1、噴霧式乳液枯燥器的PID控制摘要：以噴霧式乳液枯燥系統(tǒng)為例，簡要的進行了系統(tǒng)的分析、設計過程，并利用simulink對不同的設計方案進行仿真及比擬，根據工業(yè)生產實際選出了最正確的設計方案，根據“經驗法對PID控制參數(shù)進行了整定，得到了較為滿意的控制品質。關鍵詞:設計 仿真 PID控制器 參數(shù) 整定1. 前言在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解

2、一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。本文以工業(yè)中的噴霧式乳液枯燥系統(tǒng)為控制系統(tǒng),利用PID進行控制。2. 噴霧式乳液枯燥系統(tǒng)生產過程概述圖2.1 噴霧式乳液枯燥過程示意圖圖2.1 噴霧式乳液枯燥過程示意圖，通過空氣枯燥器將濃縮的乳液枯燥成乳粉。已濃縮的乳液由高位儲槽流下，經過濾器，然后從枯燥器頂部噴嘴噴出。枯燥空氣經熱交換器加熱、混合后，通過風管進入枯燥器與乳液接觸，將乳液中的水分蒸發(fā)形成乳粉。要求乳粉質量高，含水量波動不能太大。3. 控制方案設計1233.1 被控參數(shù)選擇按照生產要求，產品的質量取決于乳粉水分的含量。濕度傳感器的精度低、滯后大

3、，不易實現(xiàn)精確、快速的測量。而乳粉水分的含量與枯燥器出口溫度密切相關，且容易找到單值對應關系。因而可選擇枯燥器的出口溫度作為被控參數(shù)間接，從而實現(xiàn)對乳粉水分控制。3.2 控制變量選擇影響枯燥器出口溫度的變量有乳液流量記為f1t、旁路空氣流量記為f2t、加熱蒸汽量記為f3t三個因素，通過圖2.1的調節(jié)閥1、調節(jié)閥2、調節(jié)閥3對這三個變量進行控制。選擇其中之一均可得到相應的控制方案：方案1 以乳液流量f1t為控制變量，得到控制方案方框圖：圖3.2.1 方案1對應的方框圖方案2 以旁通冷分流量f2t為控制變量，得到控制方案方框圖：圖3.2.2 方案2對應的方框圖方案3 以旁通冷分流量f2t為控制變量

4、，得到控制方案方框圖：圖3.2.3 方案3對應的方框圖3.3 通道分析：1.2.3.3.1.3.2.3.3.3.3.1. 各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)均為1；3.3.2. 溫度測量變送器：假定溫度測量變送元件的時間常數(shù)為5秒即, ；3.3.3. 枯燥器：枯燥溫度對于乳化物流量，對于熱風溫度都看作是3個時間常數(shù)為8.5s，滯后時間為2秒的對象，即枯燥器特性為；3.3.4. 風管：只是一個流動通道，可近似的看作是一個滯后環(huán)節(jié)，對應于操作時的熱風流速，滯后時間為3秒3.3.5. 兩個時間常數(shù)為100s的環(huán)節(jié)3.3.6. 混合過程：加熱器熱風與旁路冷風的混合過程，可以看作時間常數(shù)為100秒的環(huán)節(jié)；3.4 仿真及分

5、析：方案1：Simulink仿真方案：圖3.4.1 方案1 simulink仿真圖圖3.4.2 方案1 simulink仿真結果圖方案2：Simulink仿真方案：圖3.4.3 方案2 simulink仿真圖圖3.4.4 方案2 simulink仿真結果圖方案3：Simulink仿真方案：圖3.4.5 方案3 simulink仿真圖圖3.4.6 方案3 simulink仿真結果圖方案1 乳液流量直接進入枯燥器，控制通道短、滯后小，控制靈敏，干擾進入控制通道的位置與調節(jié)閥輸入枯燥器的的控制變量重合，干擾引起的動差小，控制品質好。方案2 由于一階慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)T和純滯后t，相對于方案1控制通道

6、有一定的之后，控制變量對枯燥器的反響不夠靈敏干擾f1t影響較大，而干擾f2t引起的動差小而且平緩。方案3 由于有空氣交換器，冷熱空氣混合延遲，風管滯后等多重因素的影響，控制通道較前兩種方案的滯后很大，控制變量對于枯燥器出口溫度控制作用緩慢。干擾干擾f1t、干擾f2t引起的動差大。綜上，按控制品質來看，三種控制方案中方案1最優(yōu)，方案2次之。但從工業(yè)生產的實際工藝和效益考慮，方案1并不是最好的。這是因為如果以乳液流量作為控制變量，乳液流量不可能始終穩(wěn)定在最大值，限制了系統(tǒng)的生產能力，對提高生產效率不利。另外，乳液管安裝調節(jié)閥容易使?jié)饪s乳液結塊，甚至堵塞管道，會降低產量及產品質量。綜合分析方案2比擬

7、好。下面根據方案2進行PID參數(shù)整定。4. PID參數(shù)整定利用衰減曲線法進行的整定： 整定參數(shù)調節(jié)規(guī)律 PTiTdPPI1.2P0.5TSD0.8P0.3TS0.1TS表1 衰減比4：1時，衰減曲線法整定參數(shù)計算參考表首先將P置較大的數(shù)值，Ti=，Td=0.第一次置的值為10，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)已經發(fā)散，說明P的值過大。適度的減小，直至出現(xiàn)衰減震蕩。如果衰減的比例大于4：1，說明P的值過小，需適當?shù)脑龃蟆＝涍^屢次試探可確定最終的P值為4.圖4.1 P=10系統(tǒng)響應曲線 圖4.2 P=4 系統(tǒng)響應曲線利用workspace的數(shù)據，可得第一個峰值為y1=1.2196，y2=0.9161，y=0.8086；于

8、是n=y1-y()y2-y()=1.2196-0.80860.9161-0.8086=3.972974.0 滿足條件。此時TS=231.41-86.85=144.56S. 整定參數(shù)調節(jié)規(guī)律 PTiTdP4I4.872.28D3.243.36814.456表2 根據P確定的PID整定參數(shù)計算表于是PI控制結果圖4.3： 于是PID控制結果圖4.4：圖 4.3 PI控制器的控制結果 圖 4.4 PID控制器控制結果可見PI的控制效果并不能滿足要求.于是采用PID控制器如圖4.4。以下進行干擾仿真：圖 4.5 t=500s處參加階躍加熱蒸汽流量f3t 圖 4.6 t=500s處參加階躍加乳液流量f1

9、t圖 4.7 t=500s處參加階躍f1t和 f3t 圖 4.8 P=3.2 Ti=30 Td=75 控制結果需要說明的是由于生產的實際，我們總是希望系統(tǒng)的生產能力處于最大的狀態(tài)，也就是說乳液的流量f1t對應的閥門始終處于最大的開度狀態(tài)，這樣f1t的擾動根本上是為零的，這樣PID調節(jié)器對于生產實際已經能滿足要求。綜上所述，對于衰減法進行的PID參數(shù)整定，很重要的一點是如何確定P值，一旦P值確定后，便可根據經驗的表格進行計算得出相應的結果。需要說明的是上述表格得出的結果只是一個參考值，如果整定的效果仍舊不滿意可以進行相應的微調，直至滿意為止。根據圖4.4 超調量較大的特點，相應的增大微分環(huán)節(jié)，配合一定的積分，可得如圖4.8比擬令人滿意的結果。5. 結束語PID控制因其簡單、易用而廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)