喷雾式乳液干燥器控制系统设计高等教育

宁波理工学院过 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 教辅工具b目 录*项目组成员11课程设计目的12课程设计题目描述和要求13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 34总结 75参考书目 7教辅工具b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。3.3.3 PID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 PTiTdPPI1.2P0.5TSD0.8P0.3TS0.1TS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 PTiTdP4I4.872.28D3.243.36814.456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，20122、 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教辅工具b