計算機控制技術(shù)即啤酒發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)

無錫太湖學院《計算機控制技術(shù)》

大作業(yè)報告專業(yè)XXXXXXXXXX學號XXXXXXX姓名XXXXXX日期20XXXXXX大作業(yè)內(nèi)容及任務問題闡述麥汁發(fā)酵過程是啤酒生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，同時也是一個復雜的生物化學過程。目前的處理方法多是在麥汁發(fā)酵期間，根據(jù)酵母的活動能力，生長繁殖快慢，確定發(fā)酵給定的溫度曲線如下圖所示。要使酵母的繁殖和衰減、麥汁中糖度的消耗等達到最佳狀態(tài)，必須嚴格控制各階段的溫度、壓力、pH值、溶解氧等條件。今對壓力、pH值、溶解氧等條件暫不關(guān)注，只考慮溫度的控制問題，使其在給定的溫度曲線的土0.5°C范圍內(nèi)?，F(xiàn)設(shè)某啤酒廠有一個錐形啤酒發(fā)酵罐，錐體由上下兩部分組成，下部分是圓柱體，上部分是圓錐體。發(fā)酵期間當罐內(nèi)溫度低于給定溫度時，要求關(guān)閉冷卻帶閥門，使之自然發(fā)酵升溫；反之，則接通冷卻帶閥門，自動將冷卻酒精打入循環(huán)帶使之降溫，直至滿足工藝要求。發(fā)酵期間錐形發(fā)酵罐控制上、中、下三部分的溫度，溫度曲線見下圖。圖1發(fā)酵溫度工藝設(shè)定曲線設(shè)計目的通過本次大作業(yè)設(shè)計，掌握計算機控制技術(shù)設(shè)計相關(guān)步驟。考查學生動手能力和對所學知識的掌握程度，以及學生的查閱和收集信息能力。使學生熟悉本設(shè)計的相關(guān)知識及培養(yǎng)解決設(shè)計過程中可能遇到問題的能力。設(shè)計要求根據(jù)啤酒發(fā)酵過程，完成作業(yè)內(nèi)容及任務、對作業(yè)的認知或解讀、系統(tǒng)方案設(shè)計——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型框圖、系統(tǒng)硬件元器件選型、硬件設(shè)計、數(shù)字控制器的設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計——程序流程圖、抗干擾分析、心得體會和參考文獻。對作業(yè)的認知或解讀啤酒生產(chǎn)工藝簡介啤酒生產(chǎn)過程主要包括糖化、發(fā)酵以及過濾分裝三個環(huán)節(jié)。糖化糖化過程是把生產(chǎn)啤酒的主要原料與溫水混合，利用麥芽的水解酶把淀粉、蛋白質(zhì)等分解成可溶性低分子糖類、氨基酸、脈、膚等物質(zhì)，形成啤酒發(fā)酵原液—麥汁。發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個微生物代謝過程，簡單的說是把糖化麥汁經(jīng)酵母發(fā)酵分解成C2H5OH，CO2，H2O的過程，同時還會產(chǎn)生種類繁多的中間代謝物雙乙酞、脂肪酸、高級醇、酮等，這些代謝產(chǎn)物的含量雖然極少，但它們對啤酒的質(zhì)量和口味的影響很大，它們的產(chǎn)生主要取決于發(fā)酵溫度。一般認為，低溫發(fā)酵可以降低雙乙酞、脂類等代謝物的含量，提高啤酒的色澤和口味；高溫發(fā)酵可以加快發(fā)酵速度，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益?？傊?，如何掌握好啤酒發(fā)酵過程中的發(fā)酵溫度，控制好溫度的升降速率是決定啤酒生產(chǎn)質(zhì)量的核心內(nèi)容。啤酒發(fā)酵是個放熱過程如不加以控制，罐內(nèi)的溫度會隨著發(fā)酵生產(chǎn)熱的產(chǎn)生而逐漸上升，目前大多數(shù)對象是采用往冷卻夾套內(nèi)通入制冷酒精水混合物或液氨來吸收發(fā)酵過程中不斷放出的熱量，從而維持適宜的發(fā)酵溫度。整個發(fā)酵過程分前酵和后酵兩個階段，發(fā)酵溫度的工藝設(shè)定典型曲線如圖1所示。不同品種、不同工藝所要求的溫度控制曲線會有所不同。（1）前酵這個階段又稱為主發(fā)酵。麥汁接種酵母進入前酵，接種酵母幾小時以后開始發(fā)酵,麥汁糖度下降，產(chǎn)生CO2并釋放生化反應熱，使整個罐內(nèi)的溫度逐漸上升。