牛奶類乳化物干燥過程系統(tǒng)的設計

1、牛奶類乳化物干燥過程系統(tǒng)的設計1.干燥過程系統(tǒng)的總體設計1.1乳化物干燥器干燥原理根據系統(tǒng)具體指標要求，可以對每一個具體部分進行分析設計。整個控制系統(tǒng)分為硬件電路設計和軟件程序設計兩部分。圖2.1是噴霧式乳液干燥流程示意圖，通過空氣干燥器將濃縮乳液干燥成乳粉，已濃縮的乳液由高位儲槽流下，經過濾器去掉凝結快，然后從干燥器頂部噴嘴噴出。干燥空氣經熱交換器加熱、混合后，通過風管進入干燥器與乳液充分接觸，使乳液中的水分蒸發(fā)成為乳粉。成品乳粉與空氣一起送出進行分離。干燥后成品質量要求高，含水量不能波動大。圖1-1 乳化物干燥器干燥原理圖1.2被控參數與控制參數的選擇1.2.1被控參數的選擇根據生產工藝，

2、水分含量與干燥溫度密切相關。考慮到一般情況下的測量水分的儀表精度較低，故選用間接參數干燥的溫度為被控參數，水分與溫度一一對應，將溫度控制在一定數值上。1.2.2控制參數的選擇 經過對裝置的分析，可知影響干燥器溫度的因素有乳液流量 ，旁路空氣流量 ，加熱蒸汽流量 。其中任意變量都可作為控制參數，均可構成溫度控制系統(tǒng)。但并不是每個變量都是最優(yōu)的選擇，為此我根據調節(jié)閥1，2，3的位置分別畫出了其各自的系統(tǒng)框圖，對其進行近一步的分析一邊選取最優(yōu)的方案。 1.對圖1-2行分析可知，乳液直接進入干燥器，控制通道的滯后最小，對被控溫度的校正作用最靈敏，而且干擾進入系統(tǒng)的位置遠離被控量，所以將乳液流量作為控制

3、參數應該是最佳的控制方案 ;但是，由于乳液流量是生產負荷，工藝要求必須穩(wěn)定，若作為控制參數則很難滿足工藝要求。所以，將乳液流量作為控制參數的控制方案 應盡可能避免。2.1-3行分析可知，旁路空氣量與熱風量混合，經風管進入干燥器，它與圖1-1控制方案相比，控制通道存在一定的純滯后，對干燥溫度校正作用的靈敏度雖然差一些，但可通過縮短傳輸管道的長度而減小純滯后時間。3.圖1-4示的控制方案分析可知，蒸汽需經過換熱器的熱交換，才能改變空氣溫度。由于換熱器的時間常數較大，而且該方案的控制通道既存在容量滯后又存在純滯后，因而對干燥溫度校正作用的靈敏度最差。根據以上分析可知，選擇旁路空氣量作為控制參數的方案

4、比較適宜。圖1-2 乳液流量為控制參數的系統(tǒng)框圖1-3風量為控制參數的系統(tǒng)框圖圖1-4蒸汽量為控制參數的系統(tǒng)框圖2.電路及系統(tǒng)設計2.1測溫元件的選擇及a/d采樣電路溫度采集采用金屬熱電阻pt100，pt100是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。pt后的100即表示它在0時阻值為100，在100時它的阻值約為138.5。它的工業(yè)原理：當pt100在0攝氏度的時候他的阻值為100，它的的阻值會隨著溫度上升它的阻值是成勻速增漲的。電路采用pt100三線橋式式測溫電路，優(yōu)點是將pt100的兩側相等的的導線長度分別加在兩側的橋臂上，使得導線電阻得以消除，提高了測量的精度。其電路如圖3所示。 測

5、溫原理：電路采用tl431和電位器rp1調節(jié)產生4.096v的參考電源，采用r3、r4、rv2、pt100構成測量電橋，其中r3=r4=2k,rv2為精密電阻，阻值為熱電阻100時的阻值，即138.51。當溫度變化時，熱電阻的阻值改變，電橋產生一個毫伏級的壓差信號，這個信號經過lm324運算放大器的放大后輸出期望的信號，該信號經過adc0809轉換成數字量給單片機運算。差動放大電路中r5=r6=1k,r7=r8=100k,輸出電壓：。圖2-1 測溫輸入電路理論上，運放輸出的電壓為輸入壓差信號放大倍數，但實際在電路工作時測量輸出電壓與輸入壓差信號并非這樣的關系，壓差往往比理論值小很多，實際輸出信

6、號為：。a/d轉換電路采用adc0809，adc0809是一種帶有8通道模擬開關的8位逐次逼近式a/d轉換器，轉換時間為100us左右。8通道模擬開關及通道選擇邏輯，該部分的功能是實現8選1操作，本系統(tǒng)采用3通道輸入模擬信號，所以a和b接高電平，c接低電平。8位a/d轉換器對選送至輸入端的信號vi進行轉換，轉換結果d存入三態(tài)輸出鎖存緩沖器。它在start上收到一個啟動轉換命令后開始轉換，100us左右后轉換結束。轉換結束時，eoc信號由低電平變?yōu)楦唠娖?，通知cpu讀結果。啟動后，cpu可查詢方式（將轉換結束信號接至一條i/o線上）或中斷方式（eoc作為中斷請求信號引入中斷邏輯）了解a/d轉換過

