乳化物干燥器串级控制系统

1、中北大学课程设计说明书目 录1、干燥器工作原理及结构特点11.1干燥器的原理11.2干燥器的应用21.3干燥器的未来发展32、串级控制系统的工作原理43、控制方案的选择53.1乳化物干燥器串级控制系统参数选择53.2控制参数的确定53.3现场仪表选型64、系统方框图75、分析被控对象特性76、进行系统仿真7课程设计总结10参考文献111、 干燥器工作原理及结构特点1.1干燥器的原理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

2、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

3、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

4、、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、逆流或混流的方式互相接触，使水分迅速蒸发，达到干燥目的。 由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，不能用泵输送。帮采用高位槽的办法，即浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A或B（两个交换使用，保证连续操作），除去凝结块等杂物，再通过干燥器顶部从喷嘴喷出。空气由鼓风机直接来的空气混合后，经过风管进入干燥器，从而蒸发出乳液中的水分，并随湿空气混合后，再进行分离。生产工艺对干燥后的产吕质量要求很高，水分含量

5、不能波动太大，因而对干燥的求严格控制。下图为乳化物干燥过程中的喷雾式干燥工艺设备的原理图。 图1乳化物干燥器干燥原理图1.2干燥的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。 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。 在干燥过程中需要同时完成热

6、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， 图2干燥剂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

7、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。1.3干燥器的未来发展干燥器的未来发展将在深入研究干燥机理和物料干燥特性，掌握对不同物料的最优操作条件下，开发和改进干燥器；另外，大型化、高强度、高经济性，以及改进对原料的适应性和产品质量，是干燥器发展的基本趋势；同时进一步研究和开发新型高效和适应特殊要求的干燥器，如组合式干燥器、微波干燥器和远红外干燥器等。 干燥器的发展还要重视节能和能量综合利用，如采用各种联合加热方式，移植热泵和热管技术，开发太阳能干燥器等；还要发展干燥器的自动控制技术、以保证最优操作条件的实现；另外，随着人类对环保的重视，改进干燥器的环境保护措施以减少粉

8、尘和废气的外泄等，也将是需要深入研究的方向。 1.4典型干燥器的特点真空干燥箱为较古老的干燥装置，箱内被加热板分成若干层。加热板中通入热水或低压蒸汽作为加热介质，将铺有待干燥药品的料盘放在加热板上，关闭箱门，箱内用真空泵抽成真空。加热板在加热介质的循环流动中将药品加热到指定温度，水分即开始蒸发并随抽真空逐渐抽走。此设备易于控制，可冷凝回收被蒸发的溶媒，干燥过程中药品不易被污染，可以用在药品干燥、包材灭菌及热处理上。在上世纪80年代原料药行业多用此设备为主要干燥器，但由于不易对料盘进行在线清洗和在线灭菌，干燥速度慢，工人劳动强度大，而且为实现药品均一性，干燥后还要经混粉装置混合，现原料药大生产上

9、已很少应用，多用于中、小试生产或包材热处理。2、串级控制系统的原理控制目的是使干燥器温度保持恒定，现选用的温度，来构成串级随动控制. TC表示温度调节器，TC通常按PID调节规律，流量调节器按P调节规律。当温度发生变化时，由主调节器（ 温度调节器TC）进行控制，其输出作为副调节器（调节器）的给定值，最终控制阀门的开度，主控回路的输出作为副控回路设定值修正的依据，副控回路的输出作为真正的控制量作用于被控对象，液位一旦发生变化，副控回路及时地控制阀门的开度位置，较快地克服了液位的变化对出料温度的影响如果是恒定的，只需测量实际温度，并使其与温度设定值相比较，利用二者的偏差控制管道上的阀门就能保持温度

10、的恒定。路中，以补偿过程的动态特性，使被控对象的滞后时间超前反映到控制器，有效地解决了大惯性环节的时间滞后问题，减少了系统的超调量，加速了系统的调节过程，另外，通过增大液位调节器的比例增益，系统的等效时间常数可以获得较小的数值，从而增加了副控回路的响应速度，提高了系统的工作频率。在这个计算机串级随动控制系统中，串级控制起到了及时检测系统中可能引起被控量发生变化的一些因素并加控制，阀位与流量得到了及时的调节，使温度的控制达到了良好的控制效果，并且使系统具有一定的自适应能力，有效地解决了对象的等效纯滞后时间很长的问题。二次干扰为该系统的主要扰动，副控回路有效而快速地克服二次扰动的影响。当扰动发生在