經(jīng)過2?3天后進入發(fā)酵最為旺盛的高泡期再經(jīng)過2?3天，糖度進一步降低，降糖速度變慢，酵母開始沉淀，當罐內(nèi)發(fā)酵糖度達標后進行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。普通啤酒在前酵階段，一般要求控制在12°C左右，降溫速率要求控制在0.30C/h。（2）后酵當罐內(nèi)溫度從前酵的12C降到5C左右時后酵階段開始，這一階段最重要的是進行雙乙酞還原，此外，后酵階段還完成了殘?zhí)前l(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)，降低氧含量，提高啤酒穩(wěn)定性。一旦雙乙酞指標合格，發(fā)酵罐進入第二個降溫過程，以0.150C/h的降溫速率把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從5C降到0?-1C左右進行貯酒，以提高啤酒的風味和質(zhì)量。經(jīng)過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。通常發(fā)酵液溫度在不同的發(fā)酵階段，對罐內(nèi)發(fā)酵液的溫度場要有相應的要求在前酵階段希望發(fā)酵罐內(nèi)從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻?，即從控制上層溫度為主，以利于發(fā)酵液對流和酵母在罐內(nèi)的均勻混合；在后酵階段，則要求發(fā)酵液由卜到下有一定的負溫度梯度，即控制以下層溫度為主，便于酵母的沉淀和排除。啤酒的過濾和灌裝前、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過過濾機和高溫瞬時殺菌進行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。啤酒過濾是一種分離過程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會在以后的時間里從啤酒中析出，導致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過濾方式。如果啤酒中仍含有微生物（雜菌），則微生物可以在啤酒中迅速繁殖，導致啤酒混濁，其排泄的代謝產(chǎn)物甚至使啤酒不能飲用。殺菌就是啤酒在灌裝之前對其進行生物穩(wěn)定性處理的最后一個環(huán)節(jié)。至此，一個啤酒和生產(chǎn)周期結(jié)束。系統(tǒng)方案設(shè)計——系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型框圖啤酒發(fā)酵溫度采用傳統(tǒng)的手動操作控制，啤酒質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，勞動強度大，酒損嚴重，不能靈活地修改工藝參數(shù)。為此我們以AT89S52單片機芯片為核心，研究和設(shè)計了數(shù)字化的啤酒發(fā)酵過程計算機控制系統(tǒng)，很好地解決上述問題。啤酒發(fā)酵過程溫控對象的特點發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，圖2為圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖，酵母在罐內(nèi)發(fā)生反應而產(chǎn)生熱量，使麥汁溫度升高，因此在罐壁設(shè)置有上、中、下三段冷卻套，相應的設(shè)立上、中、下三個測溫點和三個調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)冷卻液的流量來實現(xiàn)對酒體溫度的控制。以閥門開度為控制量，酒體溫度為被控量。該廣義對象是一個三輸入、三輸出的多變量系統(tǒng)，機理分析和實驗表明啤酒發(fā)酵罐的溫控對象不同于一般的工業(yè)對象，主要有以下幾個方面的特點：圖2發(fā)酵罐工藝示意圖(1)時滯很大在整個發(fā)酵過程中，由于生化反作用產(chǎn)生的生化反應熱導致罐內(nèi)發(fā)酵溫度的升高，為了維持適宜的發(fā)酵溫度，通常是往發(fā)酵罐冷卻夾套內(nèi)通入酒精水或液態(tài)氨，來帶走多余的反應熱。