奶粉干燥系统---自动控制课程设计

指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学自动化学院自动控制原理课程设计报告设计题目：奶粉干燥系统单位（二级学院）：学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：设计时间：重庆邮电大学自动化学院制目录一、设计题目及要求.......................................................................................................................31.1设计题目初始条件...........................................................................................................31.2设计要求...........................................................................................................................3摘要..................................................................................................................................................4关键词：奶粉干燥；自动控制...............................................................................................4二、设计报告正文...........................................................................................................................52.2奶粉干燥系统工作原理....................................................................................................52.2.1奶粉干燥系统原理图............................................................................................52.2.2工作原理分析.......................................................................................................52.3奶粉干燥系统各环节分析建模........................................................................................62.3.1各个环节分析.......................................................................................................62.4传递函数的系数确定.......................................................................................................92.5系统性能分析...................................................................................................................92.5.1系统降阶................................................................................................................92.5.2系统的时域性能分析.........................................................................................102.5.3系统的频域性能分析..........................................................................................132.6系统的校正.......................................................................................................................152.6.1分析校正原因.....................................................................................................152.6.2采用滞后校正.....................................................................................................162.6.3采用超前校正........................................................................................................172.7系统的干扰分析...............................................................................................................19三设计总结...................................................................................................................................19四参考文献...................................................................................................................................20一、设计题目及要求1.1设计题目初始条件奶粉干燥控制系统原理如下图所示。图1.1–1奶粉干燥控制系统原理图1.2设计要求1.查阅相关资料，分析系统的工作原理，指出被控对象、被控量和给定量，画出系统方框图。2.分析系统每个环节的输入输出关系，代入相关参数求取系统传递函数。3.分析系统时域性能和频域性能。4.运用根轨迹法或频率法校正系统，使之满足给定性能指标要求。系统在等速斜波信号（()rtt）的作用下，系统稳态误差小于0.1。开环截止频率3.4/cwrads，相角裕度45，幅值裕度20hdB。摘要在奶粉生产过程中，奶粉干燥是一个重要的环节，它直接关系到产品的质量和能源的消耗。本研究通过对奶粉干燥系统的各个参数的分析，根据其各个参数的关系模拟出系统流图。通过对参数范围的查询初步确定参数，然后再根据频域分析、时域分析、超前校正以及滞后校正对系统的稳定性进行了分析和校正。保证在其生产工艺不变的情况下，实现干燥参数的调整，达到保证奶粉质量和产量的目的。关键词：奶粉干燥；自动控制；系统框图；Matlab；函数降阶；频域分析；时域分析；超前校正；滞后校正二、设计报告正文2.2奶粉干燥系统工作原理2.2.1奶粉干燥系统原理图图2.2–1奶粉干燥系统原理图2.2.2工作原理分析奶品生产要求把浓缩奶液干燥成奶粉。加工时奶液从高位储奶槽流下，经过滤去掉凝块后进入干燥器。冷空气也进入干燥器。在干燥器中奶液被热空气加热，使水分蒸发，最后随湿空气一起喷出，在重力作用下，空气、奶粉自然分离。为了保证奶粉的质量，要求奶粉湿度要达到一定要求并且相同。故要控制的是奶粉湿度，所以奶粉湿度应该是被控制量，那么奶粉就应该是被控制对象，给定量即为要求奶粉湿度。但是干燥器出口飘飘而下的奶粉湿度不容易实现在线实时检测。如果离线检测，则时间太长，不能及时控制产品质量。研究表明，干燥器出口的气体温度与奶粉质量密切相关，工艺要求出口温度保持恒定，出口温的在线实时测量也较易实现。因此把干燥器出口温度作为被控制量，这样，干燥器就作为被控制对象，根据要求湿度量转换而来的出口温度即为给定量。进入干燥器的空气温度和奶液流量都对干燥器出口的温度有影响。调节奶液流量将使产量波动，所以不宜采用这个方法。调节进入热交换器的蒸汽流量或温度也可以调节进入干燥器内空气的温度。但调节蒸汽，则控制器包括热交换器的时间常数比较大，信号传递滞后比干燥器大得多，系统不易控制。图2.2-1中采取的方案是进入干燥器的空气由两部分组成，一部分是经过热器中蒸汽加热的，另一部分是未加热的，且它们的温度都是恒定不变的。通过空气阀门改变这两部分空气的比例就可以改变进入干燥器内空气的温度。采用这种方法，控制器的时间常数比较小，响应迅速，操作较灵活。热敏元件测量出干燥器的出口温度反馈到放大器，与给定的希望温度相比较，产生偏差信号。然后经可控硅控制的电动机操纵空气阀门，改变冷热空气的比例，即决定进入干燥器中热空气的温度。2.2.3建立系统方框图反馈控制系统的基本组成：测量元件，给定元件，比较元件，放大元件，执行元件，校正元件。通过奶粉干燥系统的原理图，可分析出其中，热敏元件为测量元件，放大器为放大元件，电机和空气阀门时执行元件。得以下系统框图。2.3奶粉干燥系统各环节分析建模2.3.1各个环节分析1、给定单元给定单元由电位器构成。供电电压0()UR对应着给定温度，假定用热敏元件测温传感器，灵敏度为K，所以滑动端的输出电压0()UR正比于给定温度T故给定电压可以直接给出为0()Us。2、测温单元温度单元有热敏元件构成，热敏元件的输出端电压的大小正比于所测温度的大小。且灵敏度系数和给定单元一样为K。故所测电压为1()()UsKTs（2-1）3、比较单元比较单元将给定信号与实际信号相比较，得出差值信号，也就是负反馈。该系统是将0()UR和1U串联反极性相连接来实现的。算子式为1()()()rUsUsUs（2-2）4、放大单元放大单元将差值信号放大，以方便驱动电动机，放大倍数为1K，没有量纲。故：21()()UsKUs（2-3）5、可控硅调节器可控硅调解器供出可调电压，以驱动直流电动机旋转。输入量为调解电压2()Us输出量为电枢电压aU，传递系数为2K故22()()aUsKUs（2-4）6、执行单元执行单元为一个直流伺服电动机，输入为电压aU，输出为电动机转角，驱动阀门开关转动。()()(1)mamksUssTs（2-5）其中ammammeRJTRfCC是电动机机电时间常数；mmammeCKRfCC是电动机传递系数。7、开关阀门减速器减速器是一个比例环节，将伺服电动机的转角变换成为阀门的开度。设阀门关闭时的角度为零，全部打开的角度为m，传递关系为变比系数1i。故1()()ssi（2-6）8、空气温度单元在该单元，空气通过两个管道进入，以不同比例不同温度混合。假设阀门全开时两管道的流量、流速相同，即横截面积相同。阀门开度和管道横截面积成正比，即和气体流量成正比。设流量最大值为mQ，则当前流量为()()mmsQQs（2-7）而在压强不变的情况