乳液干燥控制系统课程设计详解

课程设计说明书PAGE11PAGE1目录1生产工艺简介及控制要求 12确定控制方案 22.1被控参数及控制参数的选择 22.2控制系统流程图及方框图 43检测变送仪表的选择 54控制器的选择 64.1控制器的特点 64.2控制器参数整定 74.3经验试凑法整定控制器参数 94.4控制规律的选用 105执行器的选择 105.1控制阀的尺寸选择 105.2控制阀结构与特性的选择 125.3气开式与气关式的选择 126控制器的正反作用 127总结 148参考文献 15 1生产工艺简介及控制要求图1所示为乳化物干燥过程示意图。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，故采用高位槽的办法。浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A和B，滤去凝结快和其他杂质后，从干燥器顶部由喷嘴喷下。空气由鼓风机送至换热器（用蒸汽加热）加热后，在与来自鼓风机的空气混合，经风管送往干燥器，由下而上吹出，从而蒸发掉乳液中的水分，使之成为奶粉，并随湿空气一起送出进行分离。生产工艺对干燥后的质量要求很高，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。试验证明，若温度波动±2℃，则产品质量可以符合要求。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1乳化物干燥过程示意图2确定控制方案2.1被控参数及控制参数的选择1）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。2）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。（1）首先对图2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。（2）对图3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。（3）按照图4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。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：图2乳液流量为系统参数的系统框图方案2以风量f2(t)为控制变量，得到如下控制方案方框图：图3风量为系统参数的系统框图图3风量为系统参数的系统框图方案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：图4蒸汽量为系统参数的系统框图根据以上分析可知，选择风量作为控制参数的方案比较适宜。2.2控制系统流程图及方框图图5控制系统流程图图6干燥设备控制系统的系统框图图6干燥设备控制系统的系统框图图6控制系统方框图3检测变送仪表的选择根据生产工艺要求，此次设计选用DDZ-III型仪表，具体选择如下：温度检测仪表的种类很多.在选用时应注意每种仪表的特性和适用范围。这是确保测量精度的第一个关键环节。仪表的选择应遵循如下原则。(1)必须满足生产工艺要求.正确选择仪表的址程和精度，正常使用温度范围一般为量程的30%-90%.热电阻适用于测址500℃以下的中、低谧度;热电偶适用于测量500-1800℃的中、高温度;辐射式温度计一般适用于2000℃以上的高温测量。(2)必须满足使用要求。对于一些重要的测温点，可选用白动记录型仪表;对于一般场合只要选择指示型仪表即可;如果要实现温度自动控制，则需要配用温度变送器。对于就地指示要求的.可选择双金属温度计;对于需要远传测量信号的.则可选择热电偶或热电阻变送器等。(3)必须注意工作环境。为了确保仪表工作的可靠性和提高仪表的使川寿命.必须注意生产现场的使用环境.如工艺现场的气体性质(氧化性、还原性、腐蚀性等)、环境温度等。并需要采取相应的技术措施。另外，在选用温度检测仪表时.除了要综合考虑以上要求外，还要考虑介质的性质、信号制的要求、稳定性等技术要求.选择适当的保护套管、连接导线等附件。因被控温度在600摄氏度以下，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。