乳化物干燥器串級控制系統(tǒng)

1、中北大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書目 錄1、干燥器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)11.1干燥器的原理11.2干燥器的應(yīng)用21.3干燥器的未來發(fā)展32、串級控制系統(tǒng)的工作原理43、控制方案的選擇53.1乳化物干燥器串級控制系統(tǒng)參數(shù)選擇53.2控制參數(shù)的確定53.3現(xiàn)場儀表選型64、系統(tǒng)方框圖75、分析被控對象特性76、進(jìn)行系統(tǒng)仿真7課程設(shè)計(jì)總結(jié)10參考文獻(xiàn)111、 干燥器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.1干燥器的原理干燥器是是通過加熱使物料中的濕分(一般指水分或其他可揮發(fā)性液體成分)汽化逸出，以獲得規(guī)定濕含量的固體物料的機(jī)械設(shè)備。干燥的目的是為了物料使用或進(jìn)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變形，陶瓷坯料

2、在煅燒前的干燥可以防止成品龜裂。另外干燥后的物料也便于運(yùn)輸和貯存，如將收獲的糧食干燥到一定濕含量以下，以防霉變。由于自然干燥遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，各種機(jī)械化干燥器越來越廣泛地得到應(yīng)用。干燥過程需要消耗大量熱能，為了節(jié)省能量，某些濕含量高的物料、含有固體物質(zhì)的懸浮液或溶液一般先經(jīng)機(jī)械脫水或加熱蒸發(fā)，再在干燥器內(nèi)干燥，以得到干的固體。在干燥過程中需要同時(shí)完成熱量和質(zhì)量(濕分)的傳遞，保證物料表面濕分蒸汽分壓(濃度)高于外部空間中的濕分蒸汽分壓，保證熱源溫度高于物料溫度。熱量從高溫?zé)嵩匆愿鞣N方式傳遞給濕物料，使物料表面濕分汽化并逸散到外部空間，從而在物料表面和內(nèi)部出現(xiàn)濕含量的差別。內(nèi)部濕分向表面

3、擴(kuò)散并汽化，使物料濕含量不斷降低，逐步完成物料整體的干燥。物料的干燥速率取決于表面汽化速率和內(nèi)部濕分的擴(kuò)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，只要干燥的外部條件不變，物料的干燥速率和表面溫度即保持穩(wěn)定，這個階段稱為恒速干燥階段；當(dāng)物料濕含量降低到某一程度，內(nèi)部濕分向表面的擴(kuò)散速率降低，并小于表面汽化速率時(shí)，干燥速率即主要由內(nèi)部擴(kuò)散速率決定，并隨濕含量的降低而不斷降低，這個階段稱為降速干燥階段。按濕物料的運(yùn)動方式，干燥器可分為固定床式、攪動式、噴霧式和組合式；按結(jié)構(gòu)，干燥器可分為廂式干燥器、輸送機(jī)式干燥器、滾筒式干燥器、立式干燥器、機(jī)械攪拌式干燥器、回轉(zhuǎn)式干燥器、流化床式干燥器

4、、氣流式干燥器、振動式干燥器、噴霧式干燥器以及組合式干燥器等多種。對于乳化物的干燥要選用噴霧式的比較合適，這也是最為常用的一種。其干燥原理為，用噴霧的方法將物料噴成霧滴分散在熱空氣中，物料與熱空氣呈并流、逆流或混流的方式互相接觸，使水分迅速蒸發(fā)，達(dá)到干燥目的。 由于乳化物屬于膠體物質(zhì)，激烈攪拌易固化，不能用泵輸送。幫采用高位槽的辦法，即濃縮的乳液由高位槽流經(jīng)過濾器A或B（兩個交換使用，保證連續(xù)操作），除去凝結(jié)塊等雜物，再通過干燥器頂部從噴嘴噴出?？諝庥晒娘L(fēng)機(jī)直接來的空氣混合后，經(jīng)過風(fēng)管進(jìn)入干燥器，從而蒸發(fā)出乳液中的水分，并隨濕空氣混合后，再進(jìn)行分離。生產(chǎn)工藝對干燥后的產(chǎn)呂質(zhì)量要求很高，水分含量