由于罐內(nèi)沒有攪拌裝置和加熱裝置，冷媒發(fā)酵液間主要依靠熱傳導進行熱量交換，發(fā)酵液內(nèi)部存在一定的對流，影響到測溫點，這就使得控制量的變化后，要經(jīng)過一段時間，被控量才發(fā)生變化，因此這類系統(tǒng)會表現(xiàn)出很大的時滯效應。例如一個120m3啤酒發(fā)酵罐溫度響應的滯后時間一般在5?30min之內(nèi)變化。(2)時變性發(fā)酵罐的溫控特性主要取決于發(fā)酵液內(nèi)生化反應的劇烈程度。而啤酒發(fā)酵是從起酵、旺盛、衰減到停止不斷變化的間歇生產(chǎn)過程，在不同的發(fā)酵階段，酵母活力不同，造成酒體溫度特性變化，因此對象特性具有明顯的時變性。大時間常數(shù)發(fā)酵罐體積大，發(fā)酵液體通過罐壁與冷卻水進行熱交換的過程比較慢。強關(guān)聯(lián)因為罐內(nèi)酒體的對流，所以在任一控制量的變化均會引起三個被控量的變化在分析對象特性的時候，由于受到認識上的限制，往往也不能確切掌握工業(yè)過程中各種物理、化學變化的本質(zhì)特征，這也必然會導致獲取的對象特性與實際特性存在難以確定的偏差。例如啤酒生產(chǎn)過程酵母特性、原料特性等許多因素的變化都會引起被控系統(tǒng)特性參數(shù)的變化和攝動，而這些因素在實際系統(tǒng)中都是很難在線或?qū)崟r獲取的。系統(tǒng)硬件元器件儀表選型溫度傳感器工業(yè)裝配式熱電阻通常用來顯示儀表和計算機配套，直接測量各種生產(chǎn)過程中-200°C?+500°C范圍內(nèi)液體、蒸汽和氣體介質(zhì)及固體表面的溫度。我廠生產(chǎn)熱電阻全部符合ICE國際標準和國家有關(guān)規(guī)定，有鉑熱電阻和銅熱電阻兩大類，鉑電阻又分為云母骨架、陶瓷骨架、厚膜電阻和薄膜電阻等。銅電阻的骨架有聚碳酸酯制成。鉑電阻分度號Pt100,銅電阻分度號Cu50。BAI、BA2、Pt100鉑電阻和Cu100銅電阻可訂做。在此，我們選擇Pt100。圖3溫度傳感器圖圖3溫度傳感器圖4溫度變送器溫度變送器HAKK-WB系列溫度變送器為24V供電、二線制的一體化變送器。產(chǎn)品采用進口集成電路，將熱電阻的信號放大，并轉(zhuǎn)換成4-20mA或0-10mA的輸出電流,或0?5V的輸出電壓。其中鎧裝變送器可以直接測量汽體或液體的溫度特別適用于低溫范圍測量，克服了冷凝水對測溫所帶來的影響特點。Pt100溫度變送器用于Pt100鉑電阻信號需要遠距離傳送、現(xiàn)場有較強干擾源存在或信號需要接入DCS系統(tǒng)使用。鉑電阻溫度變送器采用獨特的雙層電路板結(jié)構(gòu)，下層是信號調(diào)理電路，上層電路可定義傳感器類型和測量范圍。孔板流量計HYG系列孔板流量計（又稱節(jié)流裝置、差壓式流量計）是測量流量的差壓發(fā)生裝置，配合各種差壓計或差壓變送器可測量管道中各種流體的流量?？装辶髁坑嫻?jié)流裝置包括環(huán)室孔板，噴嘴等?？装辶髁坑嫻?jié)流裝置與差壓變送器配套使用，可測量液體、蒸汽、氣體的流量，孔板流量計廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、輕工等部門。充滿管道的流體，當它們流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時，流束將在節(jié)流裝置的節(jié)流件處形成局部收縮，從而使流速增加，靜壓力低，于是在節(jié)流件前后便產(chǎn)生了壓力降，即壓差，介質(zhì)流動的流量越大，在節(jié)流件前后產(chǎn)生的壓差就越大，所以孔板流量計可以通過測量壓差來衡量流體流量的大小。這種測量方法是以能量守衡定律和流動連續(xù)性定律為基準的。圖5孔板流量計 圖6差壓變送器差壓變送器3051X高精度差壓變送器具備EJA原裝表所有功能，還擴展了一些實用功能。旋轉(zhuǎn)開關(guān)可PV值清零，順時針增大，逆時針減小，可以1“A調(diào)整，也可大范圍調(diào)整。3051X高精度差壓變送器主要性能和參數(shù)：（1）輸出信號：4?20mA.DC,二線制。（2）供電電壓：12V?45V.DC。（3）電源影響：V0.005%/V。（4）負載影響：電源穩(wěn)定時無負載影響。（5）啟動時間：＜2秒，不需預熱。（6）工作環(huán)境：-25°C?+70°C相對溫度：0?100%。