4控制器的选择4.1控制器的特点控制器是在模拟仪表，计算机控制和集散控制系统发展的基础上以微处理器为核心，能实现高级过程控制的一种新型的数字控制仪1）可编程数字控制器的主要特点（1）功能丰富它具有丰富的运算和控制功能。控制器的多种运算和控制功能是由若干个运算模块和控制模块来实现的，他根据系统需要将这些模块灵活组态，便可完成数十种运算公式和实现各种复杂了的控制算法。它具有良好的通讯功能。控制器具有准通讯接口，可以与局部显示操作站连接，实现小规模系统的集中监视和操作，还可以通过与数据总线遇上位机连接，形成中、大规模的多级、分散型综合控制系统。控制器大都具有停电恢复处理功能与自诊断功能，以提高控制器的在线利用率。（2）通用性强可变数字控制其采用盘装方式和标准尺寸，输入输出信号采用统一的标准信号1~5VDC和4~20mADC，与模拟式仪表可兼容。可变数字控制器的显示和操作方式也沿袭模拟式仪表的人-机联系方式，易于被人们所接受，便于推广使用。在编程工作上采用POL语言，不需要专门的软件知识，便于学习，易于掌握。（3）可靠性好这类控制器的内部结构是完全微机化的。通过硬件和软件两方面采取里一系列措施，可以是控制器的硬件故障率降低，软件上可开发自诊断功能、连锁保护功能等，因此控制器具有安全可靠性、维护方便的优点。2）DDZ-3控制器的特点① 电器零点不是从零开始的，且不与机械零点重合，因此，不但充分利用运算放大器的线性段，而且容易识别断电、断线等故障；② 本信号控制的电流/电压转换电阻为250Ω，如果更换电阻，便可接受1：5的电流信号，例如1~5mA、10~50mA，DC信号；③ 由于联络信号为1~5VDC，可采用并联信号制，因此干扰少，连接方便。由于采用了线性集成电路，给仪表带来了如下优点：① 由于集成运算放大器均为差分放大器，且输入对称性好，漂移小，仪表的稳定性得到提高；② 由于集成运算放大器高增益的特点，因而开环放大倍数很高，这使仪表的精度得到了提高；③ 由于采用集成电路，焊点少，强度高，大大提高了仪表的可靠性。压力控制器的选择：根据工艺要求压力控制器具有精确度高，灵敏度好反映快的特点故选择DDZ-3控制器。4.2控制器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）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。见下图：图7等幅振荡曲线记录下此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、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≈1/8K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.。查表可得KC=2.84,TI=4.76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。表1控制器参数经验数据表1控制器参数经验数据系统参数δ/%Ti/minTd/min温度20~603~100.5~3流量40~1000.1~1压力30~700.4~3液位20~1004.3经验试凑法整定控制器参数先整定δ，再整定Ti，最后整定Td①比例度整定首先置积分时间至最后，微分时间为0，再将比例度由大逐渐减小，观察由此而得的一系列控制过程曲线，查到曲线认为最佳为止。②积分时间整定把δ稍放大10%~20%，引进积分；将积分时间由大到小进行改变，使其得到比较好的控制曲线；最后在这个积分时间下再改变比力度，看控制过程曲线有无变化，如有变好，则就朝那个方向再整定比例度；若没有变化，可将原整定比力度减小一些，改变积分时间看控制过程有否变好，这样经过多次的反复试凑，就可得到满意的过程曲线。③微分时间整定然后引入微分作用，使微分时间由小而大进行变化，但增大微分时间时，可适当减小比力度和积分时间，然后对微分时间进行逐步试凑，直至最佳。再整定中，若观察到曲线振荡频繁，应当增大比例度（目的是减小比例作用）以减小振荡；曲线最大偏差大且趋于非周期时，说明比例控制作用小，应当加强，即应减小比例度。当曲线偏离设定值，长时间不回复，应减小积分时间，增强积分作用；如果曲线一直波动不止，说明振荡严重，应当加长积分时间以减弱积分作用。如果曲线振荡的频率快，很可能是微分作用强了，应减小微分时间；如果曲线波动大而且衰减慢，说明微分作用较小，未能抑制住波动，应加长微分时间。