過程控制課程設計

1系統(tǒng)描述1.1概述噴霧干燥設備在1901年首次用于奶粉工業(yè)的生產(chǎn)，在20世紀20年代才正真用于奶粉工業(yè)的生產(chǎn)，20世紀40年代末才在我國開始使用。最早的結構是屬于壓力箱式，物料的霧化為雙流體式，動力消耗量大。到1958年，輕工部在黑龍江推廣畜力小型壓力式噴霧干燥法生產(chǎn)奶粉，1955年哈爾濱松花江牛奶廠首次用離心噴霧的方法生產(chǎn)奶粉。這兩種形式都是平底結構，每工作一個班次人工出粉一次。20世紀60年代中期，箱式壓力干燥設備出現(xiàn)了錐底螺旋出粉器（攪龍）的結構形式。第一臺立式多噴頭壓力噴霧干燥設備誕生在20世紀70年代初期，它的出現(xiàn)是噴霧干燥設備的有效容積縮小近一半，而且不用攪龍，連續(xù)出粉。20世紀80年代又生產(chǎn)了噴頭立式壓力噴霧干燥設備，它在奶粉工業(yè)中的應用是推動我國乳粉工業(yè)技術進步的一個關鍵環(huán)節(jié)，為促進我國奶粉工業(yè)的迅速發(fā)展奠定了基礎。為了提高牛奶液體干燥的速度，質量，提高牛奶液體轉變?yōu)槌善返纳a(chǎn)效率，需要一套穩(wěn)、準、快的控制系統(tǒng)，因為噴霧干燥設備有可直接由溶液或懸浮體制得成分均勻的粉狀產(chǎn)品的特殊優(yōu)點，此課程設計要完成噴霧式奶粉干燥控制系統(tǒng)設計。1.2控制任務本次課程設計主要是針對溫度，通風量，液位流量等控制系統(tǒng)進行動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)誤差分析，看是否達到一定的性能指標的要求，如若不能達到要求則必須對系統(tǒng)進行校正，利用合適的參數(shù)整定，使系統(tǒng)達到穩(wěn)、準、快。2系統(tǒng)建模本次設計以牛奶的干燥過程來設計干燥器。由于牛奶屬于膠體物質，激烈攪拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的辦法。濃縮的牛奶由高位槽流經(jīng)過濾器A或B，濾去凝結塊和其它雜質，并從干燥器頂部由噴嘴噴下。有鼓風機將一部分空氣送至干燥器，用蒸汽進行加熱，并將與來自鼓風機的另一部分空氣混合，經(jīng)風管送往干燥器，由下向上吹，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行分離。生產(chǎn)工藝對干燥后的產(chǎn)品質量要求很高，水分含量不能波動太大，因而，需要對干燥的溫度進行嚴格控制。圖2-1牛奶噴霧式液體干燥生產(chǎn)流程圖3控制系統(tǒng)設計3.1方案設計3.1.1被控參數(shù)的選擇 根據(jù)上述生產(chǎn)工藝情況，產(chǎn)品質量（水分含量）與干燥溫度密切相關?？紤]到一般情況下測量水分的儀表精度較低，故選用間接參數(shù)，即干燥的溫度為被控參數(shù)，水分與溫度一一對應。因此，必須將溫度控制在一定數(shù)值上。3.1.2控制參數(shù)的選擇通過去工藝流程圖的分析，影響干燥設備溫度的主要因素有乳液流量、旁路空氣流量和加熱蒸汽流量。選擇其中任何一個變量作為控制參數(shù)，均可構成溫度控制系統(tǒng)。用調(diào)節(jié)閥1、2、3的位置分別代表三種可供選擇的控制方案。 （1）按圖3-1所示框圖進行分析可知，乳液直接進入干燥器，控制通道的滯后最小，對被控溫度的校正作用最靈敏，而且干擾進入系統(tǒng)的位置遠離被控量，所以將乳液流量作為控制參數(shù)因該是最佳的控制方案；但是，由于乳液量是生產(chǎn)負荷，工藝要求必須穩(wěn)定，若作為控制參數(shù)，則很難滿足工藝要求。所以，將乳液量作為控制參數(shù)的控制方案應盡量避免。風管調(diào)節(jié)器換熱器混合控制風管干燥器干燥器調(diào)節(jié)閥干燥器測量變送 圖3-1乳液流量為控制的系統(tǒng)框圖（2） 按圖3-2所示框圖進行分析可知，旁路空氣量與熱風量混合，經(jīng)風管進入干燥器，它與圖3-1所示控制方案相比，控制通道存在一定的純滯后，對干燥溫度校正作用的靈敏度雖然差一些，但可通過縮短傳輸管道的長度而減小純滯后時間。干燥器干燥器風管換熱器 干燥器調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥混合過程風管 測量變送圖3-2風量為控制參數(shù)時的系統(tǒng)框圖（3）按圖3-3所示的控制方案分析可知，蒸汽需經(jīng)過換熱器的熱交換，才能改變空氣溫度。由于換熱器的時間常數(shù)較大，而且該方案的控制通道既存在容量滯后有存在純滯后，因而對干燥溫度校正作用的靈敏度最差。干燥器 干燥器測量過程風管 干燥器風管換熱器調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)器 測量變送圖3-3蒸汽量為控制參數(shù)時的系統(tǒng)框圖 綜上分析，選擇旁路空氣量作為控制參數(shù)的方案比較適宜。3.2儀表的選擇3.2.1測溫元件及變送器的選擇 根據(jù)生產(chǎn)工藝及用戶要求，宜選用DDZ-型儀表。 