遷移后的上下限絕對值均不應超過最大量程范圍的上限值。（7）負載特征：RLW（u-12）/i,式中：u―-供電電壓，i―-回路電流。（8）振動影響：任何方向200Hz振動土0.5%/g。（9）安裝位置：膜片未垂直安裝時，可能產(chǎn)生小于0.24Kpa的誤差，但可通過調(diào)零消除。（10）防爆類型：隔爆型ExdllCT5,本安型ExiallCT6.流量積算儀新虹潤NHR-5610系列流量積算控制儀針對現(xiàn)場溫度、流量等各種信號進行采集、顯示、控制、遠傳、通訊、打印等處理，構(gòu)成數(shù)字采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。雙屏LED數(shù)碼顯示，具有極寬的顯示測量范圍，可顯示整五位的瞬時流量測量值、入口/出口溫度測量值、流量（差壓、頻率）測量值等，及整11位的流量累積測

量值，0.2％級測量精度，0.1％級累積精度。具備36種信號輸入功能，可配接各種差壓信號（孔板裝置）、線性信號（電磁流量計）及脈沖信號（渦街流量計）?？蓭陕纺M量變送輸出。支持RS485、RS232串行接口，采用標準MODBUSRTU通訊協(xié)議。儀表可帶RS232C打印功能，具有手動、定時、報警打印功能。帶DC24V饋電輸出，為現(xiàn)場變送器配電。輸入、輸出、電源、通訊相互之間采用光電隔離技術(shù)。圖9程序調(diào)節(jié)器圖9程序調(diào)節(jié)器圖7流量積算儀圖8電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥RC系列電動調(diào)節(jié)閥包括驅(qū)動器，接受驅(qū)動器信號（0-10V或4-20mA）來控制閥門進行調(diào)節(jié)，也可根據(jù)控制需要，組成智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，優(yōu)化控制實現(xiàn)遠程監(jiān)控。UP-550程序調(diào)節(jié)器液晶顯示高性能程序調(diào)節(jié)器，UP550程序調(diào)節(jié)器1/4DIN型是高級程序控制儀表，具有30種程序模式、5種強大的調(diào)節(jié)功能。還具有便于查看的大屏數(shù)字顯示，用于交互式程序模式與參數(shù)設(shè)定的LCD顯示特性。標配有自動協(xié)調(diào)功能、“SUPER”抑制過沖功能以及新增加的“SUPER”hunting抑制功能。位置比例調(diào)節(jié)與加熱/冷卻模式適合于多種應用。硬件設(shè)計5.1微處理器系統(tǒng)AT89S52單片機為主控制器件。AT89S52是ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗、高性能CMOS8位單片機，它除正常工作外還可工作于低功耗的閑置和掉電模式，進一步減少了芯片的功耗。單片機首先根據(jù)已經(jīng)測量的數(shù)值計算出溫度偏差，然后進行PID控制并計算出相應的控制數(shù)據(jù)量，將控制數(shù)據(jù)量輸出到D/A轉(zhuǎn)換器。AT89S52還負責按鍵處理、液晶顯示以及與上位機進行通信等工作。本系統(tǒng)采用8155A芯片來擴展鍵盤和液晶顯示，用MAX232實現(xiàn)RS-232C標準接口通信電路。鍵盤主要負責溫度控制范圍和PID控制參數(shù)的輸入；液晶顯示器采用LMC128X64液晶顯示模塊，把溫度控制結(jié)果顯示在液晶屏上。數(shù)據(jù)采集電路的工作原理溫度傳感器使用集成溫度傳感器LM35，它的靈敏度為10MV/°C，即溫度為10°C時，輸出電壓為lOOmV。常溫下測溫精度為+/-0.5C以內(nèi)，消耗電流最大也只有70“A。本文采用±5V雙電源供電方式，電路簡單，不需要對LM35的輸出進行調(diào)整。將LM35的輸出電壓放大5倍（注：根據(jù)發(fā)酵溫度的變化范圍和溫度傳感器的靈敏度，將電壓放大器的電壓放大倍數(shù)整定為5倍），使放大器輸出電壓限制在不大于5V的范圍（給定溫度對應值要在5V范圍之內(nèi)），以便與單片機的電平相匹配。放大電路采用集成運放組成，如TLC2272等。由于溫度信號為緩慢變化的信號，對A/D轉(zhuǎn)換速度要求不高，可選用價廉的集成A/D芯片ADC0809。