基于PID調(diào)節(jié)的微型噴霧干燥優(yōu)化控制

李 青，熊中剛，張 旭，曲祥君

（遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義563006）

噴霧干燥是一種將可輸送流體直接轉(zhuǎn)變?yōu)楦哔|(zhì)量固體產(chǎn)品的方法，它省去了常規(guī)干燥的蒸發(fā)結(jié)晶過程，具有干燥速度快、時(shí)間短、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于化工、食品、制藥、陶瓷、冶金等行業(yè)[1]。但噴霧干燥生產(chǎn)過程較為復(fù)雜，具有大滯后、時(shí)變和非線性等特征[2]，因此如何設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的噴霧干燥設(shè)備來提高干燥效率和產(chǎn)品質(zhì)量仍是急需解決的問題。為此作者從噴霧干燥工藝流程出發(fā)，深入分析影響噴霧干燥的主要因素，結(jié)合自動(dòng)控制理論，設(shè)計(jì)出了一種合理可行的控制系統(tǒng)方案。

1 微型噴霧干燥工藝流程分析

研究對(duì)象為開放式微型噴霧干燥系統(tǒng)，噴霧料液為水溶液，干燥介質(zhì)為空氣，選用壓力式霧化器，霧滴空氣的流向采用向下并流[3]。具體工藝流程為：料液經(jīng)高壓泵加壓后從塔頂?shù)撵F化噴嘴噴出，形成錐形料霧?？諝饬鹘?jīng)過過濾器在風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)空氣加熱器加熱后從干燥塔頂部流入，形成高溫氣流，與料霧充分接觸，從而增大氣液接觸面積，提高傳熱、傳質(zhì)效率。由于塔底引風(fēng)機(jī)的作用，形成塔內(nèi)負(fù)壓，產(chǎn)生向下氣流，使熱空氣與霧滴共同向下流動(dòng)，二者進(jìn)行充分熱交換，蒸發(fā)水分，形成固體顆粒，從塔底流出，得到符合要求的產(chǎn)品。為了進(jìn)一步分離空氣中的產(chǎn)品，出口空氣經(jīng)旋風(fēng)分離器和袋式除塵器再次分離（見圖1）。

圖1 噴霧干燥流程圖

從噴霧干燥工藝流程可知，影響干燥產(chǎn)品質(zhì)量的因素有物料的粘度、濃度、氣體流量、壓力、霧滴的霧化狀態(tài)、干燥溫度和干燥速度等，其中干燥溫度是影響干燥產(chǎn)品質(zhì)量的最主要因素。根據(jù)物料衡算、熱量衡算、霧滴粒子與空氣接觸的運(yùn)動(dòng)軌跡來看，影響干燥溫度的因素有物料流量、空氣流量和入口空氣溫度，通過改變其中任何一個(gè)參數(shù)都能形成新的溫度控制系統(tǒng)，從而達(dá)到控制干燥溫度的目的[4]。

2 微型噴霧干燥控制方案選擇

方案1：將空氣加熱器溫度作為調(diào)節(jié)參數(shù)。在風(fēng)機(jī)頻率一定的情況下，通過調(diào)節(jié)閥改變空氣加熱器功率，達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)口空氣溫度的目的。熱空氣經(jīng)風(fēng)管進(jìn)入干燥器，調(diào)節(jié)通道長(zhǎng)，容量滯后大，但電加熱器對(duì)干燥器溫度控制起主導(dǎo)作用，因此靈敏度良好。

方案2：將風(fēng)機(jī)頻率作為調(diào)節(jié)參數(shù)。通過調(diào)節(jié)閥改變風(fēng)機(jī)頻率，從而改變空氣流量，達(dá)到調(diào)節(jié)空氣溫度的目的。與前述方案相比，此方案調(diào)節(jié)通道最長(zhǎng)，容量滯后最大，靈敏度最差，旁路空氣流量、電加熱器功率均會(huì)影響系統(tǒng)調(diào)節(jié)。

由于研究對(duì)象為非長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)的微型噴霧干燥設(shè)備，綜合各方面因素，選擇電加熱器溫度和風(fēng)機(jī)頻率作為調(diào)節(jié)參數(shù)，手動(dòng)控制料液泵調(diào)節(jié)料液流量以維持進(jìn)料穩(wěn)定，保證產(chǎn)量。控制方案選擇串級(jí)控制、兩個(gè)反饋回路，主回路通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的頻率來控制出口空氣及產(chǎn)品的溫度，副回路通過調(diào)節(jié)電加熱器的功率來調(diào)節(jié)熱空氣的進(jìn)口溫度，選用PID控制器控制溫度[5]（見圖2）。

