乳液干燥控制系統(tǒng)課程設(shè)計詳解

課程設(shè)計說明書PAGE11PAGE1目錄1生產(chǎn)工藝簡介及控制要求 12確定控制方案 22.1被控參數(shù)及控制參數(shù)的選擇 22.2控制系統(tǒng)流程圖及方框圖 43檢測變送儀表的選擇 54控制器的選擇 64.1控制器的特點 64.2控制器參數(shù)整定 74.3經(jīng)驗試湊法整定控制器參數(shù) 94.4控制規(guī)律的選用 105執(zhí)行器的選擇 105.1控制閥的尺寸選擇 105.2控制閥結(jié)構(gòu)與特性的選擇 125.3氣開式與氣關(guān)式的選擇 126控制器的正反作用 127總結(jié) 148參考文獻 15 1生產(chǎn)工藝簡介及控制要求圖1所示為乳化物干燥過程示意圖。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，故采用高位槽的辦法。濃縮的乳液由高位槽流經(jīng)過濾器A和B，濾去凝結(jié)快和其他雜質(zhì)后，從干燥器頂部由噴嘴噴下?？諝庥晒娘L機送至換熱器（用蒸汽加熱）加熱后，在與來自鼓風機的空氣混合，經(jīng)風管送往干燥器，由下而上吹出，從而蒸發(fā)掉乳液中的水分，使之成為奶粉，并隨濕空氣一起送出進行分離。生產(chǎn)工藝對干燥后的質(zhì)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。試驗證明，若溫度波動±2℃，則產(chǎn)品質(zhì)量可以符合要求。生產(chǎn)工藝對干燥后的產(chǎn)品質(zhì)量要求很高，水分含量不能波動太大，因而需要對干燥的溫度進行嚴格控制。圖1乳化物干燥過程示意圖2確定控制方案2.1被控參數(shù)及控制參數(shù)的選擇1）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，將溫度控制在一定數(shù)值上。2）控制參數(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)。但并不是每個變量都是最優(yōu)的選擇，為此根據(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，對其進行近一步的分析一邊選取最優(yōu)的方案。（1）首先對圖2進行分析可知，乳液直接進入干燥器，控制通道的滯后最小，對被控溫度的校正作用最靈敏，而且干擾進入系統(tǒng)的位置遠離被控量，所以將乳液流量作為控制參數(shù)應該是最佳的控制方案;但是，由于乳液流量是生產(chǎn)負荷，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)的控制方案應盡可能避免。（2）對圖3進行分析可知，旁路空氣量與熱風量混合，經(jīng)風管進入干燥器，它與圖2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間。（3）按照圖4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。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：圖2乳液流量為系統(tǒng)參數(shù)的系統(tǒng)框圖方案2以風量f2(t)為控制變量，得到如下控制方案方框圖：圖3風量為系統(tǒng)參數(shù)的系統(tǒng)框圖圖3風量為系統(tǒng)參數(shù)的系統(tǒng)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：圖4蒸汽量為系統(tǒng)參數(shù)的系統(tǒng)框圖根據(jù)以上分析可知，選擇風量作為控制參數(shù)的方案比較適宜。2.2控制系統(tǒng)流程圖及方框圖圖5控制系統(tǒng)流程圖圖6干燥設(shè)備控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖圖6干燥設(shè)備控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖圖6控制系統(tǒng)方框圖3檢測變送儀表的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，此次設(shè)計選用DDZ-III型儀表，具體選擇如下：溫度檢測儀表的種類很多.在選用時應注意每種儀表的特性和適用范圍。這是確保測量精度的第一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。儀表的選擇應遵循如下原則。(1)必須滿足生產(chǎn)工藝要求.