噴霧式乳液干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 寧波理工學(xué)院 過(guò) 程 控 制 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目 噴霧式乳液干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 項(xiàng)目成員 蔣嘉楠、錢品武、游翔 專業(yè)班級(jí) 自動(dòng)化091 指導(dǎo)教師 關(guān)宏偉 分 院

2、 信息分院 完成日期 12年11月 目 錄 *項(xiàng)目組成員………………………………………………………………………1 1課程設(shè)計(jì)目的……………………………………………………………………1 2課程設(shè)計(jì)題目描述和要求………………………………………………………1 3課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容………………………………………………………………1 3.1、系統(tǒng)工作過(guò)程簡(jiǎn)介 ………………………………………………………2 3.2、控制方案的設(shè)

3、計(jì) …………………………………………………………3 3.3、控制算法的設(shè)計(jì) …………………………………………………………3 4總結(jié) ……………………………………………………………………………7 5參考書目 ………………………………………………………………………7 項(xiàng)目組成員 項(xiàng)目組成員 具體完成的工作 備注 蔣嘉楠 Matlab仿真，word制作以及選題 游翔 winCC仿真以及選題程序調(diào)試 錢品武 后勤處理，答辯以及程序調(diào)試 噴霧式乳液干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.課程設(shè)計(jì)目的 設(shè)計(jì)噴霧式乳

4、液干燥器控制系統(tǒng)，通過(guò)MATLAB仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)過(guò)程控制中達(dá)到穩(wěn)定控制。對(duì)該系統(tǒng)描述其工藝，并畫出其工藝流程圖和系統(tǒng)方框圖，然后設(shè)計(jì)出可行方案，進(jìn)行相對(duì)的PID參數(shù)整定，最后將得到一個(gè)可行性很高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。 2.課程設(shè)計(jì)題目描述和要求 題目描述：2-3人為一個(gè)小組，以一個(gè)具體的工業(yè)過(guò)程為例，設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，完成相應(yīng)的控制方案設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)的仿真，并有監(jiān)控界面。 要求：系統(tǒng)的工藝描述；系統(tǒng)的性能指標(biāo)；系統(tǒng)的控制方案；畫出控制流程圖，方框圖；利用MATLAB進(jìn)行算法的仿真；以winCC為工具，表現(xiàn)出系統(tǒng)的具體的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，畫出監(jiān)控界面。 3.課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容 3.1、系統(tǒng)工作

5、過(guò)程簡(jiǎn)介 本課程設(shè)計(jì)的題目是噴霧式乳液干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在眾多的干燥設(shè)備中，噴霧式干燥器是應(yīng)用較廣的干燥器之一，是處理溶液、懸浮液或泥漿狀物料的干燥設(shè)備。能從液體直接干燥成粉體，這是噴霧式干燥器的最大優(yōu)點(diǎn)；然而，熱效率低、體積龐大、生產(chǎn)能力低、投資高是它的缺點(diǎn)。 噴霧式干燥器的工作原理是：用噴霧的方法將物料噴成霧滴分散在熱空氣中，物料與熱空氣成并流、逆流或混流的方式互相接觸，使水分迅速蒸發(fā)，達(dá)到干燥的目的。 由于乳化物屬于膠體物質(zhì)，激烈攪拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的辦法。濃縮的乳液由高位槽流經(jīng)過(guò)濾器A或B，慮去凝結(jié)塊和其他雜質(zhì)，并從干燥器頂部由噴嘴噴下。有

