乳化物干燥器温度单回路控制系统设计

中北大学课程设计说明书目录1干燥器工作原理及结构特点……………………………………………………11.1干燥器概述…………………………………………………………………11.2控制系统设计………………………………………………………………21.3控制参数的确定……………………………………………………………32现场仪表的选型………………………………………………………………33系统方块图的确定………………………………………………………………64调节器算法的确定和参数的确定………………………………………………64.1调节器控制规律……………………………………………………………64.2各环节传递函数及参数的确定……………………………………………75系统的Simulink仿真……………………………………………………………76课程设计总结……………………………………………………………………10参考文献……………………………………………………………………………11中北大学课程设计说明书乳化物干燥器温度单回路控制系统设计1、干燥器工作原理及结构特点1.1干燥器概述干燥器是是通过加热使物料中的湿分(一般指水分或其他可挥发性液体成分)汽化逸出，以获得规定湿含量的固体物料的机械设备。干燥的目的是为了物料使用或进一步加工的需要。如木材在制作木模、木器前的干燥可以防止制品变形，陶瓷坯料在煅烧前的干燥可以防止成品龟裂。另外干燥后的物料也便于运输和贮存，如将收获的粮食干燥到一定湿含量以下，以防霉变。由于自然干燥远不能满足生产发展的需要，各种机械化干燥器越来越广泛地得到应用。干燥过程需要消耗大量热能，为了节省能量，某些湿含量高的物料、含有固体物质的悬浮液或溶液一般先经机械脱水或加热蒸发，再在干燥器内干燥，以得到干的固体。在干燥过程中需要同时完成热量和质量(湿分)的传递，保证物料表面湿分蒸汽分压(浓度)高于外部空间中的湿分蒸汽分压，保证热源温度高于物料温度。热量从高温热源以各种方式传递给湿物料，使物料表面湿分汽化并逸散到外部空间，从而在物料表面和内部出现湿含量的差别。内部湿分向表面扩散并汽化，使物料湿含量不断降低，逐步完成物料整体的干燥。物料的干燥速率取决于表面汽化速率和内部湿分的扩散速率。通常干燥前期的干燥速率受表面汽化速率控制；而后，只要干燥的外部条件不变，物料的干燥速率和表面温度即保持稳定，这个阶段称为恒速干燥阶段；当物料湿含量降低到某一程度，内部湿分向表面的扩散速率降低，并小于表面汽化速率时，干燥速率即主要由内部扩散速率决定，并随湿含量的降低而不断降低，这个阶段称为降速干燥阶段。按湿物料的运动方式，干燥器可分为固定床式、搅动式、喷雾式和组合式；按结构，干燥器可分为厢式干燥器、输送机式干燥器、滚筒式干燥器、立式干燥器、机械搅拌式干燥器、回转式干燥器、流化床式干燥器、气流式干燥器、振动式干燥器、喷雾式干燥器以及组合式干燥器等多种。对于乳化物的干燥要选用喷雾式的比较合适，这也是最为常用的一种。其干燥原理为，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、逆流或流的方式互相接触，中北大学课程设计说明书图1-1：乳化物干燥器干燥原理图1.2控制系统设计被控参数选择：选干燥器的温度为被控参数；控制参数选择：选择旁路空气量为控制参数的方案为最佳；过程检测控制仪表的选用：根据生产工艺和用户要求，选用电动单元组合(DDZ)仪表。包括测温元件及变送器（被控温度在600℃以下，选用电阻温度计）、调节阀（选气关形式、对数流量特性、公称直径和阀心直径的尺寸）、调节器（可选用PI或PID控制规律、正作用调节器）。被控参数选择由于此系统为温度控制系统，所以选用干燥器的温度为被控参数。控制参数选择由图1的干燥过程流程图可知引起干燥器温度变化的因素大概主要有：（1）乳液流量（2）旁路空气流量（3）加热蒸汽量1.3控制参数的确定干燥器中主要有乳液A、加热蒸汽B、旁路空气流量C。由图1知乳液直接进入干燥器，滞后最小，对于干燥温度的校正作用最灵敏。对于旁路空气流量和热风量混合后，再经过较长的风管进入干燥器，由于混合空气传输管道长，存在管道传输滞后，故控制通道的时间滞中北大学课程设计说明书后较大，对于干燥温度校正作用的灵敏度要差一些。而调节换热器的蒸汽流量，以改变空气的温度，则由于换热器通常为一双容过程，时间常数较大，控制通道的滞后最大，对干燥温度的校正作用灵敏度最差。所以综合考虑选择乳液A为主流量和旁路空气流量C作为副流量，且选旁路空气流量为被控变量。2现场仪表的选型根据流程图，需要选择一个温度测量变送器、一个流量调节阀和一个调节器。①温度测量变送器的选择。温度测量的方法很多，一般可分为接触式测温法和非接触式测温法。接触式测温法是测量体与被测物体直接接触，两者进行热交换并最终达到热平衡，这时测量体的温度就反应了被测物体的温度，而非接触式测温法的误差较大。由于原料油的裂解需要对温度有较严格的规定，因此，选择接触式测温法。热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，两种不同材料的导体A、B组成一个闭合回路，当回路两端接点t0、t温度不相同时（假设tt0），回路中就会产生一定大小的电势，形成电流，这个电流的大小与导体材料性质和接点温度有关。把两种不同材料的组合称为热电偶，它感受被测温度信号，输出与温度相对应的直流电势信号。选用铂热电阻温度计，同时配用DDZ-Ⅲ热电阻温度变送器。②执行机构（调节阀）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。③调节器的选择。