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1、课程设计说明书课题名称 CaCo3干燥过程控制系统设计学院(部) 专 业 班 级 学生姓名 学 号 月 日至 月 日共 周指导教师(签字) 年 月 日目录1CaCo3干燥过程控制系统简介21.1喷雾干燥的过程22 CaCo3干燥过程控制系统的控制原理23被控参数与控制参数的选择33.1被控参数的选择33.2控制参数的选择44仪表选择及参数整定64.1仪表的选择64.1.1测温元件及变送器的选择74.1.2调节阀的选择84.1.3调节器的选择94.2温度控制系统框图104.3调节器的参数整定114.4方案评价及改进方向125心得体会13参考文献131. CaCo3干燥过程控制系统简介1.1喷雾干
2、燥的过程喷雾干燥包括浓缩物料微粒加热、表面水分汽化、微粒内部水分向表面扩散以及对干物料的加热。干燥过程可分为以下三个阶段。 预热阶段。 浓缩物料的微粒与干燥介质接触的瞬间，干燥过程便开始进行，微粒表面的水分即开始汽化。微粒表面的温度如低于干燥介质的湿球温度，则干燥介质供给的热量使微粒表面迅速达到湿球温度；如微粒表面的温度高于干燥介质的湿球温度，则其表面温度因水分蒸发而迅速下降，直至达到汽化所需热量平衡，此时预热阶段结束，干燥速度迅速增大，进入恒速干燥阶段。 恒速干燥阶段。 在恒速干燥阶段，微粒内部的水分不断向表面扩散，表面水分不断汽化，水蒸气分压等于水的饱和蒸汽压，微粒表面温度等于干燥介质的湿
3、球温度（一般为5060）。干燥速度取决于干燥介质的温度、湿度、气流状况。干燥介质温度与微粒表面湿球温度间温差越大、湿度越低，微粒在干燥介质中的分散性越好，干燥速度越大。恒速干燥阶段约0.010.04s内完成。 降速干燥阶段。 当微粒内部水分扩散速度降至低于颗粒表面的蒸发速度，恒速干燥阶段即告结束，降速干燥阶段开始。在降速干燥阶段，物料颗粒温度将逐步超出干燥介质的湿球温度，并逐步接近干燥介质温度，干物料的水分含量也接近或等于该干燥介质状态的平衡水分。此阶段的干燥时间较恒速干燥阶段长，为1030s或更长。2.CaCo3干燥过程控制系统的控制原理 如图是CaCo3干燥过程工艺流程示意图。生产目的是将
4、浓缩的CaCo3溶液用热空气干燥成CaCo3粉状产品。1进料调节阀 2加压空气调节阀 3蒸汽调节阀 4旁路空气调节阀 5干燥器 6冷凝罐图中，CaCo3溶液来自干燥器底部的原料管道，在干燥器入口前与加压空气混合，然后经喷嘴以雾化形式喷干燥器内。另一路空气由鼓风机送入热交换器，通过蒸汽加热。热空气与旁路管道直接送来的空气混合后，经送风管道进入干燥器；在加热空气的作用下，CaCo3溶液中的水分被蒸发，成为产品，并随干燥器内空气一起送出。在生产过程中，要求干燥后的CaCo3粉含水量不能波动太大，否则将影响产品质量。系统中的主要干扰有：热蒸汽压力(流量)、加压空气压力(流量)、原料流量等。主要参数1、
5、干燥器工作温度：280102、热空气入口温度范围：320103、热蒸汽温度：360154、蒸汽加热器冷凝水温度：15085、加压空气压力：26 Mpa0.5 Mpa3被控参数与控制参数的选择 3.1被控参数的选择 即被控变量，在自动控制系统中，一般指被控制的设备或过程为对象，如反应器、精馏设备的控制，或传热过程、燃烧过程的控制等。从定量分析和设计角度，控制对象只是被控设备或过程中影响对象输入、输出参数的部分因素，并不是设备的全部。被控参数必须有足够大的灵敏度，容易被测量。选择被控参数时，必须考虑工艺合理性。被控参数的选择是与生产工艺密切相关的，而影响一个生产过程正常操作的因素是很多的，但并非所