6、鼓風(fēng)機(jī)將一部分空氣送至換熱器，用蒸汽進(jìn)行加熱，并將與來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的另一部分空氣混合，經(jīng)風(fēng)管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸發(fā)掉乳液中的水分，使之成為粉狀物，并隨濕空氣一起由底部送出進(jìn)行分離。生產(chǎn)工藝對(duì)干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，水分含量不能波動(dòng)太大，因而需要對(duì)干燥的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。 3.2、控制方案的設(shè)計(jì) （1） 被控對(duì)象的選擇 按照生產(chǎn)要求，產(chǎn)品的質(zhì)量取決于乳粉水分的含量。濕度傳感器的精度低、滯后大，不易實(shí)現(xiàn)精確、快速的測(cè)量。而乳粉水分的含量與干燥器出口溫度密切相關(guān)，且容易找到單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。因而可選擇干燥器的出口溫度作為被控參數(shù)（間接），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)乳粉水分控制。 （2） 控制變

7、量的選擇 影響干燥器出口溫度的變量有乳液流量記為f1(t)，旁路空氣流量記為f2(t)，加熱蒸汽量記為f3(t)三個(gè)因素，通過(guò)圖1的調(diào)節(jié)閥1、調(diào)節(jié)閥2、調(diào)節(jié)閥3對(duì)這三個(gè)變量進(jìn)行控制。選擇其中之一均可得到相應(yīng)的控制方案： 方案1以乳液流量f1(t)為控制變量，得到如下控制方案方框圖： 方案2以旁路空氣流量f2(t)為控制變量，得到如下控制方案方框圖： 方案3以加熱蒸汽量f3(t)為控制變量，得到如下控制方案方框圖： 3.3控制算法的設(shè)計(jì) 3.3.1通道分析 1)各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)均為1； 2)溫度測(cè)量變送器：假定溫度測(cè)量變送元件的時(shí)間常數(shù)為5秒，即： ； 3)干燥器：干燥溫度對(duì)于

8、乳化物流量，對(duì)于熱風(fēng)溫度都看作是3個(gè)時(shí)間常數(shù)為8.5s，滯后時(shí)間為2秒的對(duì)象，即干燥器特性為； 4)風(fēng)管：只是一個(gè)流動(dòng)通道，可近似的看作是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，對(duì)應(yīng)于操作時(shí)的熱風(fēng)流速，滯后時(shí)間為3秒：。 5)兩個(gè)時(shí)間常數(shù)為100s的環(huán)節(jié)：。 6)混合過(guò)程：加熱器熱風(fēng)與旁路冷風(fēng)的混合過(guò)程，可以看作時(shí)間常數(shù)為100秒的環(huán)節(jié)：。 3.3.2仿真及分析 方案1以乳液流量f1(t)為控制變量，得到如下Matlab仿真圖： 經(jīng)過(guò)運(yùn)行，我們可以得到下面的仿真結(jié)果圖： 方案2以旁路空氣流量f2(t)為控制變量，得到如下Matlab仿真圖： 經(jīng)過(guò)運(yùn)行，我們可以得到下面的仿真結(jié)果圖： 方

9、案3以加熱蒸汽量f3(t)為控制變量，得到如下Matlab仿真圖： 經(jīng)過(guò)運(yùn)行，我們可以得到下面的仿真結(jié)果圖： 由上述Matlab仿真分析后我們可知： 方案1 乳液流量直接進(jìn)入干燥器，控制通道短、滯后小，控制靈敏，干擾進(jìn)入控制通道的位置與調(diào)節(jié)閥輸入干燥器的的控制變量重合，干擾引起的動(dòng)差小，控制品質(zhì)好。 方案2 由于一階慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)T和純滯后t，相對(duì)于方案1控制通道有一定的之后，控制變量對(duì)干燥器的反應(yīng)不夠靈敏干擾f1(t)影響較大，而干擾f2(t)引起的動(dòng)差小而且平緩。 方案3 由于有空氣交換器，冷熱空氣混合延遲，風(fēng)管滯后等多重因素的影響，控制通道較前兩種方案的滯后很大，控制變量對(duì)

