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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，并运用siuink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PD控制参数进行了整定，得到了较为满意的控制品质。核心词：设计 仿真 PI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ID调节。当被控对象的构造和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其他技术难以采用时,系统控制器的构造和参数必须依托经验和现场调试来拟定，这时应用PI控制技术最为以便。即当我们不完全理解一种系统和被
2、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PD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,运用ID进行控制。2. 喷雾式乳液干燥系统生产过程概述图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，通过滤器,然后从干燥器顶部喷嘴喷出。干燥空气经热互换器加热、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。规定乳粉质量高，含水量波动不能太大。3. 控制方案设计1233.1 被控参数选择按照生产规定,产品的质量取决于乳粉水分的含量。湿度传感器的精度低、滞后大，不易实现精确、
3、迅速的测量。而乳粉水分的含量与干燥器出口温度密切有关,且容易找到单值相应关系。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（t)、旁路空气流量记为f2(t）、加热蒸汽量记为3（t)三个因素，通过图2.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f1(t）为控制变量,得到控制方案方框图:图32.1 方案1相应的方框图方案2 以旁通冷分流量f2（t）为控制变量，得到控制方案方框图:图322方案相应的方框图方案3以旁通冷分流量f2（t）为控制变量，得到控
4、制方案方框图:图2.3 方案3相应的方框图3.3 通道分析:1.2.3.3.1.3.2.3.3.3.3.1. 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,；3.3.3. 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85s，滞后时间为2秒的对象,即干燥器特性为;3.3.4. 风管:只是一种流动通道，可近似的看作是一种滞后环节，相应于操作时的热风流速，滞后时间为3秒3.3.5. 两个时间常数为0的环节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;3.4 仿真及分析:方案1：Simli
5、nk仿真方案：图34.1 方案1 simulik仿真图图3.4.2方案1 imlink仿真成果图方案2:Simulink仿真方案：图3.方案2 simuik仿真图图34.4 方案2 iulink仿真成果图方案：mulnk仿真方案:图3.4. 方案3smlink仿真图图.4.6 方案 siuin仿真成果图方案1乳液流量直接进入干燥器，控制通道短、滞后小，控制敏捷，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叠,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和纯滞后t,相对于方案1控制通道有一定的之后，控制变量对干燥器的反映不够敏捷干扰f1(t）影响较大,而干扰f(t)
6、引起的动差小并且平缓。方案由于有空气互换器，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f1（）、干扰2（）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并不是最佳的。这是由于如果以乳液流量作为控制变量,乳液流量不也许始终稳定在最大值，限制了系统的生产能力,对提高生产效率不利。此外,乳液管安装调节阀容易使浓缩乳液结块,甚至堵塞管道,会减少产量及产品质量。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参数整定运用衰减曲线法进行
7、的整定： 整定参数调节规律 PiTdPI1.2P.8P0.3T01S表1衰减比4：1时,衰减曲线法整定参数计算参照表一方面将P置较大的数值,i=，Td=0.第一次置的值为1，发现系统已经发散,阐明P的值过大。适度的减小,直至浮现衰减震荡。如果衰减的比例不小于:,阐明P的值过小，需合适的增大。通过多次试探可拟定最后的值为4图4.1 P=10系统响应曲线 图42 P4 系统响应曲线运用worksace的数据,可得第一种峰值为y112196，y2=0.911，y()0.80；于是 满足条件。此时TS=21.1-.85=14.6S. 整定参数调节规律 PTidP4I4.82.28D3.43.36844
8、5表2 根据P拟定的PI整定参数计算表于是PI控制成果（图4.3）： 于是ID控制成果（图4.4）：图 4.3 PI控制器的控制成果 图.4 PID控制器控制成果可见PI的控制效果并不能满足规定.于是采用PID控制器（如图4)。如下进行干扰仿真:图4.5 t=500s处加入阶跃加热蒸汽流量f3(t） 图 4.6 t=500处加入阶跃加乳液流量f1（）图 .7 t00s处加入阶跃f1（t)和f（t) 图 4. 3. Ti=30d=75控制成果需要阐明的是由于生产的实际，我们总是但愿系统的生产能力处在最大的状态，也就是说乳液的流量f1()相应的阀门始终处在最大的开度状态，这样f1(t）的扰动基本上
9、是为零的，这样PID调节器对于生产实际已经能满足规定。综上所述,对于衰减法进行的PD参数整定,很重要的一点是如何拟定P值,一旦P值拟定后,便可根据经验的表格进行计算得出相应的成果。需要阐明的是上述表格得出的成果只是一种参照值,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比较令人满意的成果。5. 结束语PID控制因其简朴、易用而广泛应用于工业现场。本次正是以工业生产实际为原则进行的设计。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，在最后的输出再增长一种负反馈回路,形成反馈回路，达到的控制效果将会更好。参照文献:王再英，刘淮霞,陈毅静. 过程控制系统与仪表. 北京：机械工业出版社，
