喷雾式干燥设备控制系统

过程仪表课程设计喷雾式干燥设备控制系统主讲：主要内容系统简介设计概述设计方案及仪表选型仪表型号清单系统简介本次课程设计的题目是喷雾式干燥设备控制系统设计。在众多的干燥设备中，喷雾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，这是喷雾干燥器的最大优点；热效率低、体积庞大、生产能力低、投资高是它的缺点。喷雾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，达到干燥的目的。

在设计中选择物料的干燥温度为被控参数，而对于控制参数的选择则是通过3种方案的比较最后选择用旁路空气量作为控制参数。通过查找大量的资料选择了比较适宜的仪表DDZ-III型仪表。由于被控温度为，所以选择了热电阻温度计和温度传感器。根据调节阀流通能力C又确定了调节阀的尺寸。调节器则选择了既能控制及时，又能消除余差的PI控制规律。最后运用了临界比例度法对调节器的参数进行整定。使整个控制系统处于最优的工作状态，满足生产工艺上的要求。设计概述以乳化物的干燥过程为例来设计干燥器。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。乳化物的干燥过程设计方案及仪表选型控制规律的选择被控参数与控制参数的选择仪表的选择温度控制原理图及其系统框图调节器的参数整定控制规律的选择比例控制规律积分控制规律比例积分控制规律比例控制规律(P)可以用下列数学式来表示：△u=Kce

式中△u——控制器输出变化量；e——控制器的输入，即偏差；Kc——控制器的比例增益或比例放大系数。由上式可以看出，比例控制器的输出变化量与输入偏差成正比，在时间上是没有延滞的。或者说，比例控制器的输出是与输入一一对应的。比例放大系数Kc是可调的。所以比例控制器实际上是一个放大系数可调的放大器。Kc愈大，在同样的偏差输入时，控制器的输出愈大，因此比例控制作用愈强；反之，Kc值愈小，表示比例控制作用愈弱。比例控制规律积分控制规律当控制器的输出变化量△u与输入偏差e的积分成比例时，就是积分控制规律（I）。其数学表达式为：

式中KI——积分比例系数。积分控制作用的特性可以用阶跃输入下的输出来说明。当控制器的输入偏差是一幅值为A的阶跃信号时，上式就可写为

当积分控制器的输入是一常数A时，输出是一直线，其斜率为KIA，KI的大小与积分速度有关。只要偏差存在，积分控制器的输出随着时间不断增大(或减小)。比例积分控制规律比例积分控制规律（PI）是比例与积分两种控制规律的结合，其数学表达式为

当输入偏差是一幅值为A的阶跃变化时，比例积分控制器的输出是比例和积分两部分之和。△u的变化开始是一阶跃变化，其值为KcA（比例作用），然后随时间逐渐上升（积分作用）。比例作用是即时的、快速的，而积分作用是缓慢的、渐变的。由于比例积分控制规律是在比例控制的基础上加上积分控制，所以既具有比例控制作用及时、快速的特点，又具有积分控制能消除余差的性能，因此是生产上常用的控制规律。被控参数与控制参数的选择被控参数的选择控制参数的选择被控参数的选择根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。考虑到一般情况下的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，将温度控制在一定数值上。控制参数的选择经过对装置的分析，可知影响干燥器温度的因素有乳液流量，旁路空气流量，和加热蒸汽流量。选其中任意变量都可作为控制参数，均可构成温度控制系统。但并不是每个变量都是最优的选择，为此我根据调节阀1、2、3的位置分别画出了其各自的系统框图，对其进行近一步的分析一边选取最优的方案。对上图进行分析可知，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应该是最佳的控制方案；但是，由于乳液流量是生产负荷，工艺要求必须稳定，若作为控制参数则很难满足工艺要求。所以，将乳液流量作为控制参数的控制方案应尽可能避免。图2-1对上图进行分析可知，旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，它与图2-1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。图2-2对上图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。由于换热器的时间常数较大，而且该方案的控制通道既存在容量滞后又存在纯滞后，因而对干燥温度校正作用的灵敏度最差.图2-3根据以上分析可知，选择旁路空气量作为控制参数的方案比较适宜。仪表的选择测温元件及变送器的选择调节阀的选择

调节器的选择

测温元件及变送器的选择因被控温度在以下，热电阻的线性特性要优于热电偶，而且无需进行冷端温度补偿，使用更加方便，故选用热电阻温度计。由于热电阻的三线制接法可利用电桥平衡原理较好地消除导线电阻的影响，所以选用三线制接法，并配用温度变送器。调节阀的选择根据生产工艺安全的原则，适宜选用气关式调节阀；根据过程特性与控制要求，宜选用对数流量特性的调节阀。调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为0.1MPa、流体重度为1g/cm3时，每小时通过阀门的流体流量（m3或kg）。可见流通能力直接代表了调节阀的容量。由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为：式中，α为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A0为调节阀接管截面积；g为重力加速度；r为流体重度。依据流通能力的定义，则有：流通能力C与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即调节阀尺寸的确定过程为根据通过调节阀的最大流量，r为流体重度，以及调节阀的前后压差，先由上式求得最大的流通能力，然后选取大于最低级别的C值，即可依据下表确定出Dg和dg的大小。

调节阀流通能力C与其尺寸的关系调节器的选择

根据过程特性与工艺要求，宜选用将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差的比例积分控制（PI）控制规律。式中为PI调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。比例积分调节器的阶跃响应特性温度控制原理图及其系统框图

根据上述设计控制方案，喷雾式干燥设备控制系统的系统框图如下调节器的参数整定对与调节起的参数整定我选择的是临界比例度的整定放法。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，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TI以及微分时间TD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指标，以保证系统具有一定的稳定裕量。另外还应满足系统稳态误差、最大动态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。

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。2).等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小直到出现下图所示的等幅振荡曲线为止。如图六：图六调节器的稳态曲线记录下此时的临界比例度和等幅振荡周期.按图三的经验公式计算出调节器的、TI、TD如我们假设控制对象传递函数

因调节器选用PI，则可设。根据临界比例度法，先将调节器的积分时间TI置于最大，则

GC≈.此时系统传函特征方程其中，为满足等幅振荡条件，将S=JW带入，令实部，虚部为0解得K=6.3即=0.16.查图七可得KC=2.84,TI=4.76

图七模拟控制规律运用这样的整定方法我们就可以获得工艺生产所要求的参数了，满足过程特性和工艺要求，生产出合格的产品。仪表型号清单序号

名称 型号

数量

单位

1

鼓风机 EHS8310

1

台

2

电磁阀 DN100-DN1400

3

个

3

PI调节器 JT3600