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1、 寧波理工學院 過 程 控 制 課程設計報告 題 目 噴霧式乳液干燥器控制系統(tǒng)設計 項目成員 蔣嘉楠、錢品武、游翔 專業(yè)班級 自動化091 指導教師 關宏偉 分 院

2、 信息分院 完成日期 12年11月 教輔工具b 目 錄 *項目組成員………………………………………………………………………1 1課程設計目的……………………………………………………………………1 2課程設計題目描述和要求………………………………………………………1 3課程設計報告內容………………………………………………………………1 3.1、系統(tǒng)工作過程簡介 ………………………………………………………2 3

3、.2、控制方案的設計 …………………………………………………………3 3.3、控制算法的設計 …………………………………………………………3 4總結 ……………………………………………………………………………7 5參考書目 ………………………………………………………………………7 教輔工具b 項目組成員 項目組成員 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試 錢品武 后勤處理，答辯以及程序調試 噴霧式乳液干燥器控制系統(tǒng)設計 1.課程

4、設計目的 設計噴霧式乳液干燥器控制系統(tǒng)，通過MATLAB仿真，實現對該系統(tǒng)過程控制中達到穩(wěn)定控制。對該系統(tǒng)描述其工藝，并畫出其工藝流程圖和系統(tǒng)方框圖，然后設計出可行方案，進行相對的PID參數整定，最后將得到一個可行性很高的系統(tǒng)設計方案。 2.課程設計題目描述和要求 題目描述：2-3人為一個小組，以一個具體的工業(yè)過程為例，設計一個控制系統(tǒng)，完成相應的控制方案設計，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；系統(tǒng)的控制方案；畫出控制流程圖，方框圖；利用MATLAB進行算法的仿真；以winCC為工具，表現出系統(tǒng)的具體的動態(tài)工作過程，畫出監(jiān)控界面。 3.課程

5、設計報告內容 3.1、系統(tǒng)工作過程簡介 本課程設計的題目是噴霧式乳液干燥器控制系統(tǒng)設計。在眾多的干燥設備中，噴霧式干燥器是應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；然而，熱效率低、體積龐大、生產能力低、投資高是它的缺點。 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)，達到干燥的目的。 由于乳化物屬于膠體物質，激烈攪拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的辦法。濃縮的乳液由高位槽流經過濾器A或B，慮去凝結塊和其他雜

6、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換熱器，用蒸汽進行加熱，并將與來自鼓風機的另一部分空氣混合，經風管送往干燥器，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行分離。生產工藝對干燥后的產品質量要求很高，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。 3.2、控制方案的設計 （1） 被控對象的選擇 按照生產要求，產品的質量取決于乳粉水分的含量。濕度傳感器的精度低、滯后大，不易實現精確、快速的測量。而乳粉水分的含量與干燥器出口溫度密切相關，且容易找到單值對應關系。因而可選擇干燥器的出口溫度作為被控參數（間接），從而實現對

7、乳粉水分控制。 （2） 控制變量的選擇 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)三個因素，通過圖1的調節(jié)閥1、調節(jié)閥2、調節(jié)閥3對這三個變量進行控制。選擇其中之一均可得到相應的控制方案： 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控制算法的設計 3.3.1通道分析 1)各環(huán)節(jié)的放大系數均為1； 2)溫度測量變送器：假定溫度測量變送元件的時間常數為5秒，即：

8、 ； 3)干燥器：干燥溫度對于乳化物流量，對于熱風溫度都看作是3個時間常數為8.5s，滯后時間為2秒的對象，即干燥器特性為； 4)風管：只是一個流動通道，可近似的看作是一個滯后環(huán)節(jié)，對應于操作時的熱風流速，滯后時間為3秒：。 5)兩個時間常數為100s的環(huán)節(jié)：。 6)混合過程：加熱器熱風與旁路冷風的混合過程，可以看作時間常數為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： 經過運行，我們可以得到下面的仿真結果圖： 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： 經過運行，我們可以