ADC0809將經(jīng)過5倍電壓放大的電壓模擬量轉(zhuǎn)化成與其大小成正比的數(shù)字量，并送給單片機。蜂鳴器報警電路系統(tǒng)時刻檢測發(fā)酵溫度值，出現(xiàn)異常時啟動蜂鳴器報警。蜂鳴器報警電路由晶體管和蜂鳴器組成。由單片機I/O口輸出信號控制晶體管的導通或截止，晶體管導通，則蜂鳴器報警。驅(qū)動電路DAC0832輸出的0-5V的電壓經(jīng)過放大器放大為0-10V的電壓。由于DDZ-III型電動角形閥的控制信號是4-20mA直流電流信號，因此需要將電壓信號轉(zhuǎn)換成相應的電流信號。V/I轉(zhuǎn)換電路使用集成電路AD694。DDZ-III型電動角形閥以單相交流220V電源為動力，接受4-20mA直流信號，自動地控制閥門的開度，從而達到對冷卻酒精水流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)發(fā)酵罐內(nèi)溫度的控制，使實際溫度向著給定溫度變化并最終達到給定溫度。5.5整體電路圖本系統(tǒng)主要由AT89S52單片機、溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換電路、8155擴展電路、液晶顯示接口、鍵盤接口、蜂鳴器報警電路、串口通信電路、DAC0832、電壓放大和V/I轉(zhuǎn)換等單元組成?？刂葡到y(tǒng)硬件組成框圖如圖10所示。圖10控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖6數(shù)字控制器的設(shè)計6.1常規(guī)PID控制器常規(guī)的PID調(diào)節(jié)方法，即比例、積分、微分控制規(guī)律。是在工業(yè)生產(chǎn)中應用最廣泛、研究得最成熟的一種簡單的自適應控制方式，即使在歐、美、日等工業(yè)發(fā)達的國家，采用現(xiàn)代的高級控制算法的回路數(shù)也僅占很小的比例，90%以上的控制回路基本上還是采用PID控制算法。其原因主要有以下幾個方面：PID控制不要求嚴格掌握被控對象的數(shù)學模型，而現(xiàn)代的控制算法是以精確的數(shù)學模型為基礎(chǔ)的。PID控制算法結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、物理概念清晰等，容易被現(xiàn)場工程師所接受。在近半個世紀的PID算法發(fā)展過程中，廣大工程技術(shù)人員已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，摸索出了一系列整定PID參數(shù)的方法。對于PID控制盡管取得了一系列的研究成果和應用經(jīng)驗，但人們對PID的認識和改進還遠沒有完成。到目前為止對PID的機理、適用范圍、魯棒性等問題還沒有徹底的全面的分析研究。事實上，PID并非萬能的控制器，在存在多變量禍合、時變、大時滯、強干擾等復雜動態(tài)特性的系統(tǒng)中，PID很難獲得理想的控制效果，甚至產(chǎn)生不穩(wěn)定。因此，有必要對PID的控制機理進行全面的分析，并對在上述場合中的應用提出改進的辦法。PID控制中的一個關(guān)鍵問題是PID參數(shù)整定，傳統(tǒng)的整定方法是在獲得被控對象數(shù)學模型的基礎(chǔ)上按照某種整定原則來進行PID參數(shù)值的整定。而實際的工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性，時變不確定性，難以建立精確的數(shù)學模型，應用常規(guī)的PID控制不能達到理想的控制效果。另外，在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，PID參數(shù)整定與自整定的方法很多，但往往難以實施或不太理想，常規(guī)PID控制器參數(shù)常常整定不良，性能欠佳，對運行工況的適應性差。因此，在PID參數(shù)的整定及自整定方面還有待進一步深入研究。從結(jié)構(gòu)上看PID控制器最簡單，但并非最優(yōu)，在克服較大擾動影響，提高系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)等方面，光靠調(diào)整參數(shù)難以獲得滿意的控制效果。因此，還有必要在全面分析的基礎(chǔ)上，對PID控制器進行結(jié)構(gòu)上的改進。PID算式加特殊處理采用增量型PID控制算式Au(K)二q(k)+q(k—1)+q(k—2)0e 1e 2eTTq=K(1+—+-d)0pTT

