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1、喷雾式乳液干燥器的 PID 控制摘要：以喷雾式乳液干燥系统为例，简要的进行了系统的分析、设计过程，并利用simulink对不同的设计方案进行仿真及比较，根据工业生产实际选出了最佳的设计方案, 根据“经验法”对PID控制参数进行了整定，得到了较为满意的控制品质。关键词:设计仿真PID控制器参数整定1. 前言在工程实际中，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
2、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. 喷雾式乳液干燥系统生产过程概述A05恋挫图 2.1 喷雾式乳液干燥过程示意图图 2.1 喷雾式乳液干燥过程示意图，通过空气干燥器将浓缩的乳液干燥成乳粉 已浓缩的乳液由高位储槽流下，经过滤器，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接触，将乳液中的水分蒸发形成 乳粉。要求乳粉质量高，含水量波动不能太大。3. 控制方案设计3.1 被控参数选择按照生产要求，产品的质量取决于乳粉
3、水分的含量。湿度传感器的精度低、滞后大，不 易实现精确、快速的测量。而乳粉水分的含量与干燥器出口温度密切相关，且容易找到单值 对应关系。因而可选择干燥器的出口温度作为被控参数(间接)，从而实现对乳粉水分控制。3.2 控制变量选择影响干燥器出口温度的变量有乳液流量记为fl (t)、旁路空气流量记为f2 (t)、加热蒸汽量记为 f3(t) 三个因素，通过图2.1 的调节阀1、调节阀2、调节阀3 对这三个变量进行控制。选择其中之一均可得到相应的控制方案：方案1以乳液流量fl (t)为控制变量，得到控制方案方框图:图 3.2.1 方案 1 对应的方框图方案2以旁通冷分流量f2 (t)为控制变量，得到控
4、制方案方框图:图 3.2.2 方案 2 对应的方框图方案3以旁通冷分流量f2 (t)为控制变量，得到控制方案方框图:/i(/调节阀3撫交换器图 3.2.3 方案 3 对应的方框图3.3 通道分析：3.3.1. 各环节的放大系数均为 1；3.3.2. 温度测量变送器：假定温度测量变送元件的时间常数为5 秒即,Gm(S =15s +13.3.3. 干燥器：干燥温度对于乳化物流量，对于热风温度都看作是3个时间常数为8.5s, 滞后时间为2秒的对象，即干燥器特性为1G*）= （85s +1）（85； +1）（8 5 +1）93.3.4. 风管：只是一个流动通道，可近似的看作是一个滞后环节，对应于操作时
5、的热风流 速，滞后时间为3秒G(s) =e -3s3.3.5. 两个时间常数为100s的环节G(s)=1(100s + l)(100s +1)3.3.6. 混合过程：加热器热风与旁路冷风的混合过程，可以看作时间常数为100秒的环节1G（ s）=（00S+1）3.4 仿真及分析：方案 1：Simulink 仿真方案：图3.4.1方案1 simulink仿真图图3.4.2方案1 simulink仿真结果图方案 2：Simulink 仿真方案：-CKixndT-b-iJw FtailZ*ni-PallTiardpwi &ilrr1T 他 biT価出诳5|+i.ia.5|:IQDD31Dhf1Tian
6、Fir Far图3.4.3方案2 simulink仿真图图3.4. 4方案2 simulink仿真结果图方案 3：Simulink 仿真方案：Slipl1/iDDOD|；+1J1WldDDt130S-+1Tmnjer FwiTraralM Fbt图3.4.5方案3 simulink仿真图oo0aoo昌固匡尺a最進出r aTitle olfsel- 口图3.4.6方案3 simulink仿真结果图方案 1 乳液流量直接进入干燥器，控制通道短、滞后小，控制灵敏，干扰进入控制通道的位置与调节阀输入干燥器的的控制变量重合，干扰引起的动差小，控制品质好。方案2由于一阶惯性环节的时间常数T和纯滞后t,相对
