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1、理学院课程设计报告课程名称：过程控制系统课程设计项目名称：喷雾式干燥设备控制系统院系：理学院专业：自动化 1401学号：1443121033 姓名：苏 鹏指导导师：2017年 6 月 10 日西京学院理学院制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 18 页 - - - - - - - - - I 摘 要本次课程设计的题目是奶粉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
2、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三种方案的比较最后选择用旁路空气量作为控制参数。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。应用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。关键词 ：PID控制；控制系统设计；
3、单回路控制系统名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 18 页 - - - - - - - - - II Abstract The subject of this course design is the control system design of milk spray drying equipment. Among many drying equipment, spray dryer is one of the dryer which is widely
4、used. It is a drying equipment for treating solution, suspending liquid or mud material. The most important advantage of a spray dryer is its ability to dry directly from liquid. It has its disadvantages of low thermal efficiency, large volume, low production capacity and high investment. The workin
5、g principle of the spray dryer is used: spray method material sprayed droplet dispersion in hot air, and hot air and a material flow, countercurrent or mixed mode of contact with each other, so that the rapid evaporation of water, to achieve the purpose of drying. In the design, the drying temperatu
6、re of the material is chosen as the controlled parameter, and the choice of control parameters is through the comparison of the three schemes. Finally, the bypass air volume is chosen as the control parameter. Finally, the critical proportion method is used to adjust the parameters of the regulator.
7、 Make the whole control system in the optimal working state, and meet the requirements of the production process. Keywords：PID control；control system design ； Single loop control system 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 18 页 - - - - - - - - - III 目
8、录1 引言 . 1 2 干燥过程的控制系统设计. 1 2.1 生产过程 . 1 2.2 设计要求 . 2 3 被控参数与控制参数的选择. 2 3.1 被控参数的选择 . 2 3.2 控制参数的选择及方案设计. 2 4 检测仪表的选择 . 5 4.1 测温元件及变送器的选择. 5 4.2 调节阀的选择 . 5 4.3 调节器的选择 . 6 5. 调节器的参数整定 . 7 6 仿真及分析 . 9 7 总结 . 11 7.1 方案评价及改进方向 . 11 7.2 收获及体会 . 11 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名
9、师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计1 1 引言为了提高在奶粉生产过程中干燥的速度、质量，提高奶粉乳液转变成品的生产效率，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，本课程设计要完成喷雾式奶粉干燥控制系统设计。本文以工业中的奶粉喷雾干燥系统为控制系统, 利用 PID 进行控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时， 控制理
10、论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。2 干燥过程的控制系统设计2.1 生产过程在奶粉生产过程中， 干燥程序是奶粉生产的重要环节之一，喷雾干燥过程是物料由泵送至喷雾干燥器内， 由雾化器将其分散为小雾滴； 空气经加热送入干燥室内与料雾混合、接触；最后完成干燥过程。喷雾式干燥过程示意图如图2-1所示。图 2-1 奶粉喷雾干燥工艺流程图物料泵喷嘴出口空气产品燃料风机空气空气加热器喷雾干燥器名师资料总结 - - -精品资料