2Tq=~k(i+/)1pTTq—Kd2pTe(k)—r(k)-y(k)其中：r(k)為第K個采樣周期的實測溫度值；y(k)為第K個采樣周期的實測溫度值；T為采樣周期(T=2s)。根據(jù)被控對象的特點，在PID算式的基礎(chǔ)上，進行以下特殊處理：在保溫段，r(k)不變，采用PI控制算式；降溫段采用PID控制算式；為了減小被控對象純滯后的影響，在給定溫度曲線轉(zhuǎn)折處作特殊處理，即由保溫段轉(zhuǎn)至降溫段時提前開大調(diào)節(jié)閥，而在降溫段轉(zhuǎn)至保溫段時提前關(guān)小調(diào)節(jié)閥，其目的是使溫度轉(zhuǎn)折時平滑過渡。另外，需對控制量Au(k)和閥位輸出進行限幅。實際操作時，必須對心(k)加以限制，即滿足Au <Au(k)<Auminmax當Au(k)<Au時取Au(k)—Au；當min時，取min；當A當Au(k)>Au當max時，取Au(k)—Au ；max因采用的調(diào)節(jié)閥控制信號為4?20mA(DC)，且D/A轉(zhuǎn)換為12位，因此取Au—8i9；Au—4095minmax采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量Au(k)對應得是本次執(zhí)行機構(gòu)位置(如閥門開度)的增量，對應閥門實際位置的控制量是通過累積歷次控制增量形成的，常用的累積元件有步進電動機等。增量式PID在算法上有不少優(yōu)點：1?計算機發(fā)生故障時，影響范圍小。由于它每次只輸出控制增量，即對應執(zhí)行機構(gòu)位置的變化量，輸出變化范圍不大(0?±Aumax)，所以，當計算機發(fā)生故障時，不會嚴重影響生產(chǎn)過程。2?手動-自動切換時沖擊小。由于它每次輸出的最大幅度為Aumax，所以，當控制從手動切換到自控時，可做到無擾動，即可實現(xiàn)無擾動切換。3?計算工作量小。算式中不需要累加。7系統(tǒng)軟件設(shè)計——程序流程圖7.1軟件設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計方法，便于功能擴展，程序可采用匯編語言進行編程。程序模塊主要包括：主程序、PID數(shù)據(jù)處理、按鍵處理、溫度采樣與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、越限報警等子程序。本文重點介紹主程序流程圖和數(shù)據(jù)處理模塊。主程序控制系統(tǒng)主程序控制系統(tǒng)主程序的流程圖如圖11所示。本系統(tǒng)利用定時循環(huán)輪流對8個溫度進行實時采樣，為了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的巡回測量，必須有相應的程序來選擇溫度輸入通道。用戶可以通過鍵盤設(shè)定溫度的上限值和下限值、偏差e(k)絕對值的設(shè)定值M、PID控制的系數(shù)kp、ki和kd等參數(shù)。圖11控制系統(tǒng)主程序的流程圖7.2.2數(shù)據(jù)處理模塊本溫控系統(tǒng)采用的數(shù)字PID算法由軟件實現(xiàn)，增量PID控制算法的優(yōu)點是編程簡單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲空間少，運算快。但是對于溫度這種響應緩慢、滯后性大的過程，不能用標準的PID算法進行控制。當擾動較大或者給定的溫度值大幅度變化時，由于產(chǎn)生較大的偏差，加上溫控本身的慣性及滯后，在積分作用下，系統(tǒng)往往產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的振蕩。因此，為克服這種不良的影響，采用積分分離法對增量PID算法進行改進。當偏差e(k)絕對值較大時，暫時取消積分作用；當偏差e(k)絕對值小于某一設(shè)定值M時，才將積分作用投入。當|e(k)|<M時，用PID控制。偏差小，說明系統(tǒng)溫度已經(jīng)接近設(shè)定值，此時加入積分作用，可消除系統(tǒng)靜差，保證系統(tǒng)的控制精度。