6、有影响因素都要加以自动控制。所以，必须深入实际，调查研究，分析工艺，找出影响生产的关键变量作为被控变量。所谓“关键”变量，是指这样一些变量：它们对产品的产量、质量以及安全具有决定性的作用，而人工操作又难以满足要求的；或者人工操作虽然可以满足要求，但是，这种操作是既紧张而又频繁的。根据被控变量与生产过程的关系，可分为两种类型的控制型式：直接指标控制与间接指标控制。如果被控变量本身就是需要控制的工艺指标（温度、压力、流量、液位、成分等），则称为直接指标控制；如果工艺是按质量指标进行操作的，照理应以产品质量作为被控变量进行控制，但有时缺乏各种合适的获取质量信号的检测手段，或虽能检测，但信号很微弱或滞
7、后很大，这时可选取与直接质量指标有单值对应关系而反应又快的另一变量，如温度、压力等作为间接控制指标，进行间接指标控制。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控制参数的选择在选定被控变量之后，要进一步确定控制系统的调节变量或操纵变量，即控制参数。实际上，被控变量与调节变量是放在一起综合考虑的。应对工艺进行分析，找出所有影响被控参数的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。在诸多影响被控参数的因素中选择一个对被控参数影响显著且便于控制的参数，作为控制参数，
8、其它未被选中的因素则视为系统的干扰。控制参数的选取应遵循下列原则： （l）调节变量必须是工艺上允许调节的变量。 （2）调节变量应该是系统中所有输入变量中对被控变量影响最大的一个。调节通道的放大系数K要尽量大一些，时间常数T适当小些，滞后时间尽量小。 （3）不宜选择代表生产负荷的变量作为调节变量，以免引起产量波动。经过对CaCo3干燥过程控制系统的分析，可知影响干燥温度的因素有浓缩的CaCo3溶液，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。但并不是每个变量都是最优的选择，为此我根据图2-1所示的系统中调节阀1，2，3的位置分别画出了其各自的系统框图，对其
9、进行近一步的分析一边选取最优的方案。x(t)f1(t)混合过程风管测量变送调节器调节阀干燥器干燥器风管换热器干燥器f2(t)y(t)3-1 以浓缩的CaCo3溶液流量作控制参数的控制系统图3-1是选择浓缩的CaCo3溶液流量作为控制参数的控制系统，对其分析可知，浓缩的CaCo3溶液直接进入干燥器，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，所以将浓缩的CaCo3溶液流量作为控制参数应该是最佳的控制方案；但是，由于浓缩的CaCo3溶液流量是生产负荷，工艺要求必须稳定，若作为控制参数则很难满足工艺要求。所以，将浓缩的CaCo3溶液流量作为控制参数的控制方案应尽
10、可能避免。y(t)x(t)f1(t)测量变送干燥器干燥器风管换热器干燥器f3(t)调节器调节阀混合过程风管图3-2 以旁路空气量作控制参数的控制系统图3-2是选择旁路空气量作为控制参数的控制系统，对其分析可知，旁路空气量与热风量混合，经风管进入干燥器，它与图3-1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。y(t)x(t)f1(t)测量变送干燥器干燥器风管测量过程干燥器f2(t)调节器调节阀换热器风管图3-3 以旁路空气量作控制参数的控制系统图3-3是选择蒸汽流量作为控制参数的控制系统，对其分析可知，蒸汽需经过换热器
11、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，如图2-1所示安装温度测量变送器和温度调节器。4仪表选择及参数整定4.1仪表的选择根据生产工艺要求，此次设计选用DDZ-III型仪表。DDZ-III型仪表与DDZ-II型仪表相比具有以下优点：1、采用线性集成电路。2、采用国际标准信号制，现场传输信号为420ADC，控制室联络信号为15VDC，信号电流与电压转换成电阻为250欧姆。3、集中统一供电，由电源箱供给各单元24V直流电源，并备有蓄电池作为备
