一個班次人工出粉一次。20世紀60年代中期，箱式壓力干燥設備出現了錐底螺旋出粉器（攪龍）的結構形式。第一臺立式多噴頭壓力噴霧干燥設備誕生在20世紀70年代初期，它的出現是噴霧干燥設備的有效容積縮小近一半，而且不用攪龍，連續(xù)出粉。20世紀

2、80年代又生產了噴頭立式壓力噴霧干燥設備，它在奶粉工業(yè)中的應用是推動我國乳粉工業(yè)技術進步的一個關鍵環(huán)節(jié)，為促進我國奶粉工業(yè)的迅速發(fā)展奠定了基礎。為了提高牛奶液體干燥的速度，質量，提高牛奶液體轉變?yōu)槌善返纳a效率，需要一套穩(wěn)、準、快的控制系統，因為噴霧干燥設備有可直接由溶液或懸浮體制得成分均勻的粉狀產品的特殊優(yōu)點，此課程設計要完成噴霧式奶粉干燥控制系統設計。1.2控制任務本次課程設計主要是針對溫度，通風量，液位流量等控制系統進行動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)誤差分析，看是否達到一定的性能指標的要求，如若不能達到要求則必須對系統進行校正，利用合適的參數整定，使系統達到穩(wěn)、準、快。2系統建模本次設計以牛奶的干燥過程

3、來設計干燥器。由于牛奶屬于膠體物質，激烈攪拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的辦法。濃縮的牛奶由高位槽流經過濾器A或B，濾去凝結塊和其它雜質，并從干燥器頂部由噴嘴噴下。有鼓風機將一部分空氣送至干燥器，用蒸汽進行加熱，并將與來自鼓風機的另一部分空氣混合，經風管送往干燥器，由下向上吹，以便蒸發(fā)掉乳液中的水分，使之成為粉狀物，并隨濕空氣一起由底部送出進行分離。生產工藝對干燥后的產品質量要求很高，水分含量不能波動太大，因而，需要對干燥的溫度進行嚴格控制。圖2-1牛奶噴霧式液體干燥生產流程圖3控制系統設計3.1方案設計3.1.1被控參數的選擇 根據上述生產工藝情況，產品質量（水分含量）與干燥溫度密

4、切相關。考慮到一般情況下測量水分的儀表精度較低，故選用間接參數，即干燥的溫度為被控參數，水分與溫度一一對應。因此，必須將溫度控制在一定數值上。3.1.2控制參數的選擇通過去工藝流程圖的分析，影響干燥設備溫度的主要因素有乳液流量、旁路空氣流量和加熱蒸汽流量。選擇其中任何一個變量作為控制參數，均可構成溫度控制系統。用調節(jié)閥1、2、3的位置分別代表三種可供選擇的控制方案。 （1）按圖3-1所示框圖進行分析可知，乳液直接進入干燥器，控制通道的滯后最小，對被控溫度的校正作用最靈敏，而且干擾進入系統的位置遠離被控量，所以將乳液流量作為控制參數因該是最佳的控制方案；但是，由于乳液量是生產負荷，工藝要求必須穩(wěn)

5、定，若作為控制參數，則很難滿足工藝要求。所以，將乳液量作為控制參數的控制方案應盡量避免。風管調節(jié)器換熱器混合控制風管干燥器干燥器調節(jié)閥干燥器測量變送 圖3-1乳液流量為控制的系統框圖（2） 按圖3-2所示框圖進行分析可知，旁路空氣量與熱風量混合，經風管進入干燥器，它與圖3-1所示控制方案相比，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。干燥器干燥器風管換熱器 干燥器調節(jié)器調節(jié)閥混合過程風管 測量變送圖3-2風量為控制參數時的系統框圖（3）按圖3-3所示的控制方案分析可知，蒸汽需經過換熱器的熱交換，才能改變空氣溫度。由于換熱器的時間