5、不能波動太大，因而對干燥的求嚴(yán)格控制。下圖為乳化物干燥過程中的噴霧式干燥工藝設(shè)備的原理圖。 圖1乳化物干燥器干燥原理圖1.2干燥的應(yīng)用干燥過程需要消耗大量熱能，為了節(jié)省能量，某些濕含量高的物料、含有固體物質(zhì)的懸浮液或溶液一般先經(jīng)機(jī)械脫水或加熱蒸發(fā)，再在干燥器內(nèi)干燥，以得到干的固體。 干燥的目的是為了物料使用或進(jìn)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變形，陶瓷坯料在煅燒前的干燥可以防止成品龜裂。另外干燥后的物料也便于運(yùn)輸和貯存，如將收獲的糧食干燥到一定濕含量以下，以防霉變。由于自然干燥遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，各種機(jī)械化干燥器越來越廣泛地得到應(yīng)用。 在干燥過程中需要同時(shí)完成熱

6、量和質(zhì)量(濕分)的傳遞，保證物料表面濕分蒸汽分壓(濃度)高于外部空間中的濕分蒸汽分壓，保證熱源溫度高于物料溫度。 熱量從高溫?zé)嵩匆愿鞣N方式傳遞給濕物料，使物料表面濕分汽化并逸散到外部空間，從而在物料表面和內(nèi)部出現(xiàn)濕含量的差別。內(nèi)部濕分向表面擴(kuò)散并汽化，使物料濕含量不斷降低， 圖2干燥劑逐步完成物料整體的干燥。 物料的干燥速率取決于表面汽化速率和內(nèi)部濕分的擴(kuò)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，只要干燥的外部條件不變，物料的干燥速率和表面溫度即保持穩(wěn)定，這個階段稱為恒速干燥階段；當(dāng)物料濕含量降低到某一程度，內(nèi)部濕分向表面的擴(kuò)散速率降低，并小于表面汽化速率時(shí)，干燥速率即主要由內(nèi)部

7、擴(kuò)散速率決定，并隨濕含量的降低而不斷降低，這個階段稱為降速干燥階段。1.3干燥器的未來發(fā)展干燥器的未來發(fā)展將在深入研究干燥機(jī)理和物料干燥特性，掌握對不同物料的最優(yōu)操作條件下，開發(fā)和改進(jìn)干燥器；另外，大型化、高強(qiáng)度、高經(jīng)濟(jì)性，以及改進(jìn)對原料的適應(yīng)性和產(chǎn)品質(zhì)量，是干燥器發(fā)展的基本趨勢；同時(shí)進(jìn)一步研究和開發(fā)新型高效和適應(yīng)特殊要求的干燥器，如組合式干燥器、微波干燥器和遠(yuǎn)紅外干燥器等。 干燥器的發(fā)展還要重視節(jié)能和能量綜合利用，如采用各種聯(lián)合加熱方式，移植熱泵和熱管技術(shù)，開發(fā)太陽能干燥器等；還要發(fā)展干燥器的自動控制技術(shù)、以保證最優(yōu)操作條件的實(shí)現(xiàn)；另外，隨著人類對環(huán)保的重視，改進(jìn)干燥器的環(huán)境保護(hù)措施以減少粉