12、用电源。4、结构合理，功能多样。5、可构成安全火花型防爆系统。DDZIII型仪表信号制与传输方式如图4-1所示。 现场变送器现场执行装置24V.DC控制器R=25015V.DC420mA.DC420mA.DC现场控制室图4-1 型仪表的信号传输方式DDZIII型仪表的主要技术性能基本误差为0.5%，变差不超过基本误差允许值的二分这一；供电电压为24V.DC10%，当电源电压在此范围内变化时，仪表的附加误差不超过基本误差允许值；使用环境温度，控制室仪表为050，现场安装仪表为-40+82；使用环境湿度，控制室仪表小于85%，现场安装仪表小于95%；环境振动影响，当振动频率为25Hz，控制室仪表在
13、振幅不大于0.2mm，现场安装仪表在振幅不大于0.5mm时，仪表的附加误差均不超过基本误差的允许值；长期运行漂移，仪表通电四小时后，连续运行七天，其附加误差不超过基本误差允许值；防爆等级可达到iaCT6。4.1.1测温元件及变送器的选择因被控温度在600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。因为二线制适用于测量精度较低的场合，三线制则适用于测量精度较高的场合。由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此二线制只适用于测量精度较低的场合。此次设计不宜用二线制法。采用三线制是为了消除连接导线电阻引起的测量误差，因
14、为测量热电阻的电路一般是不平衡电桥。热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线（从热电阻到中控室）也成为桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差 。所以选用三线制接法。并配用温度变送器。4.1.2调节阀的选择 气动调节阀在气压信号中断后阀门会复位。无压力信号时阀全开，随着信号增大，阀门逐渐关小的称为气关式。反之，无压力信号时阀全闭，随着信号增大，阀门逐渐开大称的为气开式。阀门气开气关式的选择原则：当控制信号中断时，阀门的复位位置能使工艺设备
15、处于安全状态。所以根据生产工艺安全和阀门选择的原则，适宜选用气动气关式调节阀。调节阀流量特性的选择，保证控制品质的重要因素之一是：保持控制系统的总放大倍数在工作范围内尽可能恒定。所以根据过程特性与控制要求，宜选用对数流量特性的调节阀，这种阀门在小开度时，放大系数小，工作得缓和平稳，在大开度时，放大系数大，工作得灵敏有效。为保证工艺的正常进行，必须合理选择调节阀的尺寸。如果调节阀的口径选得太大，使阀门经常工作在小开度位置，造成调节质量不好。如果口径选得太小，阀门完全打开也不能满足最大流量的需要，就难以保证生产的正常进行。 对于调节阀的尺寸选择，调节阀的尺寸通常用公称直径Dg和阀座直径dg表示，它
16、们的确定是合理应用执行器的前提条件。确定调节阀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： （4-1）式中，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 （4-2） 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
17、三者的定量关系，即 （4-3）调节阀尺寸的确定过程为根据通过调节阀的最大流量Qmax，r流体重度，以及调节阀的前后压差 ，求得最大的流通能力，然后选取大于 的最低级别的C值，即可查调节阀技术手册确定出Dg和dg的大小。 4.1.3调节器的选择 所谓控制规律是指控制器的输出信号与输入偏差信号之间的关系。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PI控制规律。比例积分控制（PI） （4-4）式中称为PI调节器的积分增益，它定义为：在阶跃信号输入下，其输出的最大值与纯比例作用时产生的输出变化之比。其阶跃响应如图4-2所示。 图4-2比例积分调节器的阶跃响应特性由