10、于干燥器出口溫度控制作用緩慢。干擾干擾f1(t)、干擾f2(t)引起的動(dòng)差大。 綜上，按控制品質(zhì)來(lái)看，三種控制方案中方案1最優(yōu)，方案2次之。但從工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際（工藝和效益）考慮，方案1并不是最好的。這是因?yàn)槿绻匀橐毫髁孔鳛榭刂谱兞?，乳液流量不可能始終穩(wěn)定在最大值，限制了系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，對(duì)提高生產(chǎn)效率不利。另外，乳液管安裝調(diào)節(jié)閥容易使?jié)饪s乳液結(jié)塊，甚至堵塞管道，會(huì)降低產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量。綜合分析方案2比較好。下面根據(jù)方案2進(jìn)行PID參數(shù)整定。 3.3.3 PID參數(shù)整定 1）利用衰減曲線法進(jìn)行的整定： 整定參數(shù) 調(diào)節(jié)規(guī)律 P Ti Td P P

11、 I 1.2P 0.5TS D 0.8P 0.3TS 0.1TS 表1 衰減比4：1時(shí)，衰減曲線法整定參數(shù)計(jì)算參考表 首先將P置較大的數(shù)值，Ti=，Td=0.第一次置的值為10，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)散，說(shuō)明P的值過(guò)大?，F(xiàn)像如下： 適度的減小，直至出現(xiàn)衰減震蕩。如果衰減的比例大于4：1，說(shuō)明P的值過(guò)小，需適當(dāng)?shù)脑龃蟆＝?jīng)過(guò)多次試探可確定最終的P值為4.現(xiàn)象如下： 2）利用workspace的數(shù)據(jù)，可得第一個(gè)峰值為y1=1.2196，y2=0.9161，y（）=0.8086；于是 滿足條件。此時(shí)TS=231.41-86.85=144.56S。

12、 整定參數(shù) 調(diào)節(jié)規(guī)律 P Ti Td P 4 I 4.8 72.28 D 3.2 43.368 14.456 表2 根據(jù)P確定的PID整定參數(shù)計(jì)算表 PI控制結(jié)果如下： PID控制結(jié)果如下： 可見PI的控制效果并不能滿足要求，于是我們采用PID控制器。 以下進(jìn)行干擾仿真： t=500s處加入階躍加熱蒸汽流量f3(t)： t=500s處加入階躍加乳液流量f1(t)： t=500s處加入階躍f1(t)和 f3(t)： 需要說(shuō)明的是由于生產(chǎn)的實(shí)際，我們總是希望系統(tǒng)

13、的生產(chǎn)能力處于最大的狀態(tài)，也就是說(shuō)乳液的流量f1(t)對(duì)應(yīng)的閥門始終處于最大的開度狀態(tài)，這樣f1(t)的擾動(dòng)基本上是為零的，這樣PID調(diào)節(jié)器對(duì)于生產(chǎn)實(shí)際已經(jīng)能滿足要求。 綜上所述，對(duì)于衰減法進(jìn)行的PID參數(shù)整定，很重要的一點(diǎn)是如何確定P值，一旦P值確定后，便可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的表格進(jìn)行計(jì)算得出相應(yīng)的結(jié)果。需要說(shuō)明的是上述表格得出的結(jié)果只是一個(gè)參考值，如果整定的效果仍舊不滿意可以進(jìn)行相應(yīng)的微調(diào)，直至滿意為止。超調(diào)量較大的特點(diǎn)，相應(yīng)的增大微分環(huán)節(jié)，配合一定的積分，可得比較令人滿意的結(jié)果。 4總結(jié) 本次正是以工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)。其實(shí)不難發(fā)現(xiàn)，控制的最后對(duì)于干擾的預(yù)制并不是太好。如果進(jìn)行多級(jí)控制，在最后的輸出再增加一個(gè)負(fù)反饋回路，形成反饋回路，達(dá)到的控制效果將會(huì)更好。 5參考書目 1、 《過(guò)程控制》李文濤主編。北京：科學(xué)出版社，2012 2、 《控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)：MATLAB語(yǔ)言與應(yīng)用》薜定宇著。2版--北京：清華大學(xué)出版社 2006.3