喷雾式乳液干燥器的PID控制.docx
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喷雾式乳液干燥器的PID控制
喷雾式乳液干燥器的PID控制
摘要：
以喷雾式乳液干燥系统为例，简要的进行了系统的分析、设计过程，并利用simulink对不同的设计方案进行仿真及比较，根据工业生产实际选出了最佳的设计方案，根据“经验法”对PID控制参数进行了整定，得到了较为满意的控制品质。
关键词:
设计仿真PID控制器参数整定
1.前言
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，或得不到精确的数学模型时，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。
本文以工业中的喷雾式乳液干燥系统为控制系统,利用PID进行控制。
2.喷雾式乳液干燥系统生产过程概述
图2.1喷雾式乳液干燥过程示意图
图2.1喷雾式乳液干燥过程示意图，通过空气干燥器将浓缩的乳液干燥成乳粉。
已浓缩的乳液由高位储槽流下，经过滤器，然后从干燥器顶部喷嘴喷出。
干燥空气经热交换器加热、混合后，通过风管进入干燥器与乳液接触，将乳液中的水分蒸发形成乳粉。
要求乳粉质量高，含水量波动不能太大。
3.控制方案设计
1
2
3
3.1被控参数选择
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。
3.2控制变量选择
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2.1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，得到控制方案方框图：
图3.2.1方案1对应的方框图
方案2以旁通冷分流量f2（t）为控制变量，得到控制方案方框图：
图3.2.2方案2对应的方框图
方案3以旁通冷分流量f2（t）为控制变量，得到控制方案方框图：
图3.2.3方案3对应的方框图
3.3通道分析：
1.
2.
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.3.1.各环节的放大系数均为1；
3.3.2.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,
；
3.3.3.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
；
3.3.4.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
3.3.5.两个时间常数为100s的环节
3.3.6.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
；
3.4仿真及分析：
方案1：
Simulink仿真方案：
图3.4.1方案1simulink仿真图
图3.4.2方案1simulink仿真结果图
方案2：
Simulink仿真方案：
图3.4.3方案2simulink仿真图
图3.4.4方案2simulink仿真结果图
方案3：
Simulink仿真方案：
图3.4.5方案3simulink仿真图
图3.4.6方案3simulink仿真结果图
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。
4.PID参数整定
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。
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.
图4.1P=10系统响应曲线图4.2P=4系统响应曲线
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
于是PI控制结果（图4.3）：
于是PID控制结果（图4.4）：
图4.3PI控制器的控制结果图4.4PID控制器控制结果
可见PI的控制效果并不能满足要求.于是采用PID控制器（如图4.4）。
以下进行干扰仿真：
图4.5t=500s处加入阶跃加热蒸汽流量f3（t）图4.6t=500s处加入阶跃加乳液流量f1（t）
图4.7t=500s处加入阶跃f1（t）和f3（t）图4.8P=3.2Ti=30Td=75控制结果
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。
根据图4.4超调量较大的特点，相应的增大微分环节，配合一定的积分，可得如图4.8比较令人满意的结果。
5.结束语
PID控制因其简单、易用而广泛应用于工业现场。
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。
参考文献：
王再英，刘淮霞，陈毅静.过程控制系统与仪表.北京：
机械工业出版社，2006
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