18、于选用调节阀为气关式，故为负；当给被控过程输入的空气量增加时，干燥器的温度降低，故为负。；测量变送器的通常为正。为使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，则调节器的应为正，故选用反作用调节器。 4.2温度控制系统框图 根据上述设计控制方案，牛奶喷雾式干燥设备控制系统的系统框图如图4-3所示。 图4-3 温度控制系统框图4.3调节器的参数整定对与调节起的参数整定我选择的是临界比例度的整定放法。临界比例度法是一种闭环整定方法。由于该方法直接在闭环系统中进行，不需要测试过程的动态特性 ，其方法简单、使用方便，因而获得广泛应用。调节器参数整定的任务是根据被控过程的特性，确定PID调节器的比例度、积分
19、时间TI以及微分时间TD的大小。在简单过程控制系统中，调节器的参数整定通常以系统瞬态响应的衰减率为主要指标，以保证系统具有一定的稳定裕量。另外还应满足系统稳态误差、最大动态偏差（或超调量）和过渡过程时间等其它指标。 具体整定过程步骤如下：1）首先将调节器的积分时间置于最大，微分时间置零，比例度置为较大的数值 2）等系统运行稳定后，对设定值施加一个阶跃变化，并减小直到出现图4-4所示的等幅振荡曲线为止。图4-4系统等幅振荡曲线记录下此时的临界比例度和等幅振荡周期 .按经验公式计算出调节器的、TI、TD如我们假设控制对象传递函数，因调节器选用PI，则可设。根据临界比例度法，先将调节器的积分时间TI
20、置于最大，则GC1/8=K，此时系统传函数为 （4-5）特征方程其中，为满足等幅振荡条件，将S=JW带入，令实部，虚部为0解得K=6.3即=0.16.。查表可得KC=2.84，TI=4.76表4-1 调节器参数整定规律 整定参数调节规律PPIPID运用这样的整定方法我们就可以获得工艺生产所要求的参数了，满足过程特性和工艺要求，生产出合格的产品。4.4方案评价及改进方向本系统能将浓缩的CaCo3溶液的干燥温度进行严格控制，并且有较快的抗干扰能力减小纯滞后时间。改进主要针对对成品温度的控制的灵敏度的提高。 5心得体会通过这次的设计使我对过程控制中所学习到的知识得到的更加深刻的认识以及巩固，也使我在
21、学习书本知识的同时学会了将学习到的知识应用到实际生产中，在实际生产中拓展自己的能力和自己的学习热情。通过这次的设计也使我对控制系统产生了深刻的认识，在我脑海里产生了深刻影响。通过这几天的忙碌，我学会了许多我们在课堂上面所学不到的知识和能力。在我们做课程设计的时候我们将面对许许多多的系统传递函数，微分方程及系统执行元件的选择等问题。这也就要求我们利用课上学习到的知识和自己的查阅资料的能力，综合运用以前上课时老师教我们的分析方法去分析新的问题。还有通过这几天的设计，我也认识到了和同学配合的重要性，以及图书馆的重要性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美的，我们也不能是万能的什么都知道，在学习生活
22、中团队配合才是重要的，通过各种渠道获取对自己有用的信息才是重要的。在这次的课程设计中也是得到了很多同学的帮助及网上、图书馆的资料才能够使我快速准确的完成了这次的设计。 参考文献1 侯志林. 过程控制与自动化仪表. 机械工业出版社2 何衍庆. 工业生产过程控制. 化学工业出版社3 翁维勤. 过程控制系统及工程. 化学工业出版社4 邵裕森. 过程控制及仪表. 上海交通大学出版社5 金以慧. 过程控制. 清华大学出版社6 潘永湘、杨延西、赵跃. 过程控制与自动化仪表. 机械工业出版社7 俞金寿、孙自强. 过程控制与自动化仪表第二版. 化学工业出版社8 王树青、戴连奎、于玲. 过程控制工程第二版. 化学工业出版社9 俞金寿. 过程控制与自动化仪表（非自动化专业适用）. 化学工业出版社
