噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)

過程儀表課程設(shè)計(jì)噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)主講：主要內(nèi)容系統(tǒng)簡介設(shè)計(jì)概述設(shè)計(jì)方案及儀表選型儀表型號(hào)清單系統(tǒng)簡介本次課程設(shè)計(jì)的題目是噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在眾多的干燥設(shè)備中，噴霧干燥器是應(yīng)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(shè)備。能從液體直接干燥成粉體，這是噴霧干燥器的最大優(yōu)點(diǎn)；熱效率低、體積龐大、生產(chǎn)能力低、投資高是它的缺點(diǎn)。噴霧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)到干燥的目的。

在設(shè)計(jì)中選擇物料的干燥溫度為被控參數(shù)，而對于控制參數(shù)的選擇則是通過3種方案的比較最后選擇用旁路空氣量作為控制參數(shù)。通過查找大量的資料選擇了比較適宜的儀表DDZ-III型儀表。由于被控溫度為，所以選擇了熱電阻溫度計(jì)和溫度傳感器。根據(jù)調(diào)節(jié)閥流通能力C又確定了調(diào)節(jié)閥的尺寸。調(diào)節(jié)器則選擇了既能控制及時(shí)，又能消除余差的PI控制規(guī)律。最后運(yùn)用了臨界比例度法對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定。使整個(gè)控制系統(tǒng)處于最優(yōu)的工作狀態(tài)，滿足生產(chǎn)工藝上的要求。設(shè)計(jì)概述以乳化物的干燥過程為例來設(shè)計(jì)干燥器。由于乳化物屬于膠體物質(zhì)，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(jīng)過濾器A或B，慮去凝結(jié)塊和其他雜質(zhì)，并從干燥器頂部由噴嘴噴下。有鼓風(fēng)機(jī)將一部分空氣送至換熱器，用蒸汽進(jìn)行加熱，并將與來自鼓風(fēng)機(jī)的另一部分空氣混合，經(jīng)風(fēng)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(jìn)行分離。生產(chǎn)工藝對干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，水分含量不能波動(dòng)太大，因而需要對干燥的溫度進(jìn)行嚴(yán)格控制。乳化物的干燥過程設(shè)計(jì)方案及儀表選型控制規(guī)律的選擇被控參數(shù)與控制參數(shù)的選擇儀表的選擇溫度控制原理圖及其系統(tǒng)框圖調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定控制規(guī)律的選擇比例控制規(guī)律積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律比例控制規(guī)律(P)可以用下列數(shù)學(xué)式來表示：△u=Kce

式中△u——控制器輸出變化量；e——控制器的輸入，即偏差；Kc——控制器的比例增益或比例放大系數(shù)。由上式可以看出，比例控制器的輸出變化量與輸入偏差成正比，在時(shí)間上是沒有延滯的?；蛘哒f，比例控制器的輸出是與輸入一一對應(yīng)的。比例放大系數(shù)Kc是可調(diào)的。所以比例控制器實(shí)際上是一個(gè)放大系數(shù)可調(diào)的放大器。Kc愈大，在同樣的偏差輸入時(shí)，控制器的輸出愈大，因此比例控制作用愈強(qiáng)；反之，Kc值愈小，表示比例控制作用愈弱。比例控制規(guī)律積分控制規(guī)律當(dāng)控制器的輸出變化量△u與輸入偏差e的積分成比例時(shí)，就是積分控制規(guī)律（I）。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中KI——積分比例系數(shù)。積分控制作用的特性可以用階躍輸入下的輸出來說明。當(dāng)控制器的輸入偏差是一幅值為A的階躍信號(hào)時(shí)，上式就可寫為

當(dāng)積分控制器的輸入是一常數(shù)A時(shí)，輸出是一直線，其斜率為KIA，KI的大小與積分速度有關(guān)。只要偏差存在，積分控制器的輸出隨著時(shí)間不斷增大(或減小)。比例積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律（PI）是比例與積分兩種控制規(guī)律的結(jié)合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

當(dāng)輸入偏差是一幅值為A的階躍變化時(shí)，比例積分控制器的輸出是比例和積分兩部分之和?！鱱的變化開始是一階躍變化，其值為KcA（比例作用），然后隨時(shí)間逐漸上升（積分作用）。比例作用是即時(shí)的、快速的，而積分作用是緩慢的、漸變的。由于比例積分控制規(guī)律是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制，所以既具有比例控制作用及時(shí)、快速的特點(diǎn)，又具有積分控制能消除余差的性能，因此是生產(chǎn)上常用的控制規(guī)律。被控參數(shù)與控制參數(shù)的選擇被控參數(shù)的選擇控制參數(shù)的選擇被控參數(shù)的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝，水分含量與干燥溫度密切相關(guān)?？紤]到一般情況下的測量水分的儀表精度較低，故選用間接參數(shù)，即干燥的溫度為被控參數(shù)，水分與溫度一一對應(yīng)，將溫度控制在一定數(shù)值上?？刂茀?shù)的選擇經(jīng)過對裝置的分析，可知影響干燥器溫度的因素有乳液流量，旁路空氣流量，和加熱蒸汽流量。選其中任意變量都可作為控制參數(shù)，均可構(gòu)成溫度控制系統(tǒng)。但并不是每個(gè)變量都是最優(yōu)的選擇，為此我根據(jù)調(diào)節(jié)閥1、2、3的位置分別畫出了其各自的系統(tǒng)框圖，對其進(jìn)行近一步的分析一邊選取最優(yōu)的方案。對上圖進(jìn)行分析可知，乳液直接進(jìn)入干燥器，控制通道的滯后最小，對被控溫度的校正作用最靈敏，而且干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置遠(yuǎn)離被控量，所以將乳液流量作為控制參數(shù)應(yīng)該是最佳的控制方案；但是，由于乳液流量是生產(chǎn)負(fù)荷，工藝要求必須穩(wěn)定，若作為控制參數(shù)則很難滿足工藝要求。所以，將乳液流量作為控制參數(shù)的控制方案應(yīng)盡可能避免。圖2-1對上圖進(jìn)行分析可知，旁路空氣量與熱風(fēng)量混合，經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入干燥器，它與圖2-1控制方案相比，控制通道存在一定的純滯后，對干燥溫度校正作用的靈敏度雖然差一些，但可通過縮短傳輸管道的長度而減小純滯后時(shí)間。圖2-2對上圖所示的控制方案分析可知，蒸汽需經(jīng)過換熱器的熱交換，才能改變空氣溫度。由于換熱器的時(shí)間常數(shù)較大，而且該方案的控制通道既存在容量滯后又存在純滯后，因而對干燥溫度校正作用的靈敏度最差.圖2-3根據(jù)以上分析可知，選擇旁路空氣量作為控制參數(shù)的方案比較適宜。儀表的選擇測溫元件及變送器的選擇調(diào)節(jié)閥的選擇