选用SK－808/900系列智能PID调节仪如图2-1所示：图2-1SK－808/900系列智能PID调节仪中北大学课程设计说明书主要技术指标基本误差：0.5％FS或0.2％FS±1个字分辨力：1/20000、14位A/D转换器显示方式：双排四位LED数码管显示采样周期：0.5S报警输出：二限报警，报警方式为测量值上限、下限及偏差报警，继电器输出触点容量AC220V/3A控制输出：⑴继电器触点输出⑵固态继电器脉冲电压输出（DC12V/30mA）⑶单相/三相可控硅过零触发⑷单相/三相可控硅移相触发⑸模拟量4～20mA、0～10mA、1～5V、0～5V控制输出通讯输出：接口方式--隔离串行双向通讯接口RS485/RS422/RS232/Modem波特率--300～9600bps内部自由设定馈电输出：DC24V/30mA电源：开关电源85～265VAC功耗4W以选型表表2.1SK－808/900系列智能PID调节仪的选型表代码说明SK-808/900智能PID调节仪外型尺寸A横式160×80×125mmA/S竖式80×160×125mmB方式96×96×110mmC横式96×48×110mmC/S竖式48×96×110mmD方式72×72×110mm中北大学课程设计说明书报警输出B□B1-1个报警点，B2-2个报警点控制输出N无控制输出L继电器控制输出G固态继电器输出K1单相可控硅过零触发K2三相可控硅过零触发K3单相可控硅移相触发K4三相可控硅移相触发X14-20mA输出X20-10mA输出X31-5V输出X40-5V输出通讯输出P微型打印机R串行通讯RS232S串行通讯RS485变送器配电电源无馈电输出V12带DC12V馈电输出V24带DC24V馈电输出供电电源220VAC供电WDC24V供电输入信号Sn见输入信号类型表中北大学课程设计说明书3系统方块图的确定根据控制流程图和控制要求设计的系统方框图如下：图3-1风量作为控制参数时的系统框图4调节器算法的确定和参数的确定4.1调节器控制规律由于被控变量是温度，所以控制器选择PID控制规律。为了使温度控制系统能运行到最佳状态，可以按照调节器工程整定方法中的经验数据进行初步设值，然后在系统中进行仿真并调节PID调节器的参数。其中，经验数据见下表：表4.1调节器参数经验数据系统参数/min/min温度20~603~100.5~3流量40~1000.1~1压力30~700.4~3液位20~100中北大学课程设计说明书4.2各环节传递函数及参数的确定温度测量环节用一阶环节来近似1()1TMTMKGsTs假设KTM(T/hr)。T1=3min。对于调节阀，由于其流量特性为直线和等百分比，故()()1%/%()VVVfsGsKus对于流量控制干燥器温度对象，控制通道和扰动通道的动态特性为1112()(1)(1)psppppKeGsTsTs111()(1)dsdddKeGsTs假设错误!未找到引用源。/31CKP(T/hr)，14minpT21minpT3minp11/(/)odKCThr13mindT2mind5系统的Simulink仿真先设定PID调节器的参数为错误!未找到引用源。，%30min31Tmin75.0TD控制系统的Simulink仿真框图如下：图5-1控制系统仿真框图中北大学课程设计说明书图5-2系统响应图调节PID控制器的参数，比较在不同参数下的系统响应曲线。其中对于温度控制系统，由于其对象容量滞后较大，被控变量受干扰作用后变化迟缓，一般选用较小的比例度，较大的积分时间，同时要加入微分作用，微分时间是积分时间的四分之一。（1）可以考虑将微分时间调大来观察响应曲线的变化。当错误!未找到引用源。，min61T,5.1TD时，图5-3当错误!未找到引用源。，错误!未找到引用源。,错误!未找到引用源。时的系统响应图（2）可以考虑将比例度调小来观察响应曲线的变化%20,min31T,75.0TD时，中北大学课程设计说明书图-4%20,min31T,75.0TD时，系统的响应曲线结合响应曲线的变化，可以看出当PID调节器的参数为错误!未找到引用源。，,min31T,75.0TD时，系统相对其他情况下的响应达到稳定所需时间段，且能在达到稳定后保持在稳定值附近变化，超调量相比较而言也较小。6课程设计总结为期两周的课程设计结束了，通过课程设计，我基本上掌握了控制系统的设计方法，并且对单回路控制系统有了更深入的的了解。刚拿到题目时感觉有点迷茫，每个人设计的题目都不同，而且设计对象也是我们没有怎么接触过的，只是课堂上有了一些简单的了解，这就要求我们花更多的精力去查阅资料，了解更多的知识，对我们提出了更强的独立性要求。通过系统仿真，我对系统性能有了更加深刻的认识，明确了各个参数对系统性能的影响。通过课程设计，我对以前书本上所学的知识有了更深的理解，也为将来知识的学习打下了坚实的基础。虽然我所做的控制系统比较简单，但这是我这两周的心血，通过这个简单的控制系统的设计，我对控制系统又有了更深的理解，同时也学习了一下复杂控制系统，有了一定的认识了解。这次课程设计增长了我把知识运用到实际的能力，加深了对课本知识的理解。另外，感谢刘广璞、刘波、崔宝珍老师的辛勤指导，让我的课程设计得以顺利地完成。中北大学课程设计说明书参考文献[1]王毅，张早校.过程装备控制技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2007,13-35，232-235.[2]杨为民.过程控制系统及工程[M].陕西：西安电子科技大学出版社.2008,3-35.[3]杨三青，王仁明，曾庆山.过程控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2008,15-135，173-198.[4]王正林，郭阳宽.过程控制与Simulink应用[M].北京：电子工业出版社，2006,31-47,52-67.[5]谢仕宏.MATLAB控制系统动态仿真实例教程[M].北京：化学工业出版社，2008,195-239.[6]俞金寿，孙自强.过程控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009,59-80，258-262.