11、副回路内，例如发生波动引起的温度变化时，由于有副控回路的存在，液位调节器能及时地动作，快速消除了扰动的影响；当扰动发生在副控回路以外时，如物料、能量的转输变化引起提馏段的温度变化，温度调节器及时改变其输出信号，由副控回路去改变流量，克服了扰动影响。3、控制方案的选择3.1乳化物干燥器串级控制系统参数选择 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3.2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

12、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。图3干燥图3.3现场仪表选型根据流程图，需要选择一个流量测量变送器、一个温度测量变送器、一个流量调节阀。流量变送器的选择。流量测量仪表也称为流量计，它通常由一次仪表和

13、二次仪表组成。一次仪表亦称为传感器，二次仪表称为显示装置或变送器。差压式流量计基于在流通管道上设置流动阻力件，流体通过阻力件时将产生差压，此差压与流体流量之间有确定的数值关系，通过测量压差值便可求得流体流量，并转换成电信号输出。因此，差压式流量计由产生压差的装置和差压计两部分组成，其结构简单，可靠。节流式流量计可用于测量气体、液体或蒸汽的流量。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

14、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tt0），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。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

15、优越得多，故应用广泛。4、系统方块图 下图为串级控制系统方框图 图4干燥器串级控制系统方块图5、分析被控对象特性，选择控制算法（调节器控制规律的确定）串级控制系统的特点，仿效串级控制系统调节器的选择原则，主调节器选PI控制规律，比例控制器选用P控制规律。被控对象为单容对象，即Go1(s)= 检测环节均为比例环节，即Gm1(s)=Km1 控制阀为比例控制，即Gv(s)=Kv6、进行系统仿真对于串级控制系统的主动量来说，可按单回路控制系统的整定方法和要求来进行。一般希望主动量回路的过渡过程变化缓慢一些，以便从动量得以跟踪上。变比值控制系统结构上属于串级控制系统，因此其主调节器的参数可按串级控制系统

16、进行整定。而从动量回路实质上是一个随动系统，要求从动量能迅速、准确地跟踪主动量变化，而且不宜有过大超调。从动量回路的过渡过程整定非周期临街状态为最佳，此时从动量回路的过渡过程既不震荡有反应最快。从动量回路控制器参数整定步骤如下：1、根据计算的比值系数K在满足工艺生产流量比的情况下，将比值控制系统投入进行。2、将积分时间厂商置于最大，有大到小改变调节器的比例度，使系统响应迅速，并处于振荡与不振荡的临界过程。3、若有积分作用，则适当的加大比例度，投入积分作用，并减小积分时间，知道系统出现振荡与不振荡的临界过程。空气流量测量仪表为线性单元，动态滞后可忽略，则有：温度测量环节用一阶环节来近似假设对于调

17、节阀，由于其流量特性为直线和等百分比，故对于调节阀控制流量对象，控制通道和扰动通道的动态特性为： 假设，流量调节阀前压力波动为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 （公式出自过程控制工程此书）则根据传递函数方框图，进行仿真得如下图所示最大偏差 回复时间 余差 振荡周期 图5系统在无干扰输入情况下的仿真图图6系统在干扰作用下的输出值课程设计总结为期两周的课程设计结束了，这次的课程设计让我感觉无从下手，付出了更多的时间和精力之后当然收获也是更为丰富。以前做课程设计老师都布置好了具体的步骤，我只要按步走就行了，遇到什么困难就有目标的查资料，这此的却有点不一样了。这次课程设计对我们的能力要求有了进一步的提高，老师没有像以前那样，而是完全放开了手，具体怎么做你自己摸索去，只有你碰到困难时去问老师时，他才会给你具体的解答。刚拿到题目时大家都陷入了迷茫中，每个人设计的题目都不同，而且设计对象也是我们没有接触过的，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。但我还是一步一步的慢慢的把它做了下来，虽然我所做的单闭环控制系统比较简单，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，尤其是对比值控制系统的认识了解的更多了。在这此的课程设计中要衷心的感谢刘广