正確選擇儀表的址程和精度，正常使用溫度范圍一般為量程的30%-90%.熱電阻適用于測址500℃以下的中、低謐度;熱電偶適用于測量500-1800℃的中、高溫度;輻射式溫度計一般適用于2000℃以上的高溫測量。(2)必須滿足使用要求。對于一些重要的測溫點，可選用白動記錄型儀表;對于一般場合只要選擇指示型儀表即可;如果要實現(xiàn)溫度自動控制，則需要配用溫度變送器。對于就地指示要求的.可選擇雙金屬溫度計;對于需要遠傳測量信號的.則可選擇熱電偶或熱電阻變送器等。(3)必須注意工作環(huán)境。為了確保儀表工作的可靠性和提高儀表的使川壽命.必須注意生產(chǎn)現(xiàn)場的使用環(huán)境.如工藝現(xiàn)場的氣體性質(zhì)(氧化性、還原性、腐蝕性等)、環(huán)境溫度等。并需要采取相應的技術(shù)措施。另外，在選用溫度檢測儀表時.除了要綜合考慮以上要求外，還要考慮介質(zhì)的性質(zhì)、信號制的要求、穩(wěn)定性等技術(shù)要求.選擇適當?shù)谋Ｗo套管、連接導線等附件。因被控溫度在600攝氏度以下，熱電阻的線性特性要優(yōu)于熱電偶，而且無需進行冷端溫度補償，使用更加方便，故選用熱電阻溫度計。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線電阻的影響，所以選用三線制接法。并配用溫度變送器。4控制器的選擇4.1控制器的特點控制器是在模擬儀表，計算機控制和集散控制系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)上以微處理器為核心，能實現(xiàn)高級過程控制的一種新型的數(shù)字控制儀1）可編程數(shù)字控制器的主要特點（1）功能豐富它具有豐富的運算和控制功能?？刂破鞯亩喾N運算和控制功能是由若干個運算模塊和控制模塊來實現(xiàn)的，他根據(jù)系統(tǒng)需要將這些模塊靈活組態(tài)，便可完成數(shù)十種運算公式和實現(xiàn)各種復雜了的控制算法。它具有良好的通訊功能?？刂破骶哂袦释ㄓ嵔涌?，可以與局部顯示操作站連接，實現(xiàn)小規(guī)模系統(tǒng)的集中監(jiān)視和操作，還可以通過與數(shù)據(jù)總線遇上位機連接，形成中、大規(guī)模的多級、分散型綜合控制系統(tǒng)?？刂破鞔蠖季哂型ｋ娀謴吞幚砉δ芘c自診斷功能，以提高控制器的在線利用率。（2）通用性強可變數(shù)字控制其采用盤裝方式和標準尺寸，輸入輸出信號采用統(tǒng)一的標準信號1~5VDC和4~20mADC，與模擬式儀表可兼容?？勺償?shù)字控制器的顯示和操作方式也沿襲模擬式儀表的人-機聯(lián)系方式，易于被人們所接受，便于推廣使用。在編程工作上采用POL語言，不需要專門的軟件知識，便于學習，易于掌握。（3）可靠性好這類控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是完全微機化的。通過硬件和軟件兩方面采取里一系列措施，可以是控制器的硬件故障率降低，軟件上可開發(fā)自診斷功能、連鎖保護功能等，因此控制器具有安全可靠性、維護方便的優(yōu)點。2）DDZ-3控制器的特點① 電器零點不是從零開始的，且不與機械零點重合，因此，不但充分利用運算放大器的線性段，而且容易識別斷電、斷線等故障；② 本信號控制的電流/電壓轉(zhuǎn)換電阻為250Ω，如果更換電阻，便可接受1：5的電流信號，例如1~5mA、10~50mA，DC信號；③ 由于聯(lián)絡(luò)信號為1~5VDC，可采用并聯(lián)信號制，因此干擾少，連接方便。由于采用了線性集成電路，給儀表帶來了如下優(yōu)點：① 由于集成運算放大器均為差分放大器，且輸入對稱性好，漂移小，儀表的穩(wěn)定性得到提高；② 由于集成運算放大器高增益的特點，因而開環(huán)放大倍數(shù)很高，這使儀表的精度得到了提高；③ 由于采用集成電路，焊點少，強度高，大大提高了儀表的可靠性。壓力控制器的選擇：根據(jù)工藝要求壓力控制器具有精確度高，靈敏度好反映快的特點故選擇DDZ-3控制器。4.2控制器參數(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)中進行，不需要測試過程的動態(tài)特性，其方法簡單、使用方便，因而獲得廣泛應用。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、積分時間TI以及微分時間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)響應的衰減率為主要指標，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量。