乳化物干燥器温度单回路控制系统设计.docx
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乳化物干燥器温度单回路控制系统设计
1干燥器工作原理及结构特点……………………………………………………1
1.1干燥器概述…………………………………………………………………1
1.2控制系统设计………………………………………………………………2
1.3控制参数的确定……………………………………………………………3
2现场仪表的选型………………………………………………………………3
3系统方块图的确定………………………………………………………………6
4调节器算法的确定和参数的确定………………………………………………6
4.1调节器控制规律……………………………………………………………6
4.2各环节传递函数及参数的确定……………………………………………7
5系统的Simulink仿真……………………………………………………………7
6课程设计总结……………………………………………………………………10
参考文献……………………………………………………………………………11
乳化物干燥器温度单回路控制系统设计
1、干燥器工作原理及结构特点
1.1干燥器概述
干燥器是是通过加热使物料中的湿分(一般指水分或其他可挥发性液体成分)汽化逸出,以获得规定湿含量的固体物料的机械设备。
干燥的目的是为了物料使用或进一步加工的需要。
如木材在制作木模、木器前的干燥可以防止制品变形,陶瓷坯料在煅烧前的干燥可以防止成品龟裂。
另外干燥后的物料也便于运输和贮存,如将收获的粮食干燥到一定湿含量以下,以防霉变。
由于自然干燥远不能满足生产发展的需要,各种机械化干燥器越来越广泛地得到应用。
干燥过程需要消耗大量热能,为了节省能量,某些湿含量高的物料、含有固体物质的悬浮液或溶液一般先经机械脱水或加热蒸发,再在干燥器内干燥,以得到干的固体。
在干燥过程中需要同时完成热量和质量(湿分)的传递,保证物料表面湿分蒸汽分压(浓度)高于外部空间中的湿分蒸汽分压,保证热源温度高于物料温度。
热量从高温热源以各种方式传递给湿物料,使物料表面湿分汽化并逸散到外部空间,从而在物料表面和内部出现湿含量的差别。
内部湿分向表面扩散并汽化,使物料湿含量不断降低,逐步完成物料整体的干燥。
物料的干燥速率取决于表面汽化速率和内部湿分的扩散速率。
通常干燥前期的干燥速率受表面汽化速率控制;而后,只要干燥的外部条件不变,物料的干燥速率和表面温度即保持稳定,这个阶段称为恒速干燥阶段;当物料湿含量降低到某一程度,内部湿分向表面的扩散速率降低,并小于表面汽化速率时,干燥速率即主要由内部扩散速率决定,并随湿含量的降低而不断降低,这个阶段称为降速干燥阶段。
按湿物料的运动方式,干燥器可分为固定床式、搅动式、喷雾式和组合式;按结构,干燥器可分为厢式干燥器、输送机式干燥器、滚筒式干燥器、立式干燥器、机械搅拌式干燥器、回转式干燥器、流化床式干燥器、气流式干燥器、振动式干燥器、喷雾式干燥器以及组合式干燥器等多种。
对于乳化物的干燥要选用喷雾式的比较合适,这也是最为常用的一种。
其干燥原理为,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、逆流或流的方式互相接触,
图1-1:
乳化物干燥器干燥原理图
1.2控制系统设计
被控参数选择:
选干燥器的温度为被控参数;
控制参数选择:
选择旁路空气量为控制参数的方案为最佳;
过程检测控制仪表的选用:
根据生产工艺和用户要求,选用电动单元组合(DDZ)仪表。
包括测温元件及变送器(被控温度在600℃以下,选用电阻温度计)、调节阀(选气关形式、对数流量特性、公称直径和阀心直径的尺寸)、调节器(可选用PI或PID控制规律、正作用调节器)。
被控参数选择由于此系统为温度控制系统,所以选用干燥器的温度为被控参数。
控制参数选择由图1的干燥过程流程图可知引起干燥器温度变化的因素大概主要有:
(1)乳液流量
(2)旁路空气流量
(3)加热蒸汽量
1.3控制参数的确定
干燥器中主要有乳液A、加热蒸汽B、旁路空气流量C。
由图1知乳液直接进入干燥器,滞后最小,对于干燥温度的校正作用最灵敏。
对于旁路空气流量和热风量混合后,再经过较长的风管进入干燥器,由于混合空气传输管道长,存在管道传输滞后,故控制通道的时间滞后较大,对于干燥温度校正作用的灵敏度要差一些。
而调节换热器的蒸汽流量,以改变空气的温度,则由于换热器通常为一双容过程,时间常数较大,控制通道的滞后最大,对干燥温度的校正作用灵敏度最差。
所以综合考虑选择乳液A为主流量和旁路空气流量C作为副流量,且选旁路空气流量为被控变量。
2现场仪表的选型
根据流程图,需要选择一个温度测量变送器、一个流量调节阀和一个调节器。
①温度测量变送器的选择。
温度测量的方法很多,一般可分为接触式测温法和非接触式测温法。
接触式测温法是测量体与被测物体直接接触,两者进行热交换并最终达到热平衡,这时测量体的温度就反应了被测物体的温度,而非接触式测温法的误差较大。
由于原料油的裂解需要对温度有较严格的规定,因此,选择接触式测温法。
热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器,两种不同材料的导体A、B组成一个闭合回路,当回路两端接点t0、t温度不相同时(假设t>t0),回路中就会产生一定大小的电势,形成电流,这个电流的大小与导体材料性质和接点温度有关。
把两种不同材料的组合称为热电偶,它感受被测温度信号,输出与温度相对应的直流电势信号。