8、塵和廢氣的外泄等，也將是需要深入研究的方向。 1.4典型干燥器的特點(diǎn)真空干燥箱為較古老的干燥裝置，箱內(nèi)被加熱板分成若干層。加熱板中通入熱水或低壓蒸汽作為加熱介質(zhì)，將鋪有待干燥藥品的料盤放在加熱板上，關(guān)閉箱門，箱內(nèi)用真空泵抽成真空。加熱板在加熱介質(zhì)的循環(huán)流動中將藥品加熱到指定溫度，水分即開始蒸發(fā)并隨抽真空逐漸抽走。此設(shè)備易于控制，可冷凝回收被蒸發(fā)的溶媒，干燥過程中藥品不易被污染，可以用在藥品干燥、包材滅菌及熱處理上。在上世紀(jì)80年代原料藥行業(yè)多用此設(shè)備為主要干燥器，但由于不易對料盤進(jìn)行在線清洗和在線滅菌，干燥速度慢，工人勞動強(qiáng)度大，而且為實(shí)現(xiàn)藥品均一性，干燥后還要經(jīng)混粉裝置混合，現(xiàn)原料藥大生產(chǎn)上

9、已很少應(yīng)用，多用于中、小試生產(chǎn)或包材熱處理。2、串級控制系統(tǒng)的原理控制目的是使干燥器溫度保持恒定，現(xiàn)選用的溫度，來構(gòu)成串級隨動控制. TC表示溫度調(diào)節(jié)器，TC通常按PID調(diào)節(jié)規(guī)律，流量調(diào)節(jié)器按P調(diào)節(jié)規(guī)律。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，由主調(diào)節(jié)器（ 溫度調(diào)節(jié)器TC）進(jìn)行控制，其輸出作為副調(diào)節(jié)器（調(diào)節(jié)器）的給定值，最終控制閥門的開度，主控回路的輸出作為副控回路設(shè)定值修正的依據(jù)，副控回路的輸出作為真正的控制量作用于被控對象，液位一旦發(fā)生變化，副控回路及時(shí)地控制閥門的開度位置，較快地克服了液位的變化對出料溫度的影響如果是恒定的，只需測量實(shí)際溫度，并使其與溫度設(shè)定值相比較，利用二者的偏差控制管道上的閥門就能保持溫度

10、的恒定。路中，以補(bǔ)償過程的動態(tài)特性，使被控對象的滯后時(shí)間超前反映到控制器，有效地解決了大慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間滯后問題，減少了系統(tǒng)的超調(diào)量，加速了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，另外，通過增大液位調(diào)節(jié)器的比例增益，系統(tǒng)的等效時(shí)間常數(shù)可以獲得較小的數(shù)值，從而增加了副控回路的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。在這個計(jì)算機(jī)串級隨動控制系統(tǒng)中，串級控制起到了及時(shí)檢測系統(tǒng)中可能引起被控量發(fā)生變化的一些因素并加控制，閥位與流量得到了及時(shí)的調(diào)節(jié)，使溫度的控制達(dá)到了良好的控制效果，并且使系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，有效地解決了對象的等效純滯后時(shí)間很長的問題。二次干擾為該系統(tǒng)的主要擾動，副控回路有效而快速地克服二次擾動的影響。當(dāng)擾動發(fā)生在

11、副回路內(nèi)，例如發(fā)生波動引起的溫度變化時(shí)，由于有副控回路的存在，液位調(diào)節(jié)器能及時(shí)地動作，快速消除了擾動的影響；當(dāng)擾動發(fā)生在副控回路以外時(shí)，如物料、能量的轉(zhuǎn)輸變化引起提餾段的溫度變化，溫度調(diào)節(jié)器及時(shí)改變其輸出信號，由副控回路去改變流量，克服了擾動影響。3、控制方案的選擇3.1乳化物干燥器串級控制系統(tǒng)參數(shù)選擇 被控參數(shù)選擇 由于此系統(tǒng)為溫度控制系統(tǒng)，所以選用干燥器的溫度為被控參數(shù)。 控制參數(shù)選擇 由圖1的干燥過程流程圖可知引起干燥器溫度變化的因素大概主要有：（1）乳液流量（2）旁路空氣流量（3）加熱蒸汽量3.2控制參數(shù)的確定 干燥器中主要有乳液A、加熱蒸汽B、旁路空氣流量C。由圖1知乳液直接進(jìn)入干燥