7、程是否結束。 adc0809的量化單位： （2-1）轉換結果： （2-2）2.2溫度顯示電路 四位共陽數碼管顯示接口電路如圖2-2所示。 圖2-2 四位led接口電路數碼管接口接單片機p0口，控制口接三極管，三極管基極接p2.4-p2.7口，因為單片機的i/o通道有限，所以數碼管通過動態(tài)掃描法來顯示實時溫度。所謂動態(tài)，就是利用循環(huán)掃描的方式分時輪流選通各顯示器的公共極，當掃描的速度達到一定的程度時，人眼就分辨不出來，認為各顯示器同時發(fā)光。程序中由定時器100ms中斷實時刷新各位數碼管實現數據的實時更新顯示。2.3調節(jié)閥的選擇根據生產工藝安全的原則，適宜選用氣關式調節(jié)閥；根據過程特性與控制要求，

8、宜選用對數流量特性的調節(jié)閥。調節(jié)閥的尺寸選擇調節(jié)閥的尺寸通常用公稱直徑dg和閥座直徑dg表示，它們的確定是合理應用執(zhí)行器的前提條件。確定調節(jié)閥尺寸的主要依據是流通能力，它定義為調節(jié)閥全開、閥前后壓差為0.1mpa、流體重度為1g/cm3時，每小時通過閥門的流體流量（m3或kg）?？梢娏魍芰χ苯哟砹苏{節(jié)閥的容量。由流體力學理論可知，當流體為不可壓縮時，通過調節(jié)閥的體積流量為： （2-3）式中，為流量系數，它取決于調節(jié)閥的結構形狀和流體流動狀況，可從有關手冊查閱或由實驗確定；a0為調節(jié)閥接管截面積；g為重力加速度；r為流體重度。 依據流通能力的定義，則有 （2-4）流通能力c與調節(jié)閥的結構參數

9、有確定的對應關系。這就是確定調節(jié)閥尺寸的理論依據可得流通能力與流體重度、閥前后壓差和介質流量三者的定量關系，即 （2-5）調節(jié)閥尺寸的確定過程為根據通過調節(jié)閥的最大流量qmax，r流體重度 ，以及調節(jié)閥的前后壓差 ，求得最大的流通能力，然后選取大于 的最低級別的c值，即可依據表1確定出dg和dg的大小。 表1調節(jié)閥流量能力c與其尺寸的關系2.4調節(jié)器的選擇根據過程特性與工藝要求，宜選用將比例與積分組合起來，既能控制及時，又能消除余差的pi控制規(guī)律。比例積分控制（pi） （2-6）式中 稱為pi調節(jié)器的積分增益，它定義為：在階躍信號輸入下，其輸出的最大值與純比例作用時產生的輸出變化之比。其階躍響

10、應如圖2-3 圖2-3 比例積分調節(jié)器的階躍響應特性 由于選用調節(jié)閥為氣關式，故 為負；當給被控過程輸入的空氣量增加時，干燥器的溫度降低，故k0為負。；測量變送器的通常為正。為使整個系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)靜態(tài)放大系數的乘積為正，則調節(jié)器的 應為正，故選用反作用調節(jié)器。2-5溫度控制原理圖及其系統(tǒng)框圖 根據上述設計控制方案，干燥設備控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2-4圖2-4 系統(tǒng)框圖2-6調節(jié)器的參數整定對與調節(jié)起的參數整定我選擇的是臨界比例度的整定放法。臨界比例度法是一種閉環(huán)整定方法。由于該方法直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行，不需要測試過程的動態(tài)特性 ，其方法簡單、使用方便，因而獲得廣泛應用。調節(jié)器參數整定的任務是根據

11、被控過程的特性，確定pid調節(jié)器的比例度、積分時間ti以及微分時間td的大小。在簡單過程控制系統(tǒng)中，調節(jié)器的參數整定通常以系統(tǒng)瞬態(tài)響應的衰減率為主要指標，以保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量。另外還應滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差、最大動態(tài)偏差（或超調量）和過渡過程時間等其它指標。 具體整定過程步驟如下：1.首先將調節(jié)器的積分時間置于最大，微分時間置零，比例度置為較大的數值 2.等系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對設定值施加一個階躍變化，并減小直到出現下圖所示的等幅振蕩曲線為止。見圖2-4圖2-4 等幅震蕩曲線記錄下此時的臨界比例度和等幅振蕩周期 .按經驗公式計算出調節(jié)器的 、ti、td如我們假設控制對象傳遞函數 ，因調節(jié)器選用p

12、i，則可設。根據臨界比例度法，先將調節(jié)器的積分時間ti置于最大則gc.此時系統(tǒng)傳函特征方程其中，為滿足等幅振蕩條件，將s=jw帶入，令實部，虛部為0解得k=6.3即=0.16.。查表可得kc=2.84,ti=4.76 表2 pid參數整定運用這樣的整定方法我們就可以獲得工藝生產所要求的參數了，滿足過程特性和工藝要求，生產出合格的產品。3.matlab仿真 圖3-1 simulink仿真圖圖3-2 pi控制仿真結果4.小結與體會通過這次的設計使我對過程控制中所學習到的知識得到的更加深刻的認識以及鞏固，也使我在學習書本知識的同時學會了將學習到的知識應用到實際生產中，在實際生產中拓展自己的能力和自己的學習熱情。通過這次的設計也使我對控制系統(tǒng)產生了深刻的認識，在我腦海里產生了深刻影響。通過這幾天的忙碌，我學會了許多我們在課堂上面所學不到的知識和能力。在我們做課程設計的時候我們將面對許許多多的系統(tǒng)傳遞函數，微分方程，校正仿真等問題。這也就要求我們利用課上學習到的知識和自己的查閱資料的能力，綜合運用以前上課時老師教我們的分析方法去分析新的問題。還有通過這幾天的設計，我也認識到了和同學配合的重要性，在我們學習生活中，自己不可能是十全十美的，我們也不能是萬能的什么都知道，在學習生活中