過程儀表課程設計噴霧式干燥設備控制系統(tǒng)主講：主要內(nèi)容系統(tǒng)簡介設計概述設計方案及儀表選型儀表型號清單系統(tǒng)簡介本次課程設計的題目是噴霧式干燥設備控制系統(tǒng)設計。在眾多的干燥設備中，噴霧干燥器是應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；熱效率低、體積龐大、生產(chǎn)能力低、投資高是它的缺點。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)，達到干燥的目的。

在設計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和溫度傳感器。根據(jù)調節(jié)閥流通能力C又確定了調節(jié)閥的尺寸。調節(jié)器則選擇了既能控制及時，又能消除余差的PI控制規(guī)律。最后運用了臨界比例度法對調節(jié)器的參數(shù)進行整定。使整個控制系統(tǒng)處于最優(yōu)的工作狀態(tài)，滿足生產(chǎn)工藝上的要求。設計概述以乳化物的干燥過程為例來設計干燥器。由于乳化物屬于膠體物質，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，慮去凝結塊和其他雜質，并從干燥器頂部由噴嘴噴下。有鼓風機將一部分空氣送至換熱器，用蒸汽進行加熱，并將與來自鼓風機的另一部分空氣混合，經(jīng)風管送往干燥器，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行分離。生產(chǎn)工藝對干燥后的產(chǎn)品質量要求很高，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。乳化物的干燥過程設計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，在時間上是沒有延滯的。或者說，比例控制器的輸出是與輸入一一對應的。比例放大系數(shù)Kc是可調的。所以比例控制器實際上是一個放大系數(shù)可調的放大器。Kc愈大，在同樣的偏差輸入時，控制器的輸出愈大，因此比例控制作用愈強；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)律當控制器的輸出變化量△u與輸入偏差e的積分成比例時，就是積分控制規(guī)律（I）。其數(shù)學表達式為：

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。當控制器的輸入偏差是一幅值為A的階躍信號時，上式就可寫為

當積分控制器的輸入是一常數(shù)A時，輸出是一直線，其斜率為KIA，KI的大小與積分速度有關。只要偏差存在，積分控制器的輸出隨著時間不斷增大(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)律的結合，其數(shù)學表達式為

當輸入偏差是一幅值為A的階躍變化時，比例積分控制器的輸出是比例和積分兩部分之和。△u的變化開始是一階躍變化，其值為KcA（比例作用），然后隨時間逐漸上升（積分作用）。比例作用是即時的、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上加上積分控制，所以既具有比例控制作用及時、快速的特點，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。考慮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。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，為此我根據(jù)調節(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。對上圖進行分析可知，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。圖2-1對上圖進行分析可知，旁路空氣量與熱風量混合，經(jīng)風管進入干燥器，它與圖2-1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節(jié)閥的選擇

調節(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。調節(jié)閥的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝安全的原則，適宜選用氣關式調節(jié)閥；根據(jù)過程特性與控制要求，宜選用對數(shù)流量特性的調節(jié)閥。調節(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。確定調節(jié)閥尺寸的主要依據(jù)是流通能力，它定義為調節(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）。可見流通能力直接代表了調節(jié)閥的容量。由流體力學理論可知，當流體為不可壓縮時，通過調節(jié)閥的體積流量為：式中，α為流量系數(shù)，它取決于調節(jié)閥的結構形狀和流體流動狀況，可從有關手冊查閱或由實驗確定；A0為調節(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與調節(jié)閥的結構參數(shù)有確定的對應關系。這就是確定調節(jié)閥尺寸的理論依據(jù)可得流通能力與流體重度、閥前后壓差和介質流量三者的定量關系，即調節(jié)閥尺寸的確定過程為根據(jù)通過調節(jié)閥的最大流量，r為流體重度，以及調節(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。

調節(jié)閥流通能力C與其尺寸的關系調節(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，又能消除余差的比例積分控制（PI）控制規(guī)律。式中為PI調節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信號輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時產(chǎn)生的輸出變化之比。比例積分調節(jié)器的階躍響應特性溫度控制原理圖及其系統(tǒng)框圖

根據(jù)上述設計控制方案，噴霧式干燥設備控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下調節(jié)器的參數(shù)整定對與調節(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。調節(jié)器參數(shù)整定的任務是根據(jù)被控過程的特性，確定PID調節(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（或超調量）和過渡過程時間等其它指標。

具體整定過程步驟如下：1).首先將調節(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。如圖六：圖六調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)曲線記錄下此時的臨界比例度和等幅振蕩周期.按圖三的經(jīng)驗公式計算出調節(jié)器的、TI、TD如我們假設控制對象傳遞函數(shù)

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

GC≈.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.查圖七可得KC=2.84,TI=4.76

圖七模擬控制規(guī)律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。儀表型號清單序號

名稱 型號

數(shù)量

單位

1

鼓風機 EHS8310

1

臺

2

電磁閥 DN100-DN1400

3

個

3

PI調節(jié)器 JT3600