过程控制课程设计

1、1系统描述1.1概述喷雾干燥设备在1901年首次用于奶粉工业的生产，在20世纪20年代才正真用于奶粉工业的生产，20世纪40年代末才在我国开始使用。最早的结构是属于压力箱式，物料的雾化为双流体式，动力消耗量大。到1958年，轻工部在黑龙江推广畜力小型压力式喷雾干燥法生产奶粉，1955年哈尔滨松花江牛奶厂首次用离心喷雾的方法生产奶粉。这两种形式都是平底结构，每工作一个班次人工出粉一次。20世纪60年代中期，箱式压力干燥设备出现了锥底螺旋出粉器（搅龙）的结构形式。第一台立式多喷头压力喷雾干燥设备诞生在20世纪70年代初期，它的出现是喷雾干燥设备的有效容积缩小近一半，而且不用搅龙，连续出粉。20世纪

2、80年代又生产了喷头立式压力喷雾干燥设备，它在奶粉工业中的应用是推动我国乳粉工业技术进步的一个关键环节，为促进我国奶粉工业的迅速发展奠定了基础。为了提高牛奶液体干燥的速度，质量，提高牛奶液体转变为成品的生产效率，需要一套稳、准、快的控制系统，因为喷雾干燥设备有可直接由溶液或悬浮体制得成分均匀的粉状产品的特殊优点，此课程设计要完成喷雾式奶粉干燥控制系统设计。1.2控制任务本次课程设计主要是针对温度，通风量，液位流量等控制系统进行动态性能和稳态误差分析，看是否达到一定的性能指标的要求，如若不能达到要求则必须对系统进行校正，利用合适的参数整定，使系统达到稳、准、快。2系统建模本次设计以牛奶的干燥过程

3、来设计干燥器。由于牛奶属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。浓缩的牛奶由高位槽流经过滤器A或B，滤去凝结块和其它杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷下。有鼓风机将一部分空气送至干燥器，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，由下向上吹，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。图2-1牛奶喷雾式液体干燥生产流程图3控制系统设计3.1方案设计3.1.1被控参数的选择 根据上述生产工艺情况，产品质量（水分含量）与干燥温度密

4、切相关。考虑到一般情况下测量水分的仪表精度较低，故选用间接参数，即干燥的温度为被控参数，水分与温度一一对应。因此，必须将温度控制在一定数值上。3.1.2控制参数的选择通过去工艺流程图的分析，影响干燥设备温度的主要因素有乳液流量、旁路空气流量和加热蒸汽流量。选择其中任何一个变量作为控制参数，均可构成温度控制系统。用调节阀1、2、3的位置分别代表三种可供选择的控制方案。 （1）按图3-1所示框图进行分析可知，乳液直接进入干燥器，控制通道的滞后最小，对被控温度的校正作用最灵敏，而且干扰进入系统的位置远离被控量，所以将乳液流量作为控制参数因该是最佳的控制方案；但是，由于乳液量是生产负荷，工艺要求必须稳

5、定，若作为控制参数，则很难满足工艺要求。所以，将乳液量作为控制参数的控制方案应尽量避免。风管调节器换热器混合控制风管干燥器干燥器调节阀干燥器测量变送 图3-1乳液流量为控制的系统框图（2） 按图3-2所示框图进行分析可知，旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，它与图3-1所示控制方案相比，控制通道存在一定的纯滞后，对干燥温度校正作用的灵敏度虽然差一些，但可通过缩短传输管道的长度而减小纯滞后时间。干燥器干燥器风管换热器 干燥器调节器调节阀混合过程风管 测量变送图3-2风量为控制参数时的系统框图（3）按图3-3所示的控制方案分析可知，蒸汽需经过换热器的热交换，才能改变空气温度。由于换热器的时间

6、常数较大，而且该方案的控制通道既存在容量滞后有存在纯滞后，因而对干燥温度校正作用的灵敏度最差。干燥器 干燥器测量过程风管 干燥器风管换热器调节阀调节器 测量变送图3-3蒸汽量为控制参数时的系统框图 综上分析，选择旁路空气量作为控制参数的方案比较适宜。3.2仪表的选择3.2.1测温元件及变送器的选择 根据生产工艺及用户要求，宜选用DDZ-型仪表。 因为被控温度在600°C以下，故选用热电阻温度计。为提高检测精度，应采用三线制接法，并配用温度变送器。3.2.2调节阀的选择根据生产工艺安全的原则，宜选用气关式调节阀；根据工程特性与控制要求，宜选用对数流量特性的调节阀；根据被控介质流量的大小

7、及调节阀流通能力与其尺寸的关系，选择调节阀的公称直径和阀座的直径。3.2.3调节器的选择根据过程特性与工艺要求，宜选用PI或PID控制规律；由于选用调节阀为气关式，故为负；当给被控过程输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故为负；测量变送器通常为正。为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，则调节器的应为正，故选用反作用调节器。3.3温度控制的系统框图根据上述设计的控制方案，喷雾式干燥设备过程控制的系统框图如下所示： 图3-4干燥设备温控系统框图4控制器设计4.1调节器的参数整定对于调节器的参数整定我用的是临界比例度的整定方法。临界比例度法是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，

8、不需要测试过程的动态特性，其方法简单，使用方便，因而获得广泛的应用。调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度、积分时间以及微分时间的大小。在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要目标，以保证系统具有一定的稳定裕量。另外应满足系统稳态误差、最大动态偏差（或者超调量）和过渡时间等其它指标。具体整定过程步骤如下：（1）、首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值，使系统投入闭环运行。 （2）、等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小直到出现如图4-1所示的等幅振荡曲线为止。 图4-1等幅振荡曲线（3）、记录下此

9、时的临界比例度和等幅振荡周期,按经验公式计算出调节器的、三个参数。4.2调节器传递函数本次设计控制对象的传递函数为 ， ， 。因为调节器选用PI调节，因此可设。根据临界比例度法，先将调节器的积分时间置于最大，则,此时，系统的传递函数为：特征方程其中，满足等幅振荡条件，将带入，令实部、虚部都为零。 解得：,也即，则。查表可知：,。表4-2调节器参数整定规律调节规律整定参数PPIPID4.3系统仿真4.3.1仿真框图经过反复试验，最终确定PID调节器中的P设置为4，I设置为0.5，D设置为0。图4-3控制系统仿真框图4.3.2响应曲线图调节PID控制器的参数，比较在不同参数下的系统响应曲线。其中对于本次课程设计的牛奶喷雾式液体干燥控制系统，我们总希望系统的生产能力处于最大状态。为此，我分别对比例时间、积分时间、微分时间进行了调整，得到以下三个响应曲线。图4-4时的系统响应曲线图4-5时的系统响应曲线