喷雾式乳液干燥器控制系统设计.doc
《喷雾式乳液干燥器控制系统设计.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《喷雾式乳液干燥器控制系统设计.doc（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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
3.1、系统工作过程简介………………………………………………………2
3.2、控制方案的设计…………………………………………………………3
3.3、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
3.1、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。
3.2、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（间接），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，得到如下控制方案方框图：
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：
3.3控制算法的设计
3.3.1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：
；
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；
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：
。
5）两个时间常数为100s的环节：
。
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：
。
3.3.2仿真及分析
方案1以乳液流量f1（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：
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：
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。
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
P
Ti
Td
P
P
I
1.2P
0.5TS
D
0.8P
0.3TS
0.1TS
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。
现像如下：
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（）=0.8086；于是满足条件。
此时TS=231.41-86.85=144.56S。
整定参数
调节规律
P
Ti
Td
P
4
I
4.8
72.28
D
3.2
43.368
14.456
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f1（t）：
t=500s处加入阶跃f1（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。
超调量较大的特点，相应的增大微分环节，配合一定的积分，可得比较令人满意的结果。
4总结
本次正是以工业生产实际为标准进行的设计。
其实不难发现，控制的最后对于干扰的预制并不是太好。
如果进行多级控制，在最后的输出再增加一个负反馈回路，形成反馈回路，达到的控制效果将会更好。
5参考书目
1、《过程控制》李文涛主编。
北京：
科学出版社，2012
2、《控制系统计算机辅助设计：
MATLAB语言与应用》薜定宇著。
2版--北京：
清华大学出版社2006.3
10
升级会员 