9、得到下面的仿真結果圖： 方案3以加熱蒸汽量f3(t)為控制變量，得到如下Matlab仿真圖： 經過運行，我們可以得到下面的仿真結果圖： 由上述Matlab仿真分析后我們可知： 方案1 乳液流量直接進入干燥器，控制通道短、滯后小，控制靈敏，干擾進入控制通道的位置與調節(jié)閥輸入干燥器的的控制變量重合，干擾引起的動差小，控制品質好。 方案2 由于一階慣性環(huán)節(jié)的時間常數T和純滯后t，相對于方案1控制通道有一定的之后，控制變量對干燥器的反應不夠靈敏干擾f1(t)影響較大，而干擾f2(t)引起的動差小而且平緩。 方案3 由于有空氣交換器，冷熱空氣混合延遲，風管滯后等多重因素的影響，控制通道較

10、前兩種方案的滯后很大，控制變量對于干燥器出口溫度控制作用緩慢。干擾干擾f1(t)、干擾f2(t)引起的動差大。 綜上，按控制品質來看，三種控制方案中方案1最優(yōu)，方案2次之。但從工業(yè)生產的實際（工藝和效益）考慮，方案1并不是最好的。這是因為如果以乳液流量作為控制變量，乳液流量不可能始終穩(wěn)定在最大值，限制了系統(tǒng)的生產能力，對提高生產效率不利。另外，乳液管安裝調節(jié)閥容易使?jié)饪s乳液結塊，甚至堵塞管道，會降低產量及產品質量。綜合分析方案2比較好。下面根據方案2進行PID參數整定。 3.3.3 PID參數整定 1）利用衰減曲線法進行的整定： 整定參數 調節(jié)規(guī)律

11、 P Ti Td P P I 1.2P 0.5TS D 0.8P 0.3TS 0.1TS 表1 衰減比4：1時，衰減曲線法整定參數計算參考表 首先將P置較大的數值，Ti=，Td=0.第一次置的值為10，發(fā)現系統(tǒng)已經發(fā)散，說明P的值過大?，F像如下： 適度的減小，直至出現衰減震蕩。如果衰減的比例大于4：1，說明P的值過小，需適當的增大。經過多次試探可確定最終的P值為4.現象如下： 2）利用workspace的數據，可得第一個峰值為y1=1.2196，y2=0.9161，y（）=0.8086；于是 滿足條件。此時TS=231.41-86.8

12、5=144.56S。 整定參數 調節(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P確定的PID整定參數計算表 PI控制結果如下： PID控制結果如下： 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)： 需要說明的是

13、由于生產的實際，我們總是希望系統(tǒng)的生產能力處于最大的狀態(tài)，也就是說乳液的流量f1(t)對應的閥門始終處于最大的開度狀態(tài)，這樣f1(t)的擾動基本上是為零的，這樣PID調節(jié)器對于生產實際已經能滿足要求。 綜上所述，對于衰減法進行的PID參數整定，很重要的一點是如何確定P值，一旦P值確定后，便可根據經驗的表格進行計算得出相應的結果。需要說明的是上述表格得出的結果只是一個參考值，如果整定的效果仍舊不滿意可以進行相應的微調，直至滿意為止。超調量較大的特點，相應的增大微分環(huán)節(jié)，配合一定的積分，可得比較令人滿意的結果。 4總結 本次正是以工業(yè)生產實際為標準進行的設計。其實不難發(fā)現，控制的最后對于干擾的預制并不是太好。如果進行多級控制，在最后的輸出再增加一個負反饋回路，形成反饋回路，達到的控制效果將會更好。 5參考書目 1、 《過程控制》李文濤主編。北京：科學出版社，2012 2、 《控制系統(tǒng)計算機輔助設計：MATLAB語言與應用》薜定宇著。2版--北京：清華大學出版社 2006.3 教輔工具b