理学院课程设计报告课程名称：过程控制系统课程设计项目名称：喷雾式干燥设备控制系统院系：理学院专业：自动化1401学号：姓名：苏鹏指导导师：2017年6月10日西京学院理学院制摘要本次课程设计的题目是奶粉喷雾式干燥设备控制系统设计。

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、投资高是它的缺点。

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，达到干燥的目的。

在设计中选择物料的干燥温度为被控参数，而对于控制参数的选择则是通过三种方案的比较最后选择用旁路空气量作为控制参数。

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，又能消除余差的比例积分控制（PI）控制规律。

应用临界比例度法对调节器的参数进行整定，使整个控制系统处于最优的工作状态，满足生产工艺上的要求。

关键词：PID控制；控制系统设计；单回路控制系统AbstractThe subject of this course design is the control system design of milk spray drying equipment. Among many drying equipment, spray dryer is one of the dryer which is widely used. It is a drying equipment for treating solution, suspending liquid or mud material. The most important advantage of a spray dryer is its ability to dry directly from liquid. It has its disadvantages of low thermal efficiency, large volume, low production capacity and high investment. The working principle of the spray dryer is used: spray method material sprayed droplet dispersion in hot air, and hot air and a material flow, countercurrent or mixed mode of contact with each other, so that the rapid evaporation of water, to achieve the purpose of drying. In the design, the drying temperature of the material is chosen as the controlled parameter, and the choice of control parameters is through the comparison of the three schemes. Finally, the bypass air volume is chosen as the control parameter. Finally, the critical proportion method is used to adjust the parameters of the regulator. Make the whole control system in the optimal working state, and meet the requirements of the production process.Keywords：PID control；control system design；Single loop control system目录1引言........................................................... 2干燥过程的控制系统设计.........................................2.1生产过程 (1)2.2设计要求 (2)3被控参数与控制参数的选择.......................................3.1被控参数的选择...........................................3.2控制参数的选择及方案设计 (2)4检测仪表的选择 (5)4.1测温元件及变送器的选择 (5)4.2调节阀的选择 (5)4.3调节器的选择 (6)5.调节器的参数整定 .............................................. 6仿真及分析..................................................... 7总结 (11)7.1 方案评价及改进方向 (11)7.2 收获及体会 (11)1引言为了提高在奶粉生产过程中干燥的速度、质量，提高奶粉乳液转变成品的生产效率，需要一套稳、准、快的控制系统，因为喷雾干燥设备有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，本课程设计要完成喷雾式奶粉干燥控制系统设计。

本文以工业中的奶粉喷雾干燥系统为控制系统,利用PID进行控制。

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。

2 干燥过程的控制系统设计2.1生产过程在奶粉生产过程中，干燥程序是奶粉生产的重要环节之一，喷雾干燥过程是物料由泵送至喷雾干燥器内，由雾化器将其分散为小雾滴；空气经加热送入干燥室内与料雾混合、接触；最后完成干燥过程。

喷雾式干燥过程示意图如图2-1所示。

图2-1 奶粉喷雾干燥工艺流程图奶粉喷雾干燥过程的生产工艺要求是将原料奶液用空气干燥成奶粉，首先通过管道供气设备将物料——已浓缩的奶液（由于将液体奶制造成奶粉的喷雾干燥器的能量消耗大（相当于1.7kg蒸汽，蒸发1kg水），所以常常是将奶液在引入喷雾干燥器之前进行浓缩，形成浓缩的奶液）送入干燥室；干燥空气经过过滤之后被一涡轮式风扇以告诉引入，经过空气加热器（这一加热器可以是蒸汽辐射式的，亦可以是均匀热油）将空气从室温干燥温度150-200；干燥箱有一锥形的底部，热空气通过顶部空气分配系统进入，雾化奶滴是从非常接近刚进来的热空气的位置进入，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瞬间蒸发；是奶粉干燥成颗粒，大部分都将至其底部，通过管道空气排出，干燥了的奶粉再行分离，输出产品——奶粉。

干燥后成品质量要求高，含水量波动不能过大。

2.2设计要求奶粉喷雾干燥过程的生产工艺要求是将原料奶液用空气干燥成奶粉。

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，因而采用高位槽喷雾办法。

浓缩的乳液由高位槽经过滤器，虑去凝结块和其他杂质，并从干燥器顶部由喷嘴喷下。

鼓风机将一部分空气送至空气加热器，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。

3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控制参数的选择及方案设计影响奶粉产品的产量和质量与许多因素有关，如料浆中固形物的含量、热风温度、空气流率,进入雾化器的浓缩液流等。

而产品的最终含水量与干燥机热风进口温度、加热器出口温度及干燥器内负压等参数有直接关系。

经分析可知，干燥器进口温度是控制干燥产品质量的最主要因素,因此将干燥器进口温度选作被控变量。

而影响干燥温度的因素有物料流量,空气流量和燃料变化。

系统可选择三种操作变量构成温度控制系统。

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。

方案1:如图3-1所示，将物料流量作为操纵变量，物料经泵送入干燥器，通道滞后时间最短，对干燥温度的调节作用最灵敏,并且干扰所处的位置靠近调节阀，似乎最适宜作为操作变量，但从工艺分析看，物料流量是生产负荷，需要维持稳定才能保持产量，所以它不宜作为操作变量。

图3-1操作变量为物料流量的控制系统方案2:?如图3-2所示，以旁路空气作为操作变量，旁路空气经与热风混合后，再经过风管进入干燥器，与方案1相比，它构成的调节通道时滞大，控制的灵敏度次之。

图3-2 操作变量为旁路空气的控制系统方案3：如图3-3所示，选择蒸汽流量作为操作变量，调节通道长，容量滞后大，控制的灵敏度差，所有干扰进入位置均靠近被控变量。

图3-3 操作变量为蒸汽流量的控制系统从上图可以看出各种干扰作用点的分布对控制方案的影响对方案三来说是很清楚的。

对方案二来说，因为无论是鼓风温度的变化或蒸汽压力的变化，都影响到热交换器后的热风温度，因此，物料流量干扰和旁路空气干扰作用在同一点上。

对方案一来说，无论何种干扰都是乳液量或喷雾口热风温度发生变化，因而三个干扰都作用在同一点上。

对应的控制系统框图3-4所示。

0()G s 表示干燥器，()c G s 为调节器，1x 为乳液流量或喷雾口热风温度的变化。

在方案二中，调节器作用到旁路管路，由于有管路的传递纯滞后存在，故较方案一多一个纯滞后环节3s τ=。

2x 为热交换器后热风的变化。

在方案三中，调节器调节热交换的蒸汽流量，热交换器本身为一双容积对象，因而又多了两个容积。

这里每个容积的时间常数100S T =。

3x 为送入 热交换器的蒸汽流量的变化。

图3-4 方案一调节方案框图图3-5 方案二调节方案框图图3-6 方案三调节方案框图系统的三种干扰分别为：（1）干扰1f ——乳液流量的变化；（2）干扰2f ——热交换器散热及温度变化；f——蒸汽压力的变化。