7、于方案1控制通道有一定的之 后，控制变量对干燥器的反应不够灵敏干扰fl (t)影响较大，而干扰f2 (t)引起的动差小 而且平缓。方案3 由于有空气交换器，冷热空气混合延迟，风管滞后等多重因素的影响，控制通 道较前两种方案的滞后很大，控制变量对于干燥器出口温度控制作用缓慢。干扰干扰fl (t)、 干扰f2 (t)引起的动差大。综上，按控制品质来看，三种控制方案中方案1最优，方案2次之。但从工业生产的实 际(工艺和效益)考虑，方案1 并不是最好的。这是因为如果以乳液流量作为控制变量，乳 液流量不可能始终稳定在最大值，限制了系统的生产能力，对提高生产效率不利。另外，乳 液管安装调节阀容易使浓缩乳液
8、结块，甚至堵塞管道，会降低产量及产品质量。综合分析方 案2比较好。下面根据方案2进行PID参数整定。4. PID 参数整定利用衰减曲线法进行的整定：整定参数 调节规律 、PTiTdPPI1.2P0兀D0.8P0兀01Ts表 1 衰减比 4：1 时，衰减曲线法整定参数计算参考表首先将P置较大的数值，Ti=：:, Td=0第一次置的值为10,发现系统已经发散，说明P 的值过大。适度的减小，直至出现衰减震荡。如果衰减的比例大于4： 1,说明P的值过小，需适 当的增大。经过多次试探可确定最终的P值为4.201521050.800.6-1001002003004001002Q030040050015o回
9、回=BS自ft H B a IP PTime offset: 0Time oflset: 0图4.1 P=10系统响应曲线图4.2 P=4 系统响应曲线利用 workspace 的数据，可得第一个峰值为y1=1.2196, y2=0.9161, y （：） =0.8086；1-2196-D.SOSC=汀二存：二 满足条件。此时 TS=231.41-86.85=144.56S.整定参数调节规律PTiTdP4I4.872.28D3.243.36814.456表2根据P确定的PID整定参数计算表于是 PI 控制结果（图4.3）：于是 PID 控制结果（图4.4）：图4.3 PI控制器的控制结果图4.
10、4 PID控制器控制结果可见PI的控制效果并不能满足要求于是采用PID控制器(如图4.4)。以下进行干扰仿真：图4.5t=500s处加入阶跃加热蒸汽流量f3 (t) 图4.6 t=500s处加入阶跃加乳液流量fl (t)回回# O 总 P ft H B1.4| !1.2 厂、 : rv -: : 1: i 0.8 - J:-： - I :-: 0.6 -1:-1 - - I:- 二二廿二二二：I1;0 iiii02004006U08001000Time offset: 01.4i!,.1.2=:=:_;j :0.8 - J:-:-:0.6:0.4 -I:；0.2 :；:；0 ii0200400
11、6008001000ie offset: 01=3 0启 ft E 白图 4.7 t=500s 处加入阶跃 fl (t)和 f3 (t) 图 4.8 P=3.2 Ti=30 Td=75 控制结果需要说明的是由于生产的实际，我们总是希望系统的生产能力处于最大的状态，也就是 说乳液的流量fl (t)对应的阀门始终处于最大的开度状态，这样fl (t)的扰动基本上是为 零的，这样PID调节器对于生产实际已经能满足要求。综上所述，对于衰减法进行的PID参数整定，很重要的一点是如何确定P值，一旦P值 确定后，便可根据经验的表格进行计算得出相应的结果。需要说明的是上述表格得出的结果 只是一个参考值，如果整定的效果仍旧不满意可以进行相应的微调，直至满意为止。根据图 4.4 超调量较大的特点，相应的增大微分环节，配合一定的积分，可得如图4.8 比较令人满意的结果。5. 结束语PID 控制因其简单、易用而广泛应用于工业现场。本次正是以工业生产实际为标准进行 的设计。其实不难发现，控制的最后对于干扰的预制并不是太好。如果进行多级控制，在最 后的输出再增加一个负反馈回路，形成反馈回路，达到的控制效果将会更好。参考文献：王再英，淮霞，毅静. 过程控制系统与仪表. ：机械工业，2006