因為被控溫度在600C以下，故選用熱電阻溫度計。為提高檢測精度，應采用三線制接法，并配用溫度變送器。3.2.2調(diào)節(jié)閥的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝安全的原則，宜選用氣關式調(diào)節(jié)閥；根據(jù)工程特性與控制要求，宜選用對數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥；根據(jù)被控介質流量的大小及調(diào)節(jié)閥流通能力與其尺寸的關系，選擇調(diào)節(jié)閥的公稱直徑和閥座的直徑。3.2.3調(diào)節(jié)器的選擇根據(jù)過程特性與工藝要求，宜選用PI或PID控制規(guī)律；由于選用調(diào)節(jié)閥為氣關式，故為負；當給被控過程輸入的空氣量增加時，干燥器的溫度降低，故為負；測量變送器通常為正。為使整個系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數(shù)的乘積為正，則調(diào)節(jié)器的應為正，故選用反作用調(diào)節(jié)器。3.3溫度控制的系統(tǒng)框圖根據(jù)上述設計的控制方案，噴霧式干燥設備過程控制的系統(tǒng)框圖如下所示： 圖3-4干燥設備溫控系統(tǒng)框圖4控制器設計4.1調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定對于調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定我用的是臨界比例度的整定方法。臨界比例度法是一種閉環(huán)整定方法。由于該方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行，不需要測試過程的動態(tài)特性，其方法簡單，使用方便，因而獲得廣泛的應用。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的任務是根據(jù)被控過程的特性，確定PID調(diào)節(jié)器的比例度、積分時間以及微分時間的大小。在簡單過程控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應的衰減率為主要目標，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量。另外應滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差、最大動態(tài)偏差（或者超調(diào)量）和過渡時間等其它指標。具體整定過程步驟如下：（1）、首先將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，微分時間置零，比例度置為較大的數(shù)值，使系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。 （2）、等系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對設定值施加一個階躍變化，并減小直到出現(xiàn)如圖4-1所示的等幅振蕩曲線為止。 圖4-1等幅振蕩曲線（3）、記錄下此時的臨界比例度和等幅振蕩周期,按經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的、三個參數(shù)。4.2調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)本次設計控制對象的傳遞函數(shù)為 ， ， 。因為調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)，因此可設。根據(jù)臨界比例度法，先將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，則,此時，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：特征方程其中，滿足等幅振蕩條件，將帶入，令實部、虛部都為零。 解得：,也即，則。查表可知：,。表4-2調(diào)節(jié)器參數(shù)整定規(guī)律調(diào)節(jié)規(guī)律整定參數(shù)PPIPID4.3系統(tǒng)仿真4.3.1仿真框圖經(jīng)過反復試驗，最終確定PID調(diào)節(jié)器中的P設置為4，I設置為0.5，D設置為0。圖4-3控制系統(tǒng)仿真框圖4.3.2響應曲線圖調(diào)節(jié)PID控制器的參數(shù)，比較在不同參數(shù)下的系統(tǒng)響應曲線。其中對于本次課程設計的牛奶噴霧式液體干燥控制系統(tǒng)，我們總希望系統(tǒng)的生產(chǎn)能力處于最大狀態(tài)。為此，我分別對比例時間、積分時間、微分時間進行了調(diào)整，得到以下三個響應曲線。圖4-4時的系統(tǒng)響應曲線圖4-5時的系統(tǒng)響應曲線