根據(jù)遞增原理可得U(k)=kpe(k)+kiki=O!e(i)+kd[e(k)—e(k—1)] (1)式中：e(k)=r(k)-y(k)為第k時刻所得偏差信號，rk是給定值，yk是實際輸出值；kp為比例增益，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)。則增量式PID控制算法為Au(k)=kp[e(k)—e(k—1)]+kie(k)+kd[e(k)—2e(k—1)+e(k—2)] (2)當|e(k)丨三M時，用PD控制。由于偏差大，說明系統(tǒng)溫度遠離設(shè)定值，應快速降溫，采用PD控制，可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，減小動態(tài)誤差。數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖12所示。tn計算ki[e(k>-2e(k-l)-e(k-2)]1-雲(yún)計算kp[E(kXtn計算ki[e(k>-2e(k-l)-e(k-2)]1-雲(yún)計算kp[E(kX(k-l)]沁PID控勺世也u(k)衣耳PD攔芒打己皿辱(k)子隹字人=1圖12數(shù)據(jù)處理程序路程圖8抗干擾分析8.1硬件抗干擾分析使用計算機控制系統(tǒng)來控制麥汁發(fā)酵的工作環(huán)境往往比較復雜、惡劣，尤其是系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境，對系統(tǒng)的可靠性與安全性構(gòu)成極大的威脅。計算機控制系統(tǒng)必須長期穩(wěn)定可靠地運行，否則就會導致系統(tǒng)誤差增大．嚴重時會使系統(tǒng)失靈，造成巨大損失。影響系統(tǒng)安全可靠運行的主要因素來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種干擾。所謂干擾，就是有用信號以外的噪聲或造成計算機控制系統(tǒng)不能正常工作的破壞因素。干擾源與干擾的耦合干擾對于控制計算機系統(tǒng)產(chǎn)生的影響是不可忽視的。在對系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進行測量的過程中，干擾信號會使側(cè)最信號產(chǎn)生誤差，依照此測量結(jié)果運算得出的控制命令也不可能是正確的；在按照給定的控制規(guī)律進行控制的過程中，干擾信號可能導致誤操作。干擾來源電源干擾是指來自供電電源的干擾，主耍類型有：浪涌、尖峰、噪聲和斷電等。我國采用高電壓(220v)高內(nèi)阻電網(wǎng)，與采用低電壓(例如100V或110V)低內(nèi)阻電網(wǎng)相比，電網(wǎng)受到的污染程度會比較嚴重?？臻g干擾主要指來自周圍環(huán)境的干擾，主要類型有靜電和電場的干擾、磁場的干擾、電磁輻射干擾等。此外自然界也產(chǎn)生干擾，如太陽輻射電磁波，空中雷電造成的過電壓或過電流等。設(shè)備干擾是指設(shè)備內(nèi)部或設(shè)備之間產(chǎn)生的干擾。電氣設(shè)備漏電、接地系統(tǒng)不完善，或測量部件絕緣不好，均會使通道中串人共模電壓或差模電壓力；各個通道的若干線路同用一跟電纜或綁扎在一起，會通過電磁感應而相互產(chǎn)生干擾，特別是交流220V電源線，極易在低于15V的測量通道中構(gòu)成共模干擾或差模干擾。根據(jù)以上3中干擾的描述，在本系統(tǒng)中，會存在不可避免的來自交流電源的干擾，需要一定的防護措施來減小干擾；因啤酒發(fā)酵罐不會置放于裸露的場地，所以來自空間的干擾較為輕松；與其他兩種干擾相比，較為嚴重的是來自設(shè)備的干擾，各種設(shè)備儀器的互相干擾可能會讓情況愈發(fā)糟糕。干擾信號的耦合方式干擾信號進人到計算機控制系統(tǒng)中的主要耦合方式可分為6種：直接耦合方式、靜電耦合方式、電磁耦合方式、共阻抗耦合方式、電磁場輻射耦合方式和漏電耦合方式。現(xiàn)將它們的作用機理分別作簡要說明。直接耦合方式電導性耦合最普遍的方式是干擾信號經(jīng)過導線直接傳缽到被干擾電路中而造成干擾。在計算機控制系統(tǒng)中，干擾噪聲經(jīng)過電源線耦合進入

