喷雾式乳液干燥过程控制系统设计

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1、1.引言在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。本文以工业中的喷雾式乳液干燥系统为控制系统,利用PID进行控制。2.生产过程简介及设计要求2.1生产过程简介如图2-1所示通过气干燥器将浓缩乳液干燥成乳粉。图2-1乳液程示

2、意图阀1阀2阀3浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A和B，滤去凝结块和其它杂质后，从干燥器顶部由喷嘴喷下。空气由鼓风机送至换热器（蒸汽）加热后，再与来自鼓风机的空气混合，经风管送往干燥器，由下而上吹出，从而蒸发掉乳液中的水分，使之成为奶粉，并随湿空气一起送出进行分离。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。若温度波动±2℃，产品质量可以符合要求。112.2设计要求以乳化物的干燥过程为例来设计干燥器。由于乳化物属于胶体物质，激烈搅拌易固化，也不能用泵抽送，因而采用高位槽的办法。浓缩的乳液由高位槽流经过滤器A或

3、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。1.被控参数与控制参数的选择3.1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。3.2控制

4、参数的选择经过对图1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。选其中任意变量作为控制参数，，均可构成温度控制系统。图中用调节阀位置代表三中控制方案。其框图分别如图3-1，图3-2，图3-3所示。对其进行近一步的分析一边选取最优的方案。按图3-1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

5、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。11图3-1乳液流量为控制参数时系统框图图3-2风量为控制参数时系统框图按图3-2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311-1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。图3-3蒸汽量为控制参数时系统框图按图3-3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

6、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。1.检测仪表的选择4.1测温元件及变送器的选择因被控温度在600摄氏度以下，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。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。114.2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

7、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：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；A0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：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，即调节阀尺寸的

8、确定过程为根据通过调节阀的最大流量，r为流体重度，以及调节阀的前后压差，先由上式求得最大的流通