1、过程控制仪表课程设计报告题 目：牛奶喷雾式液体干燥控制系统设计1 概述1.1 设计目的：为提高牛奶液体干燥的速度，质量，提高牛奶液体转变为成品的生产效率，需要一套稳，准， 快的控制系统1.2 具体任务：本次课程设计主要是针对温度，通风量，液位流量等控制系统进行动态性能和稳态误差分析，看是否达到一定的性能指标的要求，如若不能达到要求则必须对系统进行校正，利用适合的参数整定，使系统达到稳准快1.3 牛奶喷雾式生产的意义：在众多的干燥设备中，喷雾干燥器是应用较广的干燥器之一，是处理溶液、悬浮液或泥浆状物料的干燥设备。能从液体直接干燥成粉体，这是喷雾干燥器的最大优点；热效率低、体积庞大、生产能力低、投
2、资高是它的缺点。喷雾干燥设备因其可直接由溶液或悬浮体制得成分均匀的粉状产品的特殊优点，所以我选择了喷雾式干燥设备来进行控制系统设计。2. 牛奶喷雾式生产过程介绍：2.1 国内外现状： 喷雾干燥加工中，其原理是 (使奶变成细小的雾状小滴)将奶引入空气温度至少 150的热气气流，经常超过 200。由于雾化使奶滴形成极大的表面，便可使奶滴表面在热气流中非常迅速地蒸发掉水分，这些奶滴几乎就在瞬间之内便于为温度很底的奶粉。在实际生产当中，喷雾方法分两大类：即将奶雾化或引入干燥箱。奶既可以通过一速度达 15 000 转 /分钟的快速转盘的离心力进行雾化，亦可通过特殊设计有许多小孔的喷嘴和一个开缝或螺旋插头
3、产生的旋转动作形成雾化。奶在高压下进入喷嘴。这样，在离心喷雾干燥器与压力喷雾干燥器之间便有了明显的差别。喷雾干燥设备和工艺 (1)一管道供气设备。通过这一设备干燥空气进入干燥室。干燥空气经过过滤之后，被一涡轮式风扇以高速引入，经过空气加热器，这一加热器可以是蒸气辐射式的，亦可以是均匀热油循环加热器，将空气从室温加热至干燥温度。(2)一个巨大的，通常是立式干燥箱有一维形的底部。热空气一般是通过顶部空气分配系统进入的，雾化奶滴是从非常接近刚进来的热空气的位置进入的，热空气立即与雾化奶滴相接触，这样，迅速的混合可立即使水分蒸发。(3)管道空气排出线。通过这一排出线，在干燥室内使用过的空气由一排出风扇
4、排出去。从干燥室中抽出的空气由于奶中水分的蒸发而降低了温度，并且其中也要带上 1020%的奶粉产品，这些都是混合于气流之中的更细的颗碎。在使用过的空气从该系统中抽出之前，要经过一系列的旋风分离器，回收混入的奶粉，使其混合颗粒小于 10 微米(要依旋风分离器的设计和效率而定)。也许还有一些附加系统，如过滤袋或湿式洗涤器，使奶粉的回收可提高到 99.8%。(4)在设计适宜的干燥箱中，大部分的奶粉( 约 80%)都降至其底部，在这里奶粉被不断取走，通常是用气压的方法送至储存斗或料仓，在这里也许就由连续系统打包装了。从排出空气旋风分离下来的奶粉被直接送入从干燥箱底部运出的奶粉之中。由于将液体奶制造成奶
5、粉的喷雾干燥器的能量消耗大(相当于 1.7 公斤蒸汽，蒸发 1 公斤水)，所以常常是将液体奶在引入喷雾干燥器之前进行浓缩，通常一半左右的水首先从液体奶中被蒸发出去，生成浓缩奶。蒸发工序在一多级真空蒸发器中进行。奶通过分配器进入灌发器的第一级管状加热体，以高速落下，形成一层薄膜，在加热体的管道中落下。奶和蒸汽从加热体进入相连的分离器，在这里蒸汽被排出，浓缩奶进入下一系列的加热器和不断抽真空的分离室，用这种方式浓缩是有一定限度的。通常是由浓缩乳液因失去水分而不断增加的粘度决定的。粘度的增加与液体中总固形物的增加成指数关系。所以大约 50%的总固形物的热交换率放慢了，水的蒸发也更为缓慢。一个蒸发器的
6、能量消耗大约相当于 0.25 公斤蒸汽蒸发 1 公斤水。2.2 生产过程：喷雾干燥器的工作原理是：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、逆流或混流的方式互相接触，使水分迅速蒸发，达到干燥目的。3. 牛奶喷雾式液体干燥生产设备及控制要求：以牛奶的干燥过程为例来设计干燥器。由于牛奶属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。浓缩的牛奶由高位槽流经过滤器 A 或 B，虑去凝结块和其他杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷下。有鼓风机将一部分空气送至换热器，用蒸汽进行加热，并将与来自鼓风机的另一部分空气混合，经风管送往干燥器，由下而上吹，以便蒸发掉乳液中的水分，使
