温度控制系统

牛奶类乳化物干燥过程系统的设计

1.干燥过程系统的总体设计

1.1乳化物干燥器干燥原理

根据系统具体指标要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。

图1-1是喷雾式乳液干燥流程示意图，通过空气干燥器将浓缩乳液干燥成乳粉，已浓缩的乳液由高位储槽流下，经过滤器去掉凝结快，然后从干燥器顶部喷嘴喷出。干燥空气经热交换器加热、混合后，通过风管进入干燥器与乳液充分接触，使乳液中的水分蒸发成为乳粉。成品乳粉与空气一起送出进行分离。干燥后成品质量要求高，含水量不能波动大。

图1-1 乳化物干燥器干燥原理图

1.2被控参数与控制参数的选择

1.2.1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。

1.2.2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

，加热蒸汽流量 。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系统框图，对其进行近一步的分析一边选取最优的方案。 1.对图1-2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。

2.1-3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，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.图1-4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。

图1-2 乳液流量为控制参数的系统框

)(1t f 2()f t 3()f t

图1-3风量为控制参数的系统框图

图1-4蒸汽量为控制参数的系统框图

2.电路及系统设计

2.1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D

g 和阀座直径d

g

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（m3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：

（2-3）

式中，α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

（2-4）

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

（2-5）

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m ax C ，然后选取大于 m ax C

的最低级别的C 值，即可依据表1确定出D g 和d g 的大小。

表1调节阀流量能力C 与其尺寸的关系

2.2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 ）

(335)

V

r C q p

=-∆0

122()V g

q A p p r α=-g A C 20α=

s T K s

T K s G I I I C C 1111)(+

+

⨯

= （2-6）

式中 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2-3

图2-3 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

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 K

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 K 应为正，故选用反作用调节器。

2.3．温度控制原理图及其系统框图

根据上述设计控制方案，干燥设备控制系统的系统框图如图2-4

图2-4 系统框图

2.4．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

I K v K

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

δ、积分时间T I 以及微分时间T D 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9.0~75.0=ψ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δ直到出现下图所示的等幅振荡曲线为止。见图2-4

图2-4 等幅震荡曲线

记录下此时的临界比例度K δ和等幅振荡周期 K T .按经验公式计算出调节器的

δ、T I 、T D

如我们假设控制对象传递函数 ，1)(,1

101

)(m =+=S G S S G V 因调节器选用PI ，则可设S

T S T G I I C 1

81+=

。

根据临界比例度法，先将调节器的积分时间T I 置于最大

则G C ≈K =81

.此时系统传函

K

S S S S K G GG G GG G S W V C V C 102255220)

110(1)(23m +++++=+=

特征方程010*******)(23=++++=K S S S S D

其中，δ

1

=K 为满足等幅振荡条件，将S=JW 带入，令实部，虚部为0

)12)(2(10

)(++=

S S S G o