12、器，滯后最小，對于干燥溫度的校正作用最靈敏。對于旁路空氣流量和熱風(fēng)量混合后，再經(jīng)過較長的風(fēng)管進(jìn)入干燥器，由于混合空氣傳輸管道長，存在管道傳輸滯后，故控制通道的時(shí)間滯后較大，對于干燥溫度校正作用的靈敏度要差一些。而調(diào)節(jié)換熱器的蒸汽流量，以改變空氣的溫度，則由于換熱器通常為一雙容過程，時(shí)間常數(shù)較大，控制通道的滯后最大，對干燥溫度的校正作用靈敏度最差。所以綜合考慮選擇乳液A為主流量和旁路空氣流量C作為副流量，且選旁路空氣流量為被控變量。圖3干燥圖3.3現(xiàn)場儀表選型根據(jù)流程圖，需要選擇一個流量測量變送器、一個溫度測量變送器、一個流量調(diào)節(jié)閥。流量變送器的選擇。流量測量儀表也稱為流量計(jì)，它通常由一次儀表和

13、二次儀表組成。一次儀表亦稱為傳感器，二次儀表稱為顯示裝置或變送器。差壓式流量計(jì)基于在流通管道上設(shè)置流動阻力件，流體通過阻力件時(shí)將產(chǎn)生差壓，此差壓與流體流量之間有確定的數(shù)值關(guān)系，通過測量壓差值便可求得流體流量，并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。因此，差壓式流量計(jì)由產(chǎn)生壓差的裝置和差壓計(jì)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)簡單，可靠。節(jié)流式流量計(jì)可用于測量氣體、液體或蒸汽的流量。溫度測量變送器的選擇。溫度測量的方法很多，一般可分為接觸式測溫法和非接觸式測溫法。接觸式測溫法是測量體與被測物體直接接觸，兩者進(jìn)行熱交換并最終達(dá)到熱平衡，這時(shí)測量體的溫度就反應(yīng)了被測物體的溫度，而非接觸式測溫法的誤差較大。由于原料油的裂解需要對溫度有較嚴(yán)

14、格的規(guī)定，因此，選擇接觸式測溫法。熱電偶溫度儀表是基于熱電效應(yīng)原理制成的測溫儀器，兩種不同材料的導(dǎo)體A、B組成一個閉合回路，當(dāng)回路兩端接點(diǎn)t0、t溫度不相同時(shí)（假設(shè)tt0），回路中就會產(chǎn)生一定大小的電勢，形成電流，這個電流的大小與導(dǎo)體材料性質(zhì)和接點(diǎn)溫度有關(guān)。把兩種不同材料的組合稱為熱電偶，它感受被測溫度信號，輸出與溫度相對應(yīng)的直流電勢信號。執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥）的選擇。執(zhí)行器可分為氣動、液動、和電動執(zhí)行器，液動執(zhí)行器使用較少，氣動執(zhí)行器是以壓縮空氣為能源的執(zhí)行器（氣動調(diào)節(jié)閥），主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、故障率低、價(jià)格便宜、維修方便、本質(zhì)防爆、容易做成大功率等。與電動執(zhí)行器相比，性能