7、之成为 粉状物，并随湿空气一起由底部送出进行分离。生产工艺对干燥后的产品质量要求很高，水分含量不能波动太大，因而需要对干燥的温度进行严格控制。4. 牛奶喷雾式液体干燥控制系统设计4.1 方案论证1. 被控参数与控制参数的选择 1）被控参数的选择 根据生产工艺，水分含量与干燥温度密切相关。考虑到一般情况下的测量水分的仪表精度较低，故选用间接参数，即干燥的温度为被控参数，水分与温度一一对应，将温度控制在一定数值上。2）控制参数的选择经过对装置的分析，可知影响干燥器温度的因素有乳液流量 ，旁路空气流量 ，和加热蒸汽流量 。选其中任意变量都可作为控制参数，均可构成温度控制系统。但并不是每个变量都是最优
8、的选择，为此我根据调节阀 1，2，3 的位置分别画出了其各自的)(1tf2()ft3()ft系统框图，对其进行近一步的分析一边选取最优的方案。 1. 首先对图 1-1 进行分析可知，乳液直接进入干燥器，控制通道的滞后最小，对被控温度的校正作用最灵敏，而且干扰进入系统的位置远离被控量，所以将乳液流量作为控制参数应该是最佳的控制方案 ;但是，由于乳液流量是生产负荷，工艺要求必须稳定，若作为控制参数则很难满足工艺要求。所以，将乳液流量作为控制参数的控制方案 应尽可能避免。2. 对图 1-2 进行分析可知，旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，它与图 1-1控制方案相比，控制通道存在一定的纯滞后，
9、对干燥温度校正作用的灵敏度虽然差一些，但可通过缩短传输管道的长度而减小纯滞后时间。3. 按照图 1-3 所示的控制方案分析可知，蒸汽需经过换热器的热交换，才能改变空气温度。由于换热器的时间常数较大，而且该方案的控制通道既存在容量滞后又存在纯滞后，因而对干燥温度校正作用的灵敏度最差。根据以上分析可知，选择旁路空气量作为控制参数的方案比较适宜。：4.2 硬件设计和控制算法1 仪表的选择根据生产工艺要求，此次设计选用 DDZ-III 型仪表，具体选择如下：1）测温元件及变送器的选择因被控温度在 600C 以下，热电阻的线性特性要优于热电偶，而且无需进行冷端温度补偿，使用更加方便，故选用热电阻温度计。
10、由于热电阻的三线制接法可利用电桥平衡原理较好地消除导线电阻的影响，所以选用三线制接法。并配用温度变送器。2）调节阀的选择 根据生产工艺安全的原则，适宜选用气关式调节阀；根据过程特性与控制要求，宜选用对数流量特性的调节阀。调节阀的尺寸选择调节阀的尺寸通常用公称直径 Dg 和阀座直径 dg 表示，它们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀尺寸的主要依据是流通能力，它定义为调节阀全开、阀前后压差为 0.1MPa、流体重度为 1g/cm3 时，每小时通过阀门的流体流量（m 3 或 kg） 。可见流通能力直接代表了调节阀的容量。由流体力学理论可知，当流体为不可压缩时，通过调节阀的体积流量为： 01
11、2()VgqApr式中， 为流量系数，它取决于调节阀的结构形状和流体流动状况，可从有关手册查阅或由实验确定；A 0为调节阀接管截面积； g 为重力加速度； r 为流体重度。 依据流通能力的定义，则有 AC20流通能力 C 与调节阀的结构参数有确定的对应关系。这就是确定调节阀尺寸的理论依据可得流通能力与流体重度、阀前后压差和介质流量三者的定量关系，即 (35)Vrqp调节阀尺寸的确定过程为根据通过调节阀的最大流量 qmax，r 流体重度 ，以及调节阀的前后压差 p，求得最大的流通能力 maxC，然后选取大于 maxC的最低级别的 C 值，即可依据表 32 确定出 Dg 和 dg 的大小。 表 3