6、常數較大，而且該方案的控制通道既存在容量滯后有存在純滯后，因而對干燥溫度校正作用的靈敏度最差。干燥器 干燥器測量過程風管 干燥器風管換熱器調節(jié)閥調節(jié)器 測量變送圖3-3蒸汽量為控制參數時的系統框圖 綜上分析，選擇旁路空氣量作為控制參數的方案比較適宜。3.2儀表的選擇3.2.1測溫元件及變送器的選擇 根據生產工藝及用戶要求，宜選用DDZ-型儀表。 因為被控溫度在600°C以下，故選用熱電阻溫度計。為提高檢測精度，應采用三線制接法，并配用溫度變送器。3.2.2調節(jié)閥的選擇根據生產工藝安全的原則，宜選用氣關式調節(jié)閥；根據工程特性與控制要求，宜選用對數流量特性的調節(jié)閥；根據被控介質流量的大小

7、及調節(jié)閥流通能力與其尺寸的關系，選擇調節(jié)閥的公稱直徑和閥座的直徑。3.2.3調節(jié)器的選擇根據過程特性與工藝要求，宜選用PI或PID控制規(guī)律；由于選用調節(jié)閥為氣關式，故為負；當給被控過程輸入的空氣量增加時，干燥器的溫度降低，故為負；測量變送器通常為正。為使整個系統中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數的乘積為正，則調節(jié)器的應為正，故選用反作用調節(jié)器。3.3溫度控制的系統框圖根據上述設計的控制方案，噴霧式干燥設備過程控制的系統框圖如下所示： 圖3-4干燥設備溫控系統框圖4控制器設計4.1調節(jié)器的參數整定對于調節(jié)器的參數整定我用的是臨界比例度的整定方法。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)系統中進行，

8、不需要測試過程的動態(tài)特性，其方法簡單，使用方便，因而獲得廣泛的應用。調節(jié)器參數整定的任務是根據被控過程的特性，確定PID調節(jié)器的比例度、積分時間以及微分時間的大小。在簡單過程控制系統中，調節(jié)器的參數整定通常以系統瞬態(tài)響應的衰減率為主要目標，以保證系統具有一定的穩(wěn)定裕量。另外應滿足系統穩(wěn)態(tài)誤差、最大動態(tài)偏差（或者超調量）和過渡時間等其它指標。具體整定過程步驟如下：（1）、首先將調節(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值，使系統投入閉環(huán)運行。 （2）、等系統運行穩(wěn)定后，對設定值施加一個階躍變化，并減小直到出現如圖4-1所示的等幅振蕩曲線為止。 圖4-1等幅振蕩曲線（3）、記錄下此

9、時的臨界比例度和等幅振蕩周期,按經驗公式計算出調節(jié)器的、三個參數。4.2調節(jié)器傳遞函數本次設計控制對象的傳遞函數為 ， ， 。因為調節(jié)器選用PI調節(jié)，因此可設。根據臨界比例度法，先將調節(jié)器的積分時間置于最大，則,此時，系統的傳遞函數為：特征方程其中，滿足等幅振蕩條件，將帶入，令實部、虛部都為零。 解得：,也即，則。查表可知：,。表4-2調節(jié)器參數整定規(guī)律調節(jié)規(guī)律整定參數PPIPID4.3系統仿真4.3.1仿真框圖經過反復試驗，最終確定PID調節(jié)器中的P設置為4，I設置為0.5，D設置為0。圖4-3控制系統仿真框圖4.3.2響應曲線圖調節(jié)PID控制器的參數，比較在不同參數下的系統響應曲線。其中對于本次課程設計的牛奶噴霧式液體干燥控制系統，我們總希望系統的生產能力處于最大狀態(tài)。為此，我分別對比例時間、積分時間、微分時間進行了調整，得到以下三個響應曲線。圖4-4時的系統響應曲線圖4-5時的系統響應曲線