系統(tǒng)電路是最常見的直接干擾現(xiàn)象。對這種耦合方式，可采用濾波去耦的方法有效地抑制。（2）靜電耦合方式（電容性耦合方式）這是指電位變化在干擾源與干擾對象之間引起的靜電感應，又稱電容性耦合或電場耦合。計算機控制系統(tǒng)電路的元件之間、導線之間、導線與元件之間都存在著分布電容。如果某個導體上的信號電壓（或噪聲電壓）通過分布電容使其他導體上的電位受到影響，這樣的現(xiàn)象就稱為靜電耦合。（3）電磁耦合方式（電感性耦合方式）載流電路周圍空間會產(chǎn)生磁場，位于其中的閉合電路將受交變磁場的影響而產(chǎn)生感應電勢并形成感應電流。在設(shè)備內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁就是一個很大的干擾源；在設(shè)備外部，當二根導線在較長的距離內(nèi)敷設(shè)或架設(shè)時，將會產(chǎn)生電磁耦合干擾。（4）共阻抗耦合方式當兩個電路的電流流經(jīng)一個公共阻抗時，一個電路在該阻抗上所產(chǎn)生的電壓降會影響到另一個電路，該種耦合方式稱作共阻抗耦合。這個電壓會干擾與公共阻抗相連的其他電路的工作。共阻抗耦合的主要形式有以下兒種1） 電源內(nèi)阻抗的耦合干擾。當用一個電源同時對多個電路供電時，電源內(nèi)阻R和線路電阻R就成為這些電路0的公共阻抗，任一電路因電流變化而在公共阻抗上產(chǎn)生的電壓就成了對其他電路的干擾源，如圖（2-52）所示。團2誦2團2誦2亞源共陀抗耦僉干擾過時，在地線上必產(chǎn)生電壓，該電壓就成為對有關(guān)電路的干擾電壓。圖（2-53）為通過公共地線耦合干擾的示意圖，圖中R、R、12R為地線電阻，Al、A23為前置電壓放大器，A3為功率放大器，A3的電流I較大，通過地線電阻R3時3產(chǎn)生的電壓為V=IR,V3就會對Al、A2產(chǎn)生干擾。3 333）輸出阻抗耦合干擾。當信號輸出電路接有多路負載時，任何一路負載電壓的變化都會通過線路公共阻抗（包括信號輸出電路的輸出阻抗和輸出接線阻抗）耦合而影響其他各路的輸出，產(chǎn)生干擾。圖（2-54）表示一個信號輸出電路同時向三路負載提供信號的示意圖。圖中Z為信號輸出電路的輸出阻抗，Z為輸出接sO線阻抗，Z為負載阻抗。L

W2-M輸岀融抗*含「擾W2-M輸岀融抗*含「擾I-2I-2M平石毀（6）漏電耦合方式（電阻性耦合）由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻R的漏電流將引起干擾。例如，用應變片測量時，通常要求應變片與結(jié)構(gòu)之間的絕緣電阻在100M歐姆以上，其目的就是使漏電電流干擾的影響盡量減小。綜上6種干擾信號的耦合方式，本系統(tǒng)可能受到直接耦合方式的干擾，這種情況可采用濾波去耦的方法有效抑制；可能受到靜電耦合方式的干擾，這種情況應注意敷設(shè)的導線之間應增大彼此之間的距離，并盡量使兩導線不要平行；可能受到電磁耦合方式的干擾，這種情況下應避免整個系統(tǒng)中大范圍使用大電流低電壓的使用；可能受到共阻抗耦合方式，為了抑制電源阻抗的耦合干擾，可采取如下措施：減小電源的內(nèi)阻、在電路中增加電源去耦濾波電路；可能受到電磁場輻射耦合方式的干擾，對于這種情況，應該注意采用一定的屏蔽措施；可能受到漏電耦合方式的干擾，應注意設(shè)備漏電。8.3軟件抗干擾分析在計算機控制系統(tǒng)中除了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和每個具體的控制模板和1/0模板需要仔細設(shè)計硬件抗干擾措施之外，還需要注重軟件抗干擾措施的應用。有時一個偶然的人為或非人為干擾，例如并不很強烈的雷擊，就使得硬件抗干擾措施無能為力，導致主控模板死機（即程序跑飛）或者控制出錯（此時CPU內(nèi)部寄存器內(nèi)容被修改或者RAM和1/0口數(shù)據(jù)被修改）。這在某些工業(yè)環(huán)節(jié)將造成重大的事故。這時．使用軟件抗干擾措施就可以在一定程度上避免和減輕這些意外事故的后果。軟件抗干擾技術(shù)是利用軟件運行過程中的自我監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)中各機器間的相互監(jiān)控，來監(jiān)督和判斷控制系統(tǒng)是否出錯或失效的一個方法，這是計算機控制系統(tǒng)抗干擾的最后一道屏障?？撮T狗看門狗，又叫watchdogtimer,是一個定時器電路，一般有一個輸入，叫喂狗，一個輸出到MCU的R