喷雾式乳液干燥器控制系统设计之欧阳法创编.docx
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喷雾式乳液干燥器控制系统设计之欧阳法创编
宁波理工学院
时间:
2021.03.09
创作:
欧阳法
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
*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
时间:
2021.03.09
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欧阳法