喷雾式干燥设备控制系统.docx

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喷雾式干燥设备控制系统

理学院课程设计报告

课程名称：

过程控制系统课程设计

项目名称：

喷雾式枯燥设备控制系统

院系：

理学院

专业：

自动化1401

学号：

1443121033

姓名：

苏鹏

指导导师：

2017年6月10日

西京学院理学院制

摘要

本次课程设计的题目是奶粉喷雾式枯燥设备控制系统设计。

在众多的枯燥设备中，喷雾枯燥器是应用较广的枯燥器之一，是处理溶液、悬浮液或泥浆状物料的枯燥设备。

能从液体直接枯燥成粉体，这是喷雾枯燥器的最大优点；热效率低、体积庞大、生产能力低、投资高是它的缺点。

喷雾枯燥器的工作原理是：

用喷雾的方法将物料喷成雾滴分散在热空气中，物料与热空气呈并流、逆流或混流的方式互相接触，使水分迅速蒸发，达到枯燥的目的。

在设计中选择物料的枯燥温度为被控参数，而对于控制参数的选择如此是通过三种方案的比拟最后选择用旁路空气量作为控制参数。

根据过程特性与工艺要求，宜选用将比例与积分组合起来，既能控制与时，又能消除余差的比例积分控制〔PI〕控制规律。

应用临界比例度法对调节器的参数进展整定，使整个控制系统处于最优的工作状态，满足生产工艺上的要求。

关键词：

PID控制；控制系统设计；单回路控制系统

Abstract

Thesubjectofthiscoursedesignisthecontrolsystemdesignofmilkspraydryingequipment.Amongmanydryingequipment,spraydryerisoneofthedryerwhichiswidelyused.Itisadryingequipmentfortreatingsolution,suspendingliquidormudmaterial.Themostimportantadvantageofaspraydryerisitsabilitytodrydirectlyfromliquid.Ithasitsdisadvantagesoflowthermalefficiency,largevolume,lowproductioncapacityandhighinvestment.Theworkingprincipleofthespraydryerisused:

spraymethodmaterialsprayeddropletdispersioninhotair,andhotairandamaterialflow,countercurrentormixedmodeofcontactwitheachother,sothattherapidevaporationofwater,toachievethepurposeofdrying.Inthedesign,thedryingtemperatureofthematerialischosenasthecontrolledparameter,andthechoiceofcontrolparametersisthroughtheparisonofthethreeschemes.Finally,thebypassairvolumeischosenasthecontrolparameter.Finally,thecriticalproportionmethodisusedtoadjusttheparametersoftheregulator.Makethewholecontrolsystemintheoptimalworkingstate,andmeettherequirementsoftheproductionprocess.

Keywords：

PIDcontrol；controlsystemdesign；Singleloopcontrolsystem

1引言

为了提高在奶粉生产过程中枯燥的速度、质量，提高奶粉乳液转变成品的生产效率，需要一套稳、准、快的控制系统，因为喷雾枯燥设备有可直接由溶液或悬浮体制得成分均匀的粉状产品的特殊优点，本课程设计要完成喷雾式奶粉枯燥控制系统设计。

本文以工业中的奶粉喷雾枯燥系统为控制系统,利用PID进展控制。

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，或得不到准确的数学模型时，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。

2枯燥过程的控制系统设计

在奶粉生产过程中，枯燥程序是奶粉生产的重要环节之一，喷雾枯燥过程是物料由泵送至喷雾枯燥器内，由雾化器将其分散为小雾滴；空气经加热送入枯燥室内与料雾混合、接触；最后完成枯燥过程。

喷雾式枯燥过程示意图如图2-1所示。

图2-1奶粉喷雾枯燥工艺流程图

奶粉喷雾枯燥过程的生产工艺要求是将原料奶液用空气枯燥成奶粉，首先通过管道供气设备将物料——已浓缩的奶液〔由于将液体奶制造成奶粉的喷雾枯燥器的能量消耗大〔相当于1.7kg蒸汽，蒸发1kg水〕，所以常常是将奶液在引入喷雾枯燥器之前进展浓缩，形成浓缩的奶液〕送入枯燥室；枯燥空气经过过滤之后被一涡轮式风扇以告诉引入，经过空气加热器〔这一加热器可以是蒸汽辐射式的，亦可以是均匀热油〕将空气从室温枯燥温度150-200；枯燥箱有一锥形的底部，热空气通过顶部空气分配系统进入，雾化奶滴是从非常接近刚进来的热空气的位置进入，热空气立即与雾化奶滴相接触，这样迅速的混合可立即使水分瞬间蒸发；是奶粉枯燥成颗粒，大局部都将至其底部，通过管道空气排出，枯燥了的奶粉再行别离，输出产品——奶粉。

枯燥后成品质量要求高，含水量波动不能过大。

奶粉喷雾枯燥过程的生产工艺要求是将原料奶液用空气枯燥成奶粉。

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，因而采用高位槽喷雾方法。

浓缩的乳液由高位槽经过滤器，虑去凝结块和其他杂质，并从枯燥器顶部由喷嘴喷下。

鼓风机将一局部空气送至空气加热器，经风管送往枯燥器，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展别离。

