7奶粉干燥系統(tǒng)

1、指導(dǎo)教師評定成績： 審定成績： 重 慶 郵 電 大 學(xué)自 動 化 學(xué) 院自動控制原理課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：奶粉干燥系統(tǒng)單位（二級學(xué)院）： 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院制目 錄一、 設(shè)計(jì)題目 1二、 設(shè)計(jì)報(bào)告正文 22-1 摘要 32-2 奶粉干燥系統(tǒng)工作原理分析42-3 奶粉干燥系統(tǒng)各環(huán)節(jié)分析建模52-4 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)系數(shù)的確定62-5 系統(tǒng)性能分析7 2-5-1 系統(tǒng)降階處理82-5-2 系統(tǒng)時(shí)域分析92-5-3系統(tǒng)頻域分析102-6 系統(tǒng)的校正112-6-1 系統(tǒng)校正原因122-6-2 滯后校正132-6-3 超前

2、校正142-7 系統(tǒng)擾動分析15三、 設(shè)計(jì)總結(jié) 16四、 參考文獻(xiàn) 17附錄 一 設(shè)計(jì)題目及要求1.1 設(shè)計(jì)題目初始條件奶粉干燥控制系統(tǒng)原理如下圖所示。 1.2 設(shè)計(jì)要求1.查閱相關(guān)資料，分析系統(tǒng)的工作原理，指出被控對象、被控量和給定量，畫出系統(tǒng)方框圖。2.分析系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系，代入相關(guān)參數(shù)求取系統(tǒng)傳遞函數(shù)。3.分析系統(tǒng)時(shí)域性能和頻域性能。4.運(yùn)用根軌跡法或頻率法校正系統(tǒng)，使之滿足給定性能指標(biāo)要求。系統(tǒng)在等速斜波信號（）的作用下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1。開環(huán)截止頻率，相角裕度，幅值裕度。二 設(shè)計(jì)報(bào)告正文 2.1 摘要關(guān)鍵詞：2.2奶粉干燥系統(tǒng)工作原理2.2.1奶粉干燥系統(tǒng)原理圖 工作

3、原理分析奶品生產(chǎn)要求把濃縮奶液干燥成奶粉。加工時(shí)奶液從高位儲奶槽流下，經(jīng)過濾去掉凝塊后進(jìn)入干燥器。冷空氣也進(jìn)入干燥器。在干燥器中奶液被熱空氣加熱，使水分蒸發(fā)，最后隨濕空氣一起噴出，在重力作用下，空氣、奶粉自然分離。為了保證奶粉的質(zhì)量，要求奶粉濕度要達(dá)到一定要求并且相同。故要控制的是奶粉濕度，所以奶粉濕度應(yīng)該是被控制量，那么奶粉就應(yīng)該是被控制對象，給定量即為要求奶粉濕度。但是干燥器出口飄飄而下的奶粉濕度不容易實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測。如果離線檢測，則時(shí)間太長，不能及時(shí)控制產(chǎn)品質(zhì)量。研究表明，干燥器出口的氣體溫度與奶粉質(zhì)量密切相關(guān)，工藝要求出口溫度保持恒定，出口溫的在線實(shí)時(shí)測量也較易實(shí)現(xiàn)。因此把干燥器出口

4、溫度作為被控制量，這樣，干燥器就作為被控制對象，根據(jù)要求濕度量轉(zhuǎn)換而來的出口溫度即為給定量。    進(jìn)入干燥器的空氣溫度和奶液流量都對干燥器出口的溫度有影響。調(diào)節(jié)奶液流量將使產(chǎn)量波動，所以不宜采用這個(gè)方法。調(diào)節(jié)進(jìn)入熱交換器的蒸汽流量或溫度也可以調(diào)節(jié)進(jìn)入干燥器內(nèi)空氣的溫度。但調(diào)節(jié)蒸汽，則控制器包括熱交換器的時(shí)間常數(shù)比較大，信號傳遞滯后比干燥器大得多，系統(tǒng)不易控制。    圖中采取的方案是進(jìn)入干燥器的空氣由兩部分組成，一部分是經(jīng)過熱器中蒸汽加熱的，另一部分是未加熱的，且它們的溫度都是恒定不變的。通過空氣閥門改變這兩部分

