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。
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。
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。
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
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化学工业出版社，2007,13-35，232-235.
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[3]杨三青，王仁明，曾庆山.过程控制[M].武汉：
华中科技大学出版社，2008,15-135，173-198.
[4]王正林，郭阳宽.过程控制与Simulink应用[M].北京：
电子工业出版社，2006,31-47,52-67.
[5]谢仕宏.MATLAB控制系统动态仿真实例教程[M].北京：
化学工业出版社，2008,195-239.
[6]俞金寿，孙自强.过程控制系统[M].北京：
机械工业出版社，2009,59-80，258-262.
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