3 噴霧干燥PID控制分析及系統(tǒng)仿真

3.1 噴霧干燥控制要求

微型噴霧干燥一般要求進(jìn)風(fēng)溫度在300℃左右，出口產(chǎn)品溫度在70～100℃，霧滴干燥時(shí)間極短,一般不到1秒，因此噴霧干燥要求控制系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，一般不大于 5分鐘，控制精度在±0.5℃，超調(diào)在5%以內(nèi)[6]。

圖2 噴霧干燥系統(tǒng)控制流程圖

3.2 噴霧干燥數(shù)學(xué)模型

微型噴霧干燥過程可等效為一階慣性純滯后系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際微型噴霧干燥過程進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試，確定本噴霧干燥中風(fēng)機(jī)（G1）及電加熱器（G2）數(shù)學(xué)模型為：

3.3 PID參數(shù)整定

常規(guī)模擬的PID是一個(gè)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其原理簡(jiǎn)單、適應(yīng)能力和魯棒性較強(qiáng)，其控制規(guī)律為[7]：

越小，控制作用越弱，穩(wěn)態(tài)誤差越大，但對(duì)穩(wěn)定性有利。

積分控制規(guī)律

積分控制的作用是消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分時(shí)間常數(shù)Ti的大小要根據(jù)需要來確定，Ti越小，積分作用越強(qiáng)，但過小會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，過大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)偏差增大。

3）微分控制規(guī)律

微分時(shí)間常數(shù)Td越大，微分作用越強(qiáng)，但要根據(jù)實(shí)際確定。

綜上所述，必須對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行合理選擇，才能得到優(yōu)良的控制系統(tǒng)。研究采用經(jīng)驗(yàn)法整定PID參數(shù)[8]，即先確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)值kp和Ti，令Td＝0，改變給定值，現(xiàn)場(chǎng)觀察判斷控制曲線形狀，若曲線不理想，改變kp或Ti，再觀察控制曲線形狀，經(jīng)反復(fù)湊試直到基本符合品質(zhì)要求，確定一個(gè)Td值，將之前整定好的kp和Ti值稍微調(diào)小進(jìn)行測(cè)試，直到 Ti、Td、kp為最佳值為止。經(jīng)反復(fù)湊試，確定 kp＝ 1.5，Ti＝ 100，Td＝ 0.1。雖然經(jīng)驗(yàn)法整定PID參數(shù)花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，但整定參數(shù)準(zhǔn)確，利于實(shí)際生產(chǎn)調(diào)節(jié)。

3.4 PID控制系統(tǒng)仿真

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的 PID控制方案能否用于實(shí)際生產(chǎn)，本研究采用MATLAB 7.10軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真[9]，在MATLAB的Simulink仿真環(huán)境中建立的PID控制模型為串級(jí)控制，兩個(gè)反饋回路，其被控對(duì)象分別為風(fēng)機(jī)頻率和電加熱器功率（見圖3）。

圖3 基于PID控制的Simulink模型

通過仿真運(yùn)行得到PID控制響應(yīng)曲線（見圖4），系統(tǒng)超調(diào)在1%左右，能在4分鐘內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)輸出符合階躍響應(yīng)。由于階躍響應(yīng)是一個(gè)沖擊信號(hào)，此系統(tǒng)在沖擊信號(hào)的作用下能得到符合要求的響應(yīng)曲線，可判定在其它信號(hào)輸入的作用下定能滿足要求，且該控制效果較好，控制精度小于±0.5℃，反應(yīng)迅速，運(yùn)行穩(wěn)定，能用于生產(chǎn)實(shí)際。

圖4 PID控制仿真曲線

5 結(jié)論

微型噴霧干燥作為一種特殊的干燥技術(shù)，其控制要求越來越高。研究分析表明，以出口溫度和進(jìn)風(fēng)溫度作為被控對(duì)象，選擇階躍響應(yīng)對(duì)實(shí)際微型噴霧干燥進(jìn)行測(cè)試，建立數(shù)學(xué)模型，用經(jīng)驗(yàn)法整定PID參數(shù)，確立串級(jí)控制的PID控制模型響應(yīng)較快、超調(diào)小、進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)間較短，能夠滿足微型噴霧干燥控制要求，且控制靈活、程序編寫簡(jiǎn)單、操作容易，適合在微型噴霧干燥過程控制中推廣。

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