12、-2 调节阀流通能力 C 与其尺寸的关系 3）调节器的选择 根据过程特性与工艺要求，宜选用将比例与积分组合起来，既能控制及时，又能消除余差的 PI 控制规律。比例积分控制（PI） sTKsGIIC1)(式中 I称为 PI 调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。其阶跃响应如图图 比例积分调节器的阶跃响应特性 由于选用调节阀为气关式，故 vK为负；当给被控过程输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故 K0 为负。 ；测量变送器的 m通常为正。为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，则调节器的 c应为正，故选用反作用调节器。 3温度控制原理
13、图及其系统框图 根据上述设计控制方案，牛奶喷雾式干燥设备控制系统的系统框图如下4调节器的参数整定对与调节起的参数整定我选择的是临界比例度的整定放法。临界比例度法是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性 ，其方法简单、使用方便，因而获得广泛应用。调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定 PID 调节器的比例度 、积分时间 TI 以及微分时间 TD 的大小。在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率 9.075.为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量。另外还应满足系统稳态误差、最大动态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。 具体
14、整定过程步骤如下：1.首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值 2.等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小 直到出现下图所示的等幅振荡曲线为止。见图几-几记录下此时的临界比例度 K和等幅振荡周期 KT.按经验公式计算出调节器的 、T I、T D如我们假设控制对象传递函数 ，)12(0)(SSG1)(,10)(mSGV因调节器选用 PI，则可设 。TIC81根据临界比例度法，先将调节器的积分时间 TI 置于最大，则 GC .此时系统传函K81 KSSSWV 102520)()( 23m特征方程 53 D其中， 为满足等幅振荡条件，将 S=JW 带入，令实部，
15、虚部为 01K解得 K=6.3 即 =0.16. 。6.52nWTK查表可得 KC=2.84,TI=4.76运用这样的整定方法我们就可以获得工艺生产所要求的参数了，满足过程特性和工艺要求，生产出合格的产品。5. 总 结 5.1 方案评价及改进方向：本系统能将牛奶液体的干燥温度进行严格控制，并且有较快的抗干扰能力减小纯滞后时间。改进主要针对对成品温度的控制的灵敏度的提高 5.2 收获及体会 ：通过这次的设计使我对过程控制中所学习到的知识得到的更加深刻的认识以及巩固，也使我在学习书本知识的同时学会了将学习到的知识应用到实际生产中，在实际生产中拓展自己的能力和自己的学习热情。通过这次的设计也使我对控
16、制系统产生了深刻的认识，在我脑海里产生了深刻影响。通过这几天的忙碌，我学会了许多我们在课堂上面所学不到的知识和能力。在我们做课程设计的时候我们将面对许许多多的系统传递函数，微分方程，校正仿真等问题。这也就要求我们利用课上学习到的知识和自己的查阅资料的能力，综合运用以前上课时老师教我们的分析方法去分析新的问题。还有通过这几天的设计，我也认识到了和同学配合的重要性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美的，我们也不能是万能的什么都知道，在学习生活中团队配合才是重要的。在这次的课程设计中也是得到了很多同学的帮助才能够使我快速准确的完成了这次的设计。6.参考文献 1 过程控制，金以慧.北京：清华大学出版社，1993.4: 103-118 2 何衍庆.工业生产过程控制.北京：化学工业出版社，2004.3：77-88 3 翁维勤.过程控制系统及工程. 北京：化学工业出版社，2002.7：42-62 4 THSA-1 过控综合自动化控制系统实验平台实验指导书 5 过程控制，金以慧.北京：清华大学出版社，1993.4: 205-209