15、優(yōu)越得多，故應(yīng)用廣泛。4、系統(tǒng)方塊圖 下圖為串級控制系統(tǒng)方框圖 圖4干燥器串級控制系統(tǒng)方塊圖5、分析被控對象特性，選擇控制算法（調(diào)節(jié)器控制規(guī)律的確定）串級控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，仿效串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的選擇原則，主調(diào)節(jié)器選PI控制規(guī)律，比例控制器選用P控制規(guī)律。被控對象為單容對象，即Go1(s)= 檢測環(huán)節(jié)均為比例環(huán)節(jié)，即Gm1(s)=Km1 控制閥為比例控制，即Gv(s)=Kv6、進(jìn)行系統(tǒng)仿真對于串級控制系統(tǒng)的主動量來說，可按單回路控制系統(tǒng)的整定方法和要求來進(jìn)行。一般希望主動量回路的過渡過程變化緩慢一些，以便從動量得以跟蹤上。變比值控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上屬于串級控制系統(tǒng)，因此其主調(diào)節(jié)器的參數(shù)可按串級控制系統(tǒng)

16、進(jìn)行整定。而從動量回路實(shí)質(zhì)上是一個隨動系統(tǒng)，要求從動量能迅速、準(zhǔn)確地跟蹤主動量變化，而且不宜有過大超調(diào)。從動量回路的過渡過程整定非周期臨街狀態(tài)為最佳，此時(shí)從動量回路的過渡過程既不震蕩有反應(yīng)最快。從動量回路控制器參數(shù)整定步驟如下：1、根據(jù)計(jì)算的比值系數(shù)K在滿足工藝生產(chǎn)流量比的情況下，將比值控制系統(tǒng)投入進(jìn)行。2、將積分時(shí)間廠商置于最大，有大到小改變調(diào)節(jié)器的比例度，使系統(tǒng)響應(yīng)迅速，并處于振蕩與不振蕩的臨界過程。3、若有積分作用，則適當(dāng)?shù)募哟蟊壤?，投入積分作用，并減小積分時(shí)間，知道系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩與不振蕩的臨界過程?？諝饬髁繙y量儀表為線性單元，動態(tài)滯后可忽略，則有：溫度測量環(huán)節(jié)用一階環(huán)節(jié)來近似假設(shè)對于調(diào)

17、節(jié)閥，由于其流量特性為直線和等百分比，故對于調(diào)節(jié)閥控制流量對象，控制通道和擾動通道的動態(tài)特性為： 假設(shè)，流量調(diào)節(jié)閥前壓力波動為對于流量控制干燥器溫度對象，控制通道和擾動通道的動態(tài)特性為 假設(shè) （公式出自過程控制工程此書）則根據(jù)傳遞函數(shù)方框圖，進(jìn)行仿真得如下圖所示最大偏差 回復(fù)時(shí)間 余差 振蕩周期 圖5系統(tǒng)在無干擾輸入情況下的仿真圖圖6系統(tǒng)在干擾作用下的輸出值課程設(shè)計(jì)總結(jié)為期兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，這次的課程設(shè)計(jì)讓我感覺無從下手，付出了更多的時(shí)間和精力之后當(dāng)然收獲也是更為豐富。以前做課程設(shè)計(jì)老師都布置好了具體的步驟，我只要按步走就行了，遇到什么困難就有目標(biāo)的查資料，這此的卻有點(diǎn)不一樣了。這次課程設(shè)計(jì)對我們的能力要求有了進(jìn)一步的提高，老師沒有像以前那樣，而是完全放開了手，具體怎么做你自己摸索去，只有你碰到困難時(shí)去問老師時(shí)，他才會給你具體的解答。剛拿到題目時(shí)大家都陷入了迷茫中，每個人設(shè)計(jì)的題目都不同，而且設(shè)計(jì)對象也是我們沒有接觸過的，這就要求我們花更多的精力去查閱資料，了解更多的知識，對我們提出了更強(qiáng)的獨(dú)立性要求。但我還是一步一步的慢慢的把它做了下來，雖然我所做的單閉環(huán)控制系統(tǒng)比較簡單，但這是我這兩周的心血，通過這個簡單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我對控制系統(tǒng)又有了更深的理解，尤其是對比值控制系統(tǒng)的認(rèn)識了解的更多了。在這此的課程設(shè)計(jì)中要衷心的感謝劉廣