另外還應滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差、最大動態(tài)偏差（或超調(diào)量）和過渡過程時間等其它指標。具體整定過程步驟如下：1）將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，微分時間置零，比例度置為較大的數(shù)值。2）等系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對設(shè)定值施加一個階躍變化，并減小直到出現(xiàn)下圖所示的等幅振蕩曲線為止。見下圖：圖7等幅振蕩曲線記錄下此時的臨界比例度和等幅振蕩周期.按經(jīng)驗公式計算出調(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)器的積分時間TI置于最大，則GC≈1/8K此時系統(tǒng)傳函特征方程其中，為滿足等幅振蕩條件，將S=JW帶入，令實部，虛部為0解得K=6.3即=0.16.。查表可得KC=2.84,TI=4.76運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。表1控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表1控制器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)參數(shù)δ/%Ti/minTd/min溫度20~603~100.5~3流量40~1000.1~1壓力30~700.4~3液位20~1004.3經(jīng)驗試湊法整定控制器參數(shù)先整定δ，再整定Ti，最后整定Td①比例度整定首先置積分時間至最后，微分時間為0，再將比例度由大逐漸減小，觀察由此而得的一系列控制過程曲線，查到曲線認為最佳為止。②積分時間整定把δ稍放大10%~20%，引進積分；將積分時間由大到小進行改變，使其得到比較好的控制曲線；最后在這個積分時間下再改變比力度，看控制過程曲線有無變化，如有變好，則就朝那個方向再整定比例度；若沒有變化，可將原整定比力度減小一些，改變積分時間看控制過程有否變好，這樣經(jīng)過多次的反復試湊，就可得到滿意的過程曲線。③微分時間整定然后引入微分作用，使微分時間由小而大進行變化，但增大微分時間時，可適當減小比力度和積分時間，然后對微分時間進行逐步試湊，直至最佳。再整定中，若觀察到曲線振蕩頻繁，應當增大比例度（目的是減小比例作用）以減小振蕩；曲線最大偏差大且趨于非周期時，說明比例控制作用小，應當加強，即應減小比例度。當曲線偏離設(shè)定值，長時間不回復，應減小積分時間，增強積分作用；如果曲線一直波動不止，說明振蕩嚴重，應當加長積分時間以減弱積分作用。如果曲線振蕩的頻率快，很可能是微分作用強了，應減小微分時間；如果曲線波動大而且衰減慢，說明微分作用較小，未能抑制住波動，應加長微分時間?？傊?，一面看曲線，一面分析和調(diào)整，直到滿意為止。4.4控制規(guī)律的選用①對于對象控制通道時間常數(shù)較小，負荷變化不大，工藝要求不太高，被控變量可以有余差以及一些不太重要的控制系統(tǒng)，可以用比例控制規(guī)律（P）。②對于控制通道時間常數(shù)較小，負荷變化不大，工藝變量不允許由余的系統(tǒng)差，應當選用比例積分控制規(guī)律（PI）。③由于微分作用對克服容量滯后有較好的效果，對容量滯后大的對象一般引入微分作用，構(gòu)成PD或PID控制規(guī)律。鑒于本控制系統(tǒng)為溫度流量控制控制系，故應選用PID規(guī)律。5執(zhí)行器的選擇執(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），主要特點是：結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、性能穩(wěn)定、故障率低、價格便宜、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，性能優(yōu)越得多，故應用廣泛。本控制方案選擇氣動執(zhí)行器。5.1控制閥的尺寸選擇控制閥是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件。在節(jié)流式測量原理中，已經(jīng)知道，對不可壓縮的流體，流經(jīng)控制閥的流量可寫為Q=αF0√（2（p1-p2）/ρ）式中α流量系數(shù)F0控制閥的選擇ρ流體密度Δp=p1-p2控制閥前后差壓Q流體的體積流量令C=√2αF0，帶入上式得C=Q√ρ/Δρ C稱為控制閥的流量系數(shù)，它與閥芯和閥座的結(jié)構(gòu)、閥前后的壓差、流體性質(zhì)等因素有關(guān)。