5、空氣的比例就可以改變進(jìn)入干燥器內(nèi)空氣的溫度。采用這種方法，控制器的時(shí)間常數(shù)比較小，響應(yīng)迅速，操作較靈活。熱敏元件測量出干燥器的出口溫度反饋到放大器，與給定的希望溫度相比較，產(chǎn)生偏差信號。然后經(jīng)可控硅控制的電動機(jī)操縱空氣閥門，改變冷熱空氣的比例，即決定進(jìn)入干燥器中熱空氣的溫度。奶粉干燥控制系統(tǒng)方框圖如下圖所示。電動機(jī)空氣閥門干燥劑出口溫度放大器及可控硅熱敏元件2.3每個(gè)環(huán)節(jié)分析建模系統(tǒng)建?？梢苑譃閮煞N：機(jī)理建模和實(shí)驗(yàn)建模。實(shí)驗(yàn)建模就是通過在研究對象上加上一系列的研究者事先確定的輸入信號，激勵研究對象并通過傳感器檢測其可觀測的輸出，應(yīng)用數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。這里面包括輸入信號的設(shè)計(jì)選取

6、，輸出信號的精確檢測，數(shù)學(xué)算法的研究等等內(nèi)容。機(jī)理建模就是在了解研究對象的運(yùn)動規(guī)律基礎(chǔ)上，通過物理、化學(xué)的知識和數(shù)學(xué)手段建立起系統(tǒng)內(nèi)部的輸入狀態(tài)關(guān)系。在這里，由于實(shí)驗(yàn)建模有一定的困難，故我們采用機(jī)理建模。 環(huán)節(jié)分析建模1.給定單元給定單元由電位器構(gòu)成。供電電壓對應(yīng)著給定溫度，假定用熱敏元件測溫傳感器，靈敏度為，所以滑動端的輸出電壓正比于給定溫度故 給定電壓可以直接給出為。2測溫單元 溫度單元有熱敏元件構(gòu)成，熱敏元件的輸出端電壓的大小正比于所測溫度的大小。且靈敏度系數(shù)和給定單元一樣為。故所測電壓為3. 比較單元 比較單元將給定信號與實(shí)際信號相比較，得出差值信號，也就是負(fù)反饋。該系統(tǒng)是將和串聯(lián)反極

7、性相連接來實(shí)現(xiàn)的。算子式為4. 放大單元放大單元將差值信號放大，以方便驅(qū)動電動機(jī)，放大倍數(shù)為，沒有量綱。故 5.可控硅調(diào)節(jié)器可控硅調(diào)解器供出可調(diào)電壓，以驅(qū)動直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。輸入量為調(diào)解電壓輸出量為電樞電壓，傳遞系數(shù)為 故 6.執(zhí)行單元執(zhí)行單元為一個(gè)直流伺服電動機(jī)，輸入為電壓，輸出為電動機(jī)轉(zhuǎn)角，驅(qū)動閥門開關(guān)轉(zhuǎn)動。 其中 是電動機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù);是電動機(jī)傳遞系數(shù)7.開關(guān)閥門減速器減速器是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，將伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)角變換成為閥門的開度。設(shè)閥門關(guān)閉時(shí)的角度為零，全部打開的角度為，傳遞關(guān)系為變比系數(shù)。故 8.空氣溫度單元 在該單元，空氣通過兩個(gè)管道進(jìn)入，以不同比例不同溫度混合。假設(shè)閥門全開時(shí)兩管道的流

8、量、流速相同，即橫截面積相同。閥門開度和管道橫截面積成正比，即和氣體流量成正比。設(shè)流量最大值為，則當(dāng)前流量為而在壓強(qiáng)不變的情況下，不同流量不同溫度的氣體混合后的溫度為 其中為冷空氣溫度，為熱空氣溫度在實(shí)際情況中，為定值，經(jīng)過擬合將其變成一個(gè)指數(shù)衰減的方程將其拉氏變換后就得到。如下圖所示充入干燥器的氣體是流動的，同時(shí)進(jìn)同時(shí)出，假設(shè)進(jìn)口氣體的流量和出口流量相同，那么出口溫度就等于。即 綜合以上可得方程組為：整體框圖如下： _將其變成等效單位負(fù)反饋，整體框圖如下：1/kk1k2km/s（Tms）k3k4k5/Ts+1k閉環(huán)傳遞函數(shù)為開環(huán)傳遞函數(shù)為2.4 傳遞函數(shù)的系數(shù)確定 根據(jù)實(shí)際情況取放大比例系數(shù)