生产工艺对枯燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对枯燥的温度进展严格控制。

3被控参数与控制参数的选择

根据生产工艺，水分含量与枯燥温度密切相关。

考虑到一般情况下的测量水分的仪表精度较低，应当选用间接参数，即枯燥的温度为被控参数，水分与温度一一对应，将温度控制在一定数值上。

影响奶粉产品的产量和质量与许多因素有关，如料浆中固形物的含量、热风温度、空气流率,进入雾化器的浓缩液流等。

而产品的最终含水量与枯燥机热风进口温度、加热器出口温度与枯燥器内负压等参数有直接关系。

经分析可知，枯燥器进口温度是控制枯燥产品质量的最主要因素,因此将枯燥器进口温度选作被控变量。

而影响枯燥温度的因素有物料流量,空气流量和燃料变化。

系统可选择三种操作变量构成温度控制系统。

其框图分别如图3-1，图3-2，图3-3所示。

对其进展近一步的分析一边选取最优的方案。

方案1:

如图3-1所示，将物料流量作为操纵变量，物料经泵送入枯燥器，通道滞后时间最短，对枯燥温度的调节作用最灵敏,并且干扰所处的位置靠近调节阀，似乎最适宜作为操作变量，但从工艺分析看，物料流量是生产负荷，需要维持稳定才能保持产量，所以它不宜作为操作变量。

图3-1操作变量为物料流量的控制系统

方案2:

 如图3-2所示，以旁路空气作为操作变量，旁路空气经与热风混合后，再经过风管进入枯燥器，与方案1相比，它构成的调节通道时滞大，控制的灵敏度次之。

图3-2操作变量为旁路空气的控制系统

方案3：

如图3-3所示，选择蒸汽流量作为操作变量，调节通道长，容量滞后大，控制的灵敏度差，所有干扰进入位置均靠近被控变量。

图3-3操作变量为蒸汽流量的控制系统

从上图可以看出各种干扰作用点的分布对控制方案的影响对方案三来说是很清楚的。

对方案二来说，因为无论是鼓风温度的变化或蒸汽压力的变化，都影响到热交换器后的热风温度，因此，物料流量干扰和旁路空气干扰作用在同一点上。

对方案一来说，无论何种干扰都是乳液量或喷雾口热风温度发生变化，因而三个干扰都作用在同一点上。

对应的控制系统框图3-4所示。

表示枯燥器，为调节器，为乳液流量或喷雾口热风温度的变化。

在方案二中，调节器作用到旁路管路，由于有管路的传递纯滞后存在，故较方案一多一个纯滞后环节。

为热交换器后热风的变化。

在方案三中，调节器调节热交换的蒸汽流量，热交换器本身为一双容积对象，因而又多了两个容积。

这里每个容积的时间常数。

为送入

热交换器的蒸汽流量的变化。

图3-4方案一调节方案框图

图3-5方案二调节方案框图

图3-6方案三调节方案框图

系统的三种干扰分别为：

〔1〕干扰——乳液流量的变化；

〔2〕干扰——热交换器散热与温度变化；

〔3〕干扰——蒸汽压力的变化。

4检测仪表的选择

根据生产工艺与用户要求，宜选用型仪表，具体选择如下：

因被控温度在600摄氏度以下，热电阻的线性特性要优于热电偶，而且无需进展冷端温度补偿，使用更加方便，应当选用热电阻温度计。

由于热电阻的三线制接法可利用电桥平衡原理较好地消除导线电阻的影响，所以选用三线制接法，并配用温度变送器。

根据生产工艺安全的原如此，适宜选用气关式调节阀；根据过程特性与控制要求，宜选用对数流量特性的调节阀。

调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，它们确实定是合理应用执行器的前提条件。

确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量〔m3或kg〕。

可见流通能力直接代表了调节阀的容量。

由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为：

公式中，α为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接收截面积；g为重力加速度；r为流体重度。

依据流通能力的定义，如此有：

流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。

这就是确定调节阀尺寸的理论依据可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即：

调节阀尺寸确实定过程为根据通过调节阀的最大流量，r为流体重度，以与调节阀的前后压差，先由上式求得最大的流通能力，然后选取大于最低级别的C值，即可依据下表确定出Dg和dg的大小。

表3-1调节阀流通能力C与其尺寸的关系

根据过程特性与工艺要求，宜选用将比例与积分组合起来，既能控制与时，又能消除余差的比例积分控制〔PI〕控制规律。

式中为PI调节器的积分增益，它定义为：

在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比

由于选用调节阀为气关式，如此为负；对于来说，由前所诉，当被控过程输入空气增加时，其输出〔水分散发〕亦增加，故为负；一般测量变送Km为正。

是系统中各环节静态放大系数极性乘机为正，如此调节器取正，即选用反作用调节器。

5调节器的参数整定

对与调节起的参数整定我选择的是临界比例度的整定放法。

临界比例度法是一种闭环整定方法。

由于该方法直接在闭环系统中进展，不需要测试过程的动态特性