基于PID调节的微型喷雾干燥优化控制

李 青，熊中刚，张 旭，曲祥君

（遵义师范学院工学院，贵州遵义563006）

喷雾干燥是一种将可输送流体直接转变为高质量固体产品的方法，它省去了常规干燥的蒸发结晶过程，具有干燥速度快、时间短、操作简单等优点，现已广泛运用于化工、食品、制药、陶瓷、冶金等行业[1]。但喷雾干燥生产过程较为复杂，具有大滞后、时变和非线性等特征[2]，因此如何设计性能优良的喷雾干燥设备来提高干燥效率和产品质量仍是急需解决的问题。为此作者从喷雾干燥工艺流程出发，深入分析影响喷雾干燥的主要因素，结合自动控制理论，设计出了一种合理可行的控制系统方案。

1 微型喷雾干燥工艺流程分析

研究对象为开放式微型喷雾干燥系统，喷雾料液为水溶液，干燥介质为空气，选用压力式雾化器，雾滴空气的流向采用向下并流[3]。具体工艺流程为：料液经高压泵加压后从塔顶的雾化喷嘴喷出，形成锥形料雾。空气流经过过滤器在风机的作用下经空气加热器加热后从干燥塔顶部流入，形成高温气流，与料雾充分接触，从而增大气液接触面积，提高传热、传质效率。由于塔底引风机的作用，形成塔内负压，产生向下气流，使热空气与雾滴共同向下流动，二者进行充分热交换，蒸发水分，形成固体颗粒，从塔底流出，得到符合要求的产品。为了进一步分离空气中的产品，出口空气经旋风分离器和袋式除尘器再次分离（见图1）。

图1 喷雾干燥流程图

从喷雾干燥工艺流程可知，影响干燥产品质量的因素有物料的粘度、浓度、气体流量、压力、雾滴的雾化状态、干燥温度和干燥速度等，其中干燥温度是影响干燥产品质量的最主要因素。根据物料衡算、热量衡算、雾滴粒子与空气接触的运动轨迹来看，影响干燥温度的因素有物料流量、空气流量和入口空气温度，通过改变其中任何一个参数都能形成新的温度控制系统，从而达到控制干燥温度的目的[4]。

2 微型喷雾干燥控制方案选择

方案1：将空气加热器温度作为调节参数。在风机频率一定的情况下，通过调节阀改变空气加热器功率，达到调节进口空气温度的目的。热空气经风管进入干燥器，调节通道长，容量滞后大，但电加热器对干燥器温度控制起主导作用，因此灵敏度良好。

方案2：将风机频率作为调节参数。通过调节阀改变风机频率，从而改变空气流量，达到调节空气温度的目的。与前述方案相比，此方案调节通道最长，容量滞后最大，灵敏度最差，旁路空气流量、电加热器功率均会影响系统调节。

由于研究对象为非长时间连续生产的微型喷雾干燥设备，综合各方面因素，选择电加热器温度和风机频率作为调节参数，手动控制料液泵调节料液流量以维持进料稳定，保证产量。控制方案选择串级控制、两个反馈回路，主回路通过调节风机的频率来控制出口空气及产品的温度，副回路通过调节电加热器的功率来调节热空气的进口温度，选用PID控制器控制温度[5]（见图2）。

3 喷雾干燥PID控制分析及系统仿真

3.1 喷雾干燥控制要求

微型喷雾干燥一般要求进风温度在300℃左右，出口产品温度在70～100℃，雾滴干燥时间极短,一般不到1秒，因此喷雾干燥要求控制系统在较短时间内进入稳态，一般不大于 5分钟，控制精度在±0.5℃，超调在5%以内[6]。

图2 喷雾干燥系统控制流程图

3.2 喷雾干燥数学模型

微型喷雾干燥过程可等效为一阶惯性纯滞后系统，对实际微型喷雾干燥过程进行阶跃响应测试，确定本喷雾干燥中风机（G1）及电加热器（G2）数学模型为：

3.3 PID参数整定

常规模拟的PID是一个负反馈控制系统，其原理简单、适应能力和鲁棒性较强，其控制规律为[7]：

越小，控制作用越弱，稳态误差越大，但对稳定性有利。

积分控制规律

积分控制的作用是消除稳态误差，积分时间常数Ti的大小要根据需要来确定，Ti越小，积分作用越强，但过小会使系统不稳定，过大会导致动态偏差增大。

3）微分控制规律

微分时间常数Td越大，微分作用越强，但要根据实际确定。

综上所述，必须对PID参数进行合理选择，才能得到优良的控制系统。研究采用经验法整定PID参数[8]，即先确定调节器的参数值kp和Ti，令Td＝0，改变给定值，现场观察判断控制曲线形状，若曲线不理想，改变kp或Ti，再观察控制曲线形状，经反复凑试直到基本符合品质要求，确定一个Td值，将之前整定好的kp和Ti值稍微调小进行测试，直到 Ti、Td、kp为最佳值为止。经反复凑试，确定 kp＝ 1.5，Ti＝ 100，Td＝ 0.1。虽然经验法整定PID参数花费时间较长，但整定参数准确，利于实际生产调节。

3.4 PID控制系统仿真

为了检验所设计的 PID控制方案能否用于实际生产，本研究采用MATLAB 7.10软件进行系统仿真[9]，在MATLAB的Simulink仿真环境中建立的PID控制模型为串级控制，两个反馈回路，其被控对象分别为风机频率和电加热器功率（见图3）。

图3 基于PID控制的Simulink模型

通过仿真运行得到PID控制响应曲线（见图4），系统超调在1%左右，能在4分钟内进入稳定状态，稳态输出符合阶跃响应。由于阶跃响应是一个冲击信号，此系统在冲击信号的作用下能得到符合要求的响应曲线，可判定在其它信号输入的作用下定能满足要求，且该控制效果较好，控制精度小于±0.5℃，反应迅速，运行稳定，能用于生产实际。

图4 PID控制仿真曲线

5 结论

微型喷雾干燥作为一种特殊的干燥技术，其控制要求越来越高。研究分析表明，以出口温度和进风温度作为被控对象，选择阶跃响应对实际微型喷雾干燥进行测试，建立数学模型，用经验法整定PID参数，确立串级控制的PID控制模型响应较快、超调小、进入稳态时间较短，能够满足微型喷雾干燥控制要求，且控制灵活、程序编写简单、操作容易，适合在微型喷雾干燥过程控制中推广。

参考文献：

[1]赵改青,王晓波,刘维明.喷雾干燥技术在制备超微及纳米粉体中的应用及展望[J].材料导报,2006,20(6):56-57.

[2]贺娟,罗光毅.模糊控制在煤矿瓦斯检测系统中的应用[J].遵义师范学院学报,2017,19(4):100-101.

[3]王喜忠,于才源,周才君.喷雾干燥[M].北京:化学工业出版社,2003.20-25.

[4]廖传华,孙国有.喷雾干燥的控制系统设计[J].粮油加工与食品机械,2002,(10):37-39.

[5]范振瑞.基于Matlab的PID温度控制系统设计[J].电子科技,2013,26(8):164-167.

[6]朱明清,刘彤军.喷雾干燥过程分析及其PID控制仿真[J].自动化技术与应用,2013,32,(12):37.

[7]王划一,杨西侠.自动控制原理[M].北京:国防工业出版社,2009.226-227.

[8]徐璟.PID参数整定分析[J].广西电业,2010,(4):83-85.

[9]杨友昌,董水金.电路分析的MATLAB实现[J].遵义师范学院学报,2005,7(1):69.