因此，表達控制閥的流通能力，必須規(guī)定一定的條件。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，每小時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。由流體力學理論可知，當流體為不可壓縮時，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)形狀和流體流動狀況，可從有關(guān)手冊查閱或由實驗確定；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)有確定的對應關(guān)系。這就是確定調(diào)節(jié)閥尺寸的理論依據(jù)?？傻昧魍芰εc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qmax，r流體重度，以及調(diào)節(jié)閥的前后壓差，求得最大的流通能力，然后選取大于的最低級別的C值，即可依據(jù)表2確定出Dg和dg的大小。表2調(diào)節(jié)閥流通能力C與其尺寸的關(guān)系5.2控制閥結(jié)構(gòu)與特性的選擇控制閥的結(jié)構(gòu)形式主要根據(jù)工藝條件，如溫度、壓力及介質(zhì)的物理、化學特性（如腐蝕性、黏度性等）來選擇。例如，強腐蝕介質(zhì)可采用隔膜閥，高溫介質(zhì)可選用帶翅行散熱片的結(jié)構(gòu)形式。控制閥的結(jié)構(gòu)形式確定以后，還需確定控制閥的流量特性（即閥芯的形狀）。一般是先按控制系統(tǒng)的特點來選擇閥的希望流量特性，然后再考慮工藝配管情況來選擇相應的理想流量特性。使控制閥安裝在具體的管道系統(tǒng)中，畸變厚得工作流量特性能滿足控制系統(tǒng)對它的要求。目前使用比較多的是等百分比流量特性。5.3氣開式與氣關(guān)式的選擇氣動執(zhí)行器有氣開式與氣關(guān)式兩種形式。氣壓信號增加時閥關(guān)小，氣壓信號減小時閥開大的為氣關(guān)式；反之，為氣開式。氣動執(zhí)行器的氣開或氣關(guān)式由執(zhí)行機構(gòu)的正、反作用及控制閥的正、反作用來確定。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。6控制器的正反作用把系統(tǒng)的輸出信號直接或經(jīng)過一些環(huán)節(jié)引回到輸入端的做法叫負反饋.反饋分為正反饋和負反饋.引回到輸入端的信號是減弱輸入端的作用的，成為負反饋，用“-”表示；引回到輸入端的信號是加強輸入端的作用的，成為正反饋，用“+”表示。反饋控制系統(tǒng)的特點:該控制系統(tǒng)中的控制器是根據(jù)被控變量的測量值與設(shè)定值的偏差來進行控制的?？刂破髡醋饔玫拇_定方法有兩種：邏輯推理法和方框圖法。所謂方框圖法，就是利用控制系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的符號來確定控制正反作用的方法。環(huán)節(jié)正負號的定義是：凡是輸入增大導致輸出也增大的為“+”，反之為“-”。對于控制系統(tǒng)中的四個環(huán)節(jié)，一般只需要確定控制閥、被控對象、和控制器三個環(huán)節(jié)的符號，至于變送器，可不考慮。因為當被控變量增加時，其輸出量一般也是增加的，一般都是“+”。控制閥環(huán)節(jié)，對于氣開式，因為輸入增大，輸出也增大，所以定義為“+”；氣關(guān)式定義為“-”。選擇氣關(guān)式符號為“-”。被控對象環(huán)節(jié)，只需考慮控制通道輸出和輸入信號的關(guān)系，當操縱變量增加時，被控變量也增加的對象定義為“+”；所以被控對象為正作用方向?？刂破鳝h(huán)節(jié)，僅考慮以測量值為輸入（設(shè)定值不變）的環(huán)節(jié)，即輸入增大，輸出也增大為“+”，反之為“-”。因為還有一種情況，就是以設(shè)定值為輸入（測量值不變），此時，則正好相反，給予控制器的正反作用正好相反?？刂破鞯淖饔梅较蚴沁@樣確定的，測量值增大，其輸出亦增大，則控制器為正作用方向，Kc為“+”；反之，測量值增大，其輸出減小，控制器為反作用方向，Kc為“-”。前面三個環(huán)節(jié)的作用方向除了變送器是固定的以外，其余兩個是隨工藝和控制方案的確定而確定的，不能隨意改變。所以就希望控制器的作用方向能具有靈活性，可根據(jù)需要任意選擇和改變，從而保證系統(tǒng)為負反饋。這就是控制器一定要有正/反作用選擇功能的原因所在。控制器的作用方向要由其他幾個環(huán)節(jié)開決定?？刂崎y選擇氣關(guān)式符號為“-”，被控對象