9、，；電機(jī)傳遞系數(shù)；電機(jī)時(shí)間常數(shù)；比例系數(shù)， ，；，。得出開環(huán)傳遞函數(shù)為閉環(huán)傳遞函數(shù)為 2.5 系統(tǒng)性能分析系統(tǒng)降階 由于三階系統(tǒng)分析較為麻煩，故先分析系統(tǒng)的閉環(huán)零極點(diǎn)看是否能夠降階。用MATLAB繪制出系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的零極圖如下：num=48;den=0.1,2.05,1,0.48;z,p,k=tf2zp(num,den);disp('zero:');zdisp('pole:');pdisp('gains:');kzplane(z,p)zero:z = Empty matrix: 0-by-1pole:p = -20.0123 -0.2439

10、+ 0.4247i -0.2439 - 0.4247igains:k = 480 系統(tǒng)的零極點(diǎn)圖 由主導(dǎo)極點(diǎn)概念，可知該高階系統(tǒng)具有一對共軛復(fù)數(shù)主導(dǎo)極點(diǎn)，且非主導(dǎo)極點(diǎn)實(shí)部的模比主導(dǎo)極點(diǎn)的模大五倍以上，閉環(huán)零點(diǎn)不在主導(dǎo)極點(diǎn)附近，因此該三階系統(tǒng)近似成如下的二階系統(tǒng)： 系統(tǒng)的時(shí)域性能分析 .1 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析u 系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)由上節(jié)分析可得，系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程為： 用勞斯判據(jù)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性如下： 1 0.24 0.49 0 0.24 0顯然，勞斯表第一列系數(shù)符號相同，故系統(tǒng)是穩(wěn)定的。u 系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)由自動控制原理教程相關(guān)知識可知，二價(jià)系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)為，及。由上節(jié)分析可知，系統(tǒng)的閉環(huán)傳

11、遞函數(shù)： 則系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)為 系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)相關(guān)性能指標(biāo)計(jì)算： 固有角頻率： 阻尼系數(shù)： 阻尼振蕩頻率： 上升時(shí)間： 峰值時(shí)間： 超調(diào)量： 延遲時(shí)間： 調(diào)節(jié)時(shí)間： 穩(wěn)態(tài)誤差的計(jì)算：由系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: 當(dāng)輸入單位階躍函數(shù)時(shí)： 所以穩(wěn)態(tài)誤差為： 當(dāng)輸入單位斜坡函數(shù)時(shí)： 所以穩(wěn)態(tài)誤差為： 當(dāng)輸入單位加速度函數(shù)時(shí)： 所以穩(wěn)態(tài)誤差為：系統(tǒng)的頻域性能分析 .1穩(wěn)定性分析 對降階后的開環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行頻域性能分析，首先通過奈奎斯特圖判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)用MATLAB作出其奈氏曲線如下：由上圖可知：系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的奈氏曲線不包圍點(diǎn)，系統(tǒng)穩(wěn)定。.2 頻域性能分析 .2.1 性能指

12、標(biāo)的計(jì)算 由系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，可計(jì)算下面性能指標(biāo)：系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析，通過系統(tǒng)的頻率特性： 其幅頻特性為： 相頻特性為： 對數(shù)幅頻特性為：dB， 當(dāng)系統(tǒng)位于截止頻率處時(shí)，有，即，解得，將其帶入相頻特中，因此，就得到此時(shí)的相角裕度為：，截止頻率；又當(dāng)系統(tǒng)位于穿越頻率處時(shí)，通過式：可求得穿越頻率，因此幅值裕度dB，諧振峰值，由相角裕度可知系統(tǒng)不是十分穩(wěn)定。故系統(tǒng)的幅值裕度： 相角裕度：截止頻率：穿越頻率：.2.2 繪制伯德圖利用開環(huán)傳遞函數(shù)，通過MATLAB得到下面圖形 系統(tǒng)的伯德圖由上圖可知，當(dāng)，；當(dāng)時(shí)，所以該系統(tǒng)大體上是穩(wěn)定的。由閉環(huán)傳遞函數(shù)得到以下伯德圖2.6系統(tǒng)的校正 分析校正原因已知要求系