11、欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计2 奶粉喷雾干燥过程的生产工艺要求是将原料奶液用空气干燥成奶粉，首先通过管道供气设备将物料已浓缩的奶液（由于将液体奶制造成奶粉的喷雾干燥器的能量消耗大（相当于1.7kg 蒸汽，蒸发 1kg 水），所以常常是将奶液在引入喷雾干燥器之前进行浓缩， 形成浓缩的奶液） 送入干燥室； 干燥空气经过过滤之后被一涡轮式风扇以告诉引入， 经过空气加热器 （这一加热器可以是蒸汽辐射式的，亦可以是均匀热油）将
12、空气从室温干燥温度150-200；干燥箱有一锥形的底部，热空气通过顶部空气分配系统进入，雾化奶滴是从非常接近刚进来的热空气的位置进入， 热空气立即与雾化奶滴相接触， 这样迅速的混合可立即使水分瞬间蒸发；是奶粉干燥成颗粒，大部分都将至其底部，通过管道空气排出，干燥了的奶粉再行分离， 输出产品奶粉。 干燥后成品质量要求高， 含水量波动不能过大。2.2 设计要求奶粉喷雾干燥过程的生产工艺要求是将原料奶液用空气干燥成奶粉。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， 因而采用高位槽喷雾办法。浓缩的乳液由高位槽经过滤器，虑去凝结块和其他杂质， 并从干燥器顶部由喷嘴喷下。 鼓风机将一部分空
13、气送至空气加热器，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。3 被控参数与控制参数的选择3.1 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。3.2 控制参数的选择及方案设计影响奶粉产品的产量和质量与许多因素有关，如料浆中固形物的含量、 热风温度、空气流率 , 进入雾化器的浓缩液流等。而产品
14、的最终含水量与干燥机热风进口温度、 加热器出口温度及干燥器内负压等参数有直接关系。经分析可知， 干燥器进口温度是控制干燥产品质量的最主要因素, 因此将干燥器进口温度选作被控变量。而影响干燥温度的因素有物料流量, 空气流量和燃料变化。系统可选择名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计3 三种操作变量构成温度控制系统。其框图分别如图3-1，图 3-2，图 3-3 所示。对其进行近一步的分析一边选取最优
15、的方案。方案 1: 如图 3-1 所示，将物料流量作为操纵变量，物料经泵送入干燥器，通道滞后时间最短，对干燥温度的调节作用最灵敏, 并且干扰所处的位置靠近调节阀，似乎最适宜作为操作变量，但从工艺分析看，物料流量是生产负荷，需要维持稳定才能保持产量，所以它不宜作为操作变量。干燥器风管干燥器风管干燥器混合器控制器热换器调节阀测量、变送器蒸汽出口温度旁路空气+-图 3-1操作变量为物料流量的控制系统方案 2: 如图 3-2 所示，以旁路空气作为操作变量，旁路空气经与热风混合后，再经过风管进入干燥器，与方案1 相比，它构成的调节通道时滞大，控制的灵敏度次之。干燥器风管干燥器风管干燥器换热器控制器混合器
16、调节阀测量、变送器设定值蒸汽出口温度物料流量+-图 3-2 操作变量为旁路空气的控制系统方案 3：如图 3-3 所示，选择蒸汽流量作为操作变量，调节通道长，容量滞后大，控制的灵敏度差，所有干扰进入位置均靠近被控变量。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计4 图 3-3 操作变量为蒸汽流量的控制系统从上图可以看出各种干扰作用点的分布对控制方案的影响对方案三来说是很清楚的。 对方案二来说， 因为无论
17、是鼓风温度的变化或蒸汽压力的变化，都影响到热交换器后的热风温度， 因此，物料流量干扰和旁路空气干扰作用在同一点上。对方案一来说， 无论何种干扰都是乳液量或喷雾口热风温度发生变化，因而三个干扰都作用在同一点上。对应的控制系统框图3-4 所示。0( )Gs表示干燥器，( )cGs为调节器，1x为乳液流量或喷雾口热风温度的变化。在方案二中， 调节器作用到旁路管路， 由于有管路的传递纯滞后存在，故较方案一多一个纯滞后环节3s。2x为热交换器后热风的变化。 在方案三中， 调节器调节热交换的蒸汽流量，热交换器本身为一双容积对象，因而又多了两个容积。这里每个容积的时间常数100ST。3x为送入热交换器的蒸汽
18、流量的变化。图 3-4 方案一调节方案框图干燥器风管干燥器干燥器混合器控制器调节阀测量、变送器设定值物流流量出口温度旁路空气+-风管热换器+y名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计5 图 3-5方案二调节方案框图图 3-6 方案三调节方案框图系统的三种干扰分别为：（1）干扰1f乳液流量的变化；（2）干扰2f热交换器散热及温度变化；（3）干扰3f蒸汽压力的变化。4 检测仪表的选择根据生产工艺及用户
19、要求，宜选用DDZ型仪表，具体选择如下：4.1 测温元件及变送器的选择因被控温度在 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。4.2 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+y+y名师资料总结 -
20、- -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计6 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：0122()vgqAppr公式中，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
21、为流体重度。依据流通能力的定义，则有：02CAg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：rCqp调节阀尺寸的确定过程为根据通过调节阀的最大流量maxC，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maxC最低级别的 C值，即可依据下表确定出Dg和 dg的大小。表 3-1 调节阀流通能力C与其尺寸的关系4.3 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。名师资料总结 - -