选用铂热电阻温度计,同时配用DDZ-Ⅲ热电阻温度变送器。
②执行机构(调节阀)的选择。
执行器可分为气动、液动、和电动执行器,液动执行器使用较少,气动执行器是以压缩空气为能源的执行器(气动调节阀),主要特点是:
结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维修方便、本质防爆、容易做成大功率等。
与电动执行器相比,性能优越得多,故应用广泛。
本控制方案选择气动执行器。
③调节器的选择。
选用SK-808/900系列智能PID调节仪如图2-1所示:
图2-1SK-808/900系列智能PID调节仪
主要技术指标
基本误差:
0.5%FS或0.2%FS±1个字
分辨力:
1/20000、14位A/D转换器
显示方式:
双排四位LED数码管显示
采样周期:
0.5S
报警输出:
二限报警,报警方式为测量值上限、下限及偏差报警,继电器输出触点容量AC220V/3A
控制输出:
⑴继电器触点输出
⑵固态继电器脉冲电压输出(DC12V/30mA)
⑶单相/三相可控硅过零触发
⑷单相/三相可控硅移相触发
⑸模拟量4~20mA、0~10mA、1~5V、0~5V控制输出
通讯输出:
接口方式--隔离串行双向通讯接口RS485/RS422/RS232/Modem
波特率--300~9600bps内部自由设定
馈电输出:
DC24V/30mA
电源:
开关电源85~265VAC功耗4W以
选型表
表2.1SK-808/900系列智能PID调节仪的选型表
代码
说明
SK-808/900
智能PID调节仪
外型尺寸
A
横式160×80×125mm
A/S
竖式80×160×125mm
B
方式96×96×110mm
C
横式96×48×110mm
C/S
竖式48×96×110mm
D
方式72×72×110mm
报警输出
B□
B1-1个报警点,B2-2个报警点
控制输出
N
无控制输出
L
继电器控制输出
G
固态继电器输出
K1
单相可控硅过零触发
K2
三相可控硅过零触发
K3
单相可控硅移相触发
K4
三相可控硅移相触发
X1
4-20mA输出
X2
0-10mA输出
X3
1-5V输出
X4
0-5V输出
通讯输出
P
微型打印机
R
串行通讯RS232
S
串行通讯RS485
变送器配电电源
无馈电输出
V12
带DC12V馈电输出
V24
带DC24V馈电输出
供电电源
220VAC供电
W
DC24V供电
输入信号
Sn
见"输入信号类型表"
3系统方块图的确定
根据控制流程图和控制要求设计的系统方框图如下:
图3-1风量作为控制参数时的系统框图
4调节器算法的确定和参数的确定
4.1调节器控制规律
由于被控变量是温度,所以控制器选择PID控制规律。
为了使温度控制系统能运行到最佳状态,可以按照调节器工程整定方法中的经验数据进行初步设值,然后在系统中进行仿真并调节PID调节器的参数。
其中,经验数据见下表:
表4.1调节器参数经验数据
系统
参数
/min
/min
温度
20~60
3~10
0.5~3
流量
40~100
0.1~1
压力
30~70
0.4~3
液位
20~100
4.2各环节传递函数及参数的确定
温度测量环节用一阶环节来近似
假设KTM(T/hr)。
T1=3min。
对于调节阀,由于其流量特性为直线和等百分比,故
对于流量控制干燥器温度对象,控制通道和扰动通道的动态特性为
假设(T/hr),
5系统的Simulink仿真
先设定PID调节器的参数为,
控制系统的Simulink仿真框图如下:
图5-1控制系统仿真框图
图5-2系统响应图
调节PID控制器的参数,比较在不同参数下的系统响应曲线。
其中对于温度控制系统,由于其对象容量滞后较大,被控变量受干扰作用后变化迟缓,一般选用较小的比例度,较大的积分时间,同时要加入微分作用,微分时间是积分时间的四分之一。
(1)可以考虑将微分时间调大来观察响应曲线的变化。
当,,时,
图5-3当,,时的系统响应图
(2)可以考虑将比例度调小来观察响应曲线的变化
,时,
图-4,,时,系统的响应曲线
结合响应曲线的变化,可以看出当PID调节器的参数为,,,时,系统相对其他情况下的响应达到稳定所需时间段,且能在达到稳定后保持在稳定值附近变化,超调量相比较而言也较小。
6课程设计总结
为期两周的课程设计结束了,通过课程设计,我基本上掌握了控制系统的设计方法,并且对单回路控制系统有了更深入的的了解。
刚拿到题目时感觉有点迷茫,每个人设计的题目都不同,而且设计对象也是我们没有怎么接触过的,只是课堂上有了一些简单的了解,这就要求我们花更多的精力去查阅资料,了解更多的知识,对我们提出了更强的独立性要求。
通过系统仿真,我对系统性能有了更加深刻的认识,明确了各个参数对系统性能的影响。
通过课程设计,我对以前书本上所学的知识有了更深的理解,也为将来知识的学习打下了坚实的基础。
虽然我所做的控制系统比较简单,但这是我这两周的心血,通过这个简单的控制系统的设计,我对控制系统又有了更深的理解,同时也学习了一下复杂控制系统,有了一定的认识了解。
这次课程设计增长了我把知识运用到实际的能力,加深了对课本知识的理解。
另外,感谢刘广璞、刘波、崔宝珍老师的辛勤指导,让我的课程设计得以顺利地完成。
参考文献
[1]王毅,张早校.过程装备控制技术及应用[M].北京:
化学工业出版社,2007,13-35,232-235.
[2]杨为民.过程控制系统及工程[M].陕西:
西安电子科技大学出版社.2008,3-35.
[3]杨