調(diào)節(jié)器的選擇

測溫元件及變送器的選擇因被控溫度在以下，熱電阻的線性特性要優(yōu)于熱電偶，而且無需進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，使用更加方便，故選用熱電阻溫度計(jì)。由于熱電阻的三線制接法可利用電橋平衡原理較好地消除導(dǎo)線電阻的影響，所以選用三線制接法，并配用溫度變送器。調(diào)節(jié)閥的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝安全的原則，適宜選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥；根據(jù)過程特性與控制要求，宜選用對數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥。調(diào)節(jié)閥的尺寸通常用公稱直徑Dg和閥座直徑dg表示，它們的確定是合理應(yīng)用執(zhí)行器的前提條件。確定調(diào)節(jié)閥尺寸的主要依據(jù)是流通能力，它定義為調(diào)節(jié)閥全開、閥前后壓差為0.1MPa、流體重度為1g/cm3時(shí)，每小時(shí)通過閥門的流體流量（m3或kg）?？梢娏魍芰χ苯哟砹苏{(diào)節(jié)閥的容量。由流體力學(xué)理論可知，當(dāng)流體為不可壓縮時(shí)，通過調(diào)節(jié)閥的體積流量為：式中，α為流量系數(shù)，它取決于調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)形狀和流體流動(dòng)狀況，可從有關(guān)手冊查閱或由實(shí)驗(yàn)確定；A0為調(diào)節(jié)閥接管截面積；g為重力加速度；r為流體重度。依據(jù)流通能力的定義，則有：流通能力C與調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)有確定的對應(yīng)關(guān)系。這就是確定調(diào)節(jié)閥尺寸的理論依據(jù)可得流通能力與流體重度、閥前后壓差和介質(zhì)流量三者的定量關(guān)系，即調(diào)節(jié)閥尺寸的確定過程為根據(jù)通過調(diào)節(jié)閥的最大流量，r為流體重度，以及調(diào)節(jié)閥的前后壓差，先由上式求得最大的流通能力，然后選取大于最低級別的C值，即可依據(jù)下表確定出Dg和dg的大小。

調(diào)節(jié)閥流通能力C與其尺寸的關(guān)系調(diào)節(jié)器的選擇

根據(jù)過程特性與工藝要求，宜選用將比例與積分組合起來，既能控制及時(shí)，又能消除余差的比例積分控制（PI）控制規(guī)律。式中為PI調(diào)節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信號(hào)輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時(shí)產(chǎn)生的輸出變化之比。比例積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)特性溫度控制原理圖及其系統(tǒng)框圖

根據(jù)上述設(shè)計(jì)控制方案，噴霧式干燥設(shè)備控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定對與調(diào)節(jié)起的參數(shù)整定我選擇的是臨界比例度的整定放法。臨界比例度法是一種閉環(huán)整定方法。由于該方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行，不需要測試過程的動(dòng)態(tài)特性，其方法簡單、使用方便，因而獲得廣泛應(yīng)用。調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的任務(wù)是根據(jù)被控過程的特性，確定PID調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間TI以及微分時(shí)間TD的大小。在簡單過程控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)的衰減率為主要指標(biāo)，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量。另外還應(yīng)滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差、最大動(dòng)態(tài)偏差（或超調(diào)量）和過渡過程時(shí)間等其它指標(biāo)。

具體整定過程步驟如下：1).首先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，微分時(shí)間置零，比例度置為較大的數(shù)值。2).等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對設(shè)定值施加一個(gè)階躍變化，并減小直到出現(xiàn)下圖所示的等幅振蕩曲線為止。如圖六：圖六調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)曲線記錄下此時(shí)的臨界比例度和等幅振蕩周期.按圖三的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的、TI、TD如我們假設(shè)控制對象傳遞函數(shù)

因調(diào)節(jié)器選用PI，則可設(shè)。根據(jù)臨界比例度法，先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間TI置于最大，則

GC≈.此時(shí)系統(tǒng)傳函特征方程其中，為滿足等幅振蕩條件，將S=JW帶入，令實(shí)部，虛部為0解得K=6.3即=0.16.查圖七可得KC=2.84,TI=4.76

圖七模擬控制規(guī)律運(yùn)用這樣的整定方法我們就可以獲得工藝生產(chǎn)所要求的參數(shù)了，滿足過程特性和工藝要求，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。儀表型號(hào)清單序號(hào)

名稱 型號(hào)

數(shù)量

單位

1

鼓風(fēng)機(jī) EHS8310

1

臺(tái)

2

電磁閥 DN100-DN1400

3

個(gè)

3

PI調(diào)節(jié)器 JT3600