总之，一面看曲线，一面分析和调整，直到满意为止。4.4控制规律的选用①对于对象控制通道时间常数较小，负荷变化不大，工艺要求不太高，被控变量可以有余差以及一些不太重要的控制系统，可以用比例控制规律（P）。②对于控制通道时间常数较小，负荷变化不大，工艺变量不允许由余的系统差，应当选用比例积分控制规律（PI）。③由于微分作用对克服容量滞后有较好的效果，对容量滞后大的对象一般引入微分作用，构成PD或PID控制规律。鉴于本控制系统为温度流量控制控制系，故应选用PID规律。5执行器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。5.1控制阀的尺寸选择控制阀是一个局部阻力可以改变的节流元件。在节流式测量原理中，已经知道，对不可压缩的流体，流经控制阀的流量可写为Q=αF0√（2（p1-p2）/ρ）式中α流量系数F0控制阀的选择ρ流体密度Δp=p1-p2控制阀前后差压Q流体的体积流量令C=√2αF0，带入上式得C=Q√ρ/Δρ C称为控制阀的流量系数，它与阀芯和阀座的结构、阀前后的压差、流体性质等因素有关。因此，表达控制阀的流通能力，必须规定一定的条件。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qmax，r流体重度，以及调节阀的前后压差，求得最大的流通能力，然后选取大于的最低级别的C值，即可依据表2确定出Dg和dg的大小。表2调节阀流通能力C与其尺寸的关系5.2控制阀结构与特性的选择控制阀的结构形式主要根据工艺条件，如温度、压力及介质的物理、化学特性（如腐蚀性、黏度性等）来选择。例如，强腐蚀介质可采用隔膜阀，高温介质可选用带翅行散热片的结构形式。控制阀的结构形式确定以后，还需确定控制阀的流量特性（即阀芯的形状）。一般是先按控制系统的特点来选择阀的希望流量特性，然后再考虑工艺配管情况来选择相应的理想流量特性。使控制阀安装在具体的管道系统中，畸变厚得工作流量特性能满足控制系统对它的要求。目前使用比较多的是等百分比流量特性。5.3气开式与气关式的选择气动执行器有气开式与气关式两种形式。气压信号增加时阀关小，气压信号减小时阀开大的为气关式；反之，为气开式。气动执行器的气开或气关式由执行机构的正、反作用及控制阀的正、反作用来确定。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。6控制器的正反作用把系统的输出信号直接或经过一些环节引回到输入端的做法叫负反馈.反馈分为正反馈和负反馈.引回到输入端的信号是减弱输入端的作用的，成为负反馈，用“-”表示；引回到输入端的信号是加强输入端的作用的，成为正反馈，用“+”表示。反馈控制系统的特点:该控制系统中的控制器是根据被控变量的测量值与设定值的偏差来进行控制的。控制器正反作用的确定方法有两种：逻辑推理法和方框图法。所谓方框图法，就是利用控制系统中各环节的符号来确定控制正反作用的方法。环节正负号的定义是：凡是输入增大导致输出也增大的为“+”，反之为“-”。对于控制系统中的四个环节，一般只需要确定控制阀、被控对象、和控制器三个环节的符号，至于变送器，可不考虑。因为当被控变量增加时，其输出量一般也是增加的，一般都是“+”。控制阀环节，对于气开式，因为输入增大，输出也增大，所以定义为“+”；气关式定义为“-”。选择气关式符号为“-”。被控对象环节，只需考虑控制通道输出和输入信号的关系，当操纵变量增加时，被控变量也增加的对象定义为“+”；所以被控对象为正作用方向。控制器环节，仅考虑以测量值为输入（设定值不变）的环节，即输入增大，输出也增大为“+”，反之为“-”。因为还有一种情况，就是以设定值为输入（测量值不变），此时，则正好相反，给予控制器的正反作用正好相反。控制器的作用方向是这样确定的，测量值增大，其输出亦增大，则控制器为正作用方向，Kc为“+”；反之，测量值增大，其输出减小，控制器为反作用方向，Kc为“-”。前面三个环节的作用方向除了变送器是固定的以外，其余两个是随工艺和控制方案的确定而确定的，不能随意改变。所以就希望控制器的作用方向能具有灵活性，可根据需要任意选择和改变，从而保证系统为负反馈。这就是控制器一定要有正/反作用选择功能的原因所在。控制器的作用方向要由其他几个环节开决定。控制阀选择气关式符号为“-”，被控对象