Simulink仿真：简化过程控制系统的实现

在奶粉生产过程中，干燥工序是奶粉生产的最重要环节之一，喷雾干燥过程是物料由泵送至喷雾干燥器内，由雾化器将其分散为小雾滴；空气经加热送入干燥室内与料雾混合、接触；最后完成干燥过程。喷雾式干燥过程示意图如图4-26所示。

奶粉喷雾干燥过程的生产工艺要求是将原料奶液用空气干燥成奶粉，首先通过管道供气设备将物料——已浓缩的奶液（由于将液体奶制造成奶粉的喷雾干燥器的能量消耗大（相当于1.7kg蒸气，蒸发1kg水），所以常常是将奶液在引入喷雾干燥器之前进行浓缩，形成浓缩的奶液）送入干燥室；干燥空气经过过滤之后被一涡轮式风扇以高速引入，经过空气加热器（这一加热器可以是蒸气辐射式的，亦可以是均匀热油循环加热器）将空气从室温加热至干燥温度150～200℃；干燥箱有一锥形的底部，热空气通过顶部空气分配系统进入，雾化奶滴是从非常接近刚进来的热空气的位置进入，热空气立即与雾化奶滴相接触，这样迅速的混合可立即使水分瞬间蒸发；使奶粉干燥成颗粒，大部分都降至其底部，通过管道空气排出，干燥了的奶粉再行分离，输出产品——奶粉。干燥后成品质量要求高，含水量波动不能过大。

影响奶粉产品的产量和质量与许多因素有关，如料浆中固形物的含量、热风温度、空气流率、进入雾化器的浓缩液流等。而产品的最终含水量与干燥器热风进口温度、加热器出口温度及干燥器内负压等参数有直接关系。经分析可知，干燥器进口温度是控制干燥产品质量的最主要因素，因此将干燥器进口温度选作被控变量。而影响干燥温度的因素有物料流量、空气流量和燃料变化。系统可选择三种操纵变量构成温度控制系统。

图4-26 喷雾式干燥过程

图4-27 操纵变量为物料流量的控制系统

方案Ⅰ：如图4-27所示，将物料流量作为操纵变量，物料经泵送入干燥器，通道滞后时间最短，对干燥温度的调节作用最灵敏，并且干扰所处的位置靠近调节阀，似乎最适宜作为操作变量。但是从工艺分析看，物料流量是生产负荷，需要维持稳定才能保证产量，所以它不宜作为操作变量。

方案Ⅱ：如图4-28所示，以旁路空气作为操纵变量，旁路空气经与热风混合后，再经过风管进入干燥器。与方案Ⅰ相比它构成的调节通道时滞大，控制的灵敏度次之。

图4-28 操纵变量为旁路空气的控制系统

方案Ⅲ：如图4-29所示，选择蒸气流量作为操纵变量调节通道长，容量滞后大，控制的灵敏度差，所有干扰进入位置均靠近被控变量。

图4-29 操纵变量为蒸气流量的控制系统

从图4-29可以看出，各种干扰作用点的分布对控制方案的影响。对方案Ⅲ来说是很清楚的。对方案Ⅱ来说，因为无论是鼓风温度的变化或蒸气压力的变化，都影响到了热交换器后的热风温度。因此，物料流量干扰和旁路空气干扰作用在同一点上。对方案Ⅰ来说，无论何种干扰都使乳液量或喷雾口热风温度发生变化，因而三个干扰都作用在同一点上。

对应的控制系统框图4-30所示。G₀（s）表示干燥器，G_c（s）为调节器，x₁为乳液流量或喷雾口热风温度的变化。在方案Ⅱ中，调节器作用到旁路管路，由于有管路的传递纯滞后存在，故较方案Ⅰ多一个纯滞后环节τ＝3s。x₂为热交换器后热风温度的变化。在方案Ⅲ中，调节器调节热交换器的蒸气流量，热交换器本身为一双容积对象，因而又多了两个容积。这里每个容积的时间常数T＝100s。x₃为送入热交换器的蒸气流量的变化。

系统的三种干扰分别为：

1）干扰f₁——乳液流量的变化；

2）干扰f₂——热交换器散热及温度变化；(www.xing528.com)

图4-30 调节方案框图

a）方案Ⅰ b）方案Ⅱ c）方案Ⅲ

3）干扰f₃——蒸气压力的变化。

三种控制方案的框图如图4-30所示，假设干燥器的传递函数为G₀（s）＝500e^-12s/（130s+1），控制器G_c（s）采用PID控制，PID调节器参数采用优化方案来获取，如图4-31所示。

系统施加阶跃干扰信号，干扰作用点不同时三种方案的Simulink仿真结构图和响应曲线如图4-32所示。

图4-31 PID调节器参数优化整定过程

图4-31 PID调节器参数优化整定过程（续）

图4-32 不同控制方案下系统抗扰响应曲线

a）方案Ⅰ

图4-32 不同控制方案下系统抗扰响应曲线（续）

b）方案Ⅱ c）方案Ⅲ

根据干扰作用点对调节质量影响的分析，以及主要干扰施加点越靠近调节阀控制质量相对较高的原则，方案Ⅰ的干扰作用点与对象的输入重合，调节作用最迅速，因此其控制性能最佳，方案Ⅱ次之，方案Ⅲ最差。从控制的品质方面考虑，应该选择方案Ⅰ，即选择乳液流量作为操作变量。但是，在选择调节方案时，还得从工艺角度来考虑，方案Ⅰ并不是最有利的。但是物料流量是负荷。另外在乳液管线上装了调节阀容易使浓缩乳液结块，降低了产量和质量。因此，综合以上分析比较，选择方案Ⅱ是比较好的，即采用旁路空气作为操作变量。