13、統(tǒng)在單位斜坡輸入信號作用時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1，開環(huán)截止頻率，相角裕度，幅值裕度。由上面的分析可知穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)的幅值裕度：相角裕度：截止頻率：穿越頻率：由此可知穩(wěn)態(tài)誤差滿足要求，增益不用校正較合適，相角裕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于希望值，截止頻率大于，所以可以先通過壓縮頻帶寬度來改善相位裕度，采用滯后校具有一定合理性的，當(dāng)然也可以采用超前校正法。 采用滯后校正 根據(jù)串聯(lián)滯后校正裝置的傳遞函數(shù)，對系統(tǒng)進(jìn)行校正，具體步驟如下：（1）根據(jù)靜態(tài)誤差系數(shù)，同樣確定開環(huán)增益，滿足要求。原系統(tǒng)，相位裕度為，幅值裕度。（2）根據(jù)題目要求相角裕度，先取，選擇以校正系統(tǒng)的截止頻率： 由，取，得 又有， 取相位裕度，所以確定新的截

14、止頻率為，因此校正后的截止頻率為0.41，并且得到此時(shí)原系統(tǒng)的。（3）根據(jù)滯后校正的參數(shù)關(guān)系式：，得：,因此，求出。（4）計(jì)算兩轉(zhuǎn)折頻率， (5) 由上述參數(shù)，可得出滯后網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為： 所以，校正后新系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： ， （5）對校正后系統(tǒng)進(jìn)行性能分析做新系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖如下：運(yùn)用串聯(lián)滯后校正后系統(tǒng)波特圖根據(jù)系統(tǒng)的頻率特性方程計(jì)算得：，同時(shí)，因此可得相角裕度，但是截止頻率，故校正不成功，只能采用超前校正法。采用超前校正（1）設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，首先調(diào)整開環(huán)增益。由題目要求，系統(tǒng)靜態(tài)誤差系數(shù) 有：根據(jù)靜態(tài)誤差系數(shù)，同樣確定開環(huán)增益，滿足要求。原系統(tǒng)，相位裕度為，幅值裕度。原系統(tǒng)的相

15、角裕度小于給定要求，所以考慮采用相位超前校正。（2）由給定要相位超前角求以及原系統(tǒng)特性，計(jì)算所需的相位超前角：（初始設(shè)置增補(bǔ)角為）（4）計(jì)算衰減率 由公式，代入得，取。（5）計(jì)算校正系統(tǒng)的截止頻率對串聯(lián)超前校正裝置有，有原系統(tǒng)在新的截止頻率處的取值應(yīng)有：，故求出此時(shí)的，即取校正后系統(tǒng)的截止頻率為。（6）計(jì)算校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率 因有截止頻率,因此對校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率有，。（7）對校正后系統(tǒng)的檢驗(yàn) 通過衰減率可得補(bǔ)償增益，并由式 可得校正裝置的傳遞函數(shù)為 , 因此可得校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： , 對數(shù)幅頻特性為：相頻特性：，時(shí)，求得截止頻率，故> >對校正后的系統(tǒng)進(jìn)行性能指標(biāo)的檢驗(yàn)，校正后系統(tǒng)開環(huán)頻率特性如下：運(yùn)用串聯(lián)超前校正后系統(tǒng)的波特圖由以上分析可知校正成功。校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為2.7系統(tǒng)的干擾分析在奶粉干燥控制系統(tǒng)中，有許多環(huán)節(jié)都可能造成擾動。主要有以下幾點(diǎn)：（1） 奶流量的擾動，由于奶流量可能受外界影響，可能會影響奶粉的產(chǎn)量。（2） 空氣流量的擾動，空氣流量受外界各種因素的影響，也會氣體溫度造成一定的影響。（3） 給定電壓也可能被外界影響，產(chǎn)生擾動。（4） 出口溫度可能受氣體和外界的因素如風(fēng)力、濕度等的影響，產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)擾動。 對各種擾動，系統(tǒng)有一定的調(diào)節(jié)能力，但是不能完全控制。三 設(shè)計(jì)總結(jié)四、參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 胡壽松