22、-精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计7 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由于选用调节阀为气关式，则vK为负；对于OK来说，由前所诉，当被控过程输入空气增加时，其输出（水分散发）亦增加，故OK为负；一般测量变送Km为正。是系统中各环节静态放大系数极性乘机为正，则调节器cK取正，即选用反作用调节器。5 调节器的参数整定对与调节起的参数整
23、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
24、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5-1 所示。图图 5-1 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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计8 10( )(2)(21)G sss1( ),(s)1101mVGsGs因调节器选用 PI，则可设：111s18scTGT根据临界比例度法，先将调节器的积
25、分时间TI 置于最大，则：18cGK此时系统传递函数：32k(10s1)( )120s52s25s210kCVCmG GGW SG GG特征方程为：32(s)20s52s25s210kD其中1K，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 ，25.6KnTW查表 5-1 可得 KC=2.84,TI=4.76 表 5-1 临界比例度法的参数计算表整定参数及调节规律（）ITDTP2KPI2.2K0.85KTPID1.7K0.5KT0.13KT名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -
26、- 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计9 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。6 仿真及分析假设干燥器的传递函数为-12s0500e(s)130s+1G，控制器(s)CG采用PI控制，干扰由不同位置作用下系统的仿真结构图和仿真相应曲线图。方案一： Simulink 仿真方案：图 6-1 方案一 Simulink仿真结构图图 6-2 方案一 Simulink仿真相应曲线图方案二： Simulink 仿真方案：名师资料总结 - - -精品资料欢
27、迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计10 图 6-3 方案二 Simulink仿真结构图图 6-4 方案二 Simulink仿真相应曲线图方案三： Simulink 仿真方案：图 6-5 方案三 Simulink仿真结构图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 18 页 - - - - - -
28、 - - - 西京学院理学院课程设计11 图 6-6 方案三 Simulink仿真相应曲线图根据干扰作用点对调节质量影响的分析以及主要干扰施加点越靠近调节阀控制质量相对较高的原则。 方案一的干扰作用点与对象的输入重合，调节作用最迅速，因此其控制性能最佳， 方案二次之；方案三最差。 从控制的品质方面考虑，应该选择方案一， 既选择乳液流量作为操作变量。但是在选择调节方案时， 还得从工艺角度来考虑， 方案一并不是最有利的， 但是物料流量是负荷。 另外在乳业管线上装了调节阀，容易使浓缩乳液结块，降低了产量和质量。因此，综合以上分析比较，选择方案二是比较好的，即采用旁路空气作为操作变量。7 总结7.1
29、方案评价及改进方向本系统能将奶粉液体的干燥温度进行严格控制，并且有较快的抗干扰能力减小纯滞后时间。改进主要针对对成品温度的控制的灵敏度的提高。7.2 收获及体会通过这次的课程设计使我对过程控制中所学习到的知识得到的更加深刻的认识以及巩固，也使我在学习书本知识的同时学会了将学习到的知识应用到实际生产中，在实际生产中拓展自己的能力和自己的学习热情。通过这次的设计也使我对控制系统产生了深刻的认识，在我脑海里产生了深刻影响。通过这几天的忙碌，我学会了许多我们在课堂上面所学不到的知识和能力。在我们做课程设计的时候我们将面对许许多多的系统传递函数，微分方程，校正仿真等问题。这也就要求我们利用课上学习到的知
30、识和自己的查阅资料的能力，综合运用以前上课时老师教我们的分析方法去分析新的问题。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计12 还有通过这几天的设计， 我也认识到了和同学配合的重要性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美的， 我们也不能是万能的什么都知道，在学习生活中团队配合才是重要的。 在这次的课程设计中也是得到了很多同学的帮助才能够使我快速准确的完成了这次的设计，最后感谢段老师全程的指导。名
31、师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计13 参考文献1 邵裕森、戴中先 . 过程控制工程 M. 第二版，北京：机械工业出版社，2012.01：1223. 2 何衍庆 . 工业生产过程控制 . 北京：化学工业出版社， 2004.3：77-88 3 翁维勤 . 过程控制系统及工程 . 北京：化学工业出版社， 2002.7：42-62 4 THSA-1 过控综合自动化控制系统实验平台实验指导书5 过程
32、控制，金以慧 . 北京：清华大学出版社，1993.4: 205-209 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 18 页 - - - - - - - - - 西京学院理学院课程设计14 指导教师评阅意见: 指导教师评阅意见 : 成绩评定：指导教师签字：年月日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 18 页 - - - - - - - - -