計(jì)算機(jī)控制技術(shù)即啤酒發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)

1、無(wú) 錫 太 湖 學(xué) 院計(jì)算機(jī)控制技術(shù)大 作 業(yè) 報(bào) 告專業(yè) XXXXXXXXXX 學(xué)號(hào) XXXXXXX 姓名 XXXXXX 日期 20XXXXXX 1 大作業(yè)內(nèi)容及任務(wù)1.1問(wèn)題闡述麥汁發(fā)酵過(guò)程是啤酒生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)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(dòng)能力，生長(zhǎng)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(dá)到最佳狀態(tài)，必須嚴(yán)格控制各階段的溫度、壓力、pH值、溶解氧等條件。今對(duì)壓力、pH值、溶解氧等條件暫不關(guān)注，只考慮溫度的控制問(wèn)題，使其在給定的溫度曲線的0.5范圍內(nèi)。現(xiàn)設(shè)某啤酒廠有一個(gè)錐形啤酒發(fā)酵罐，錐體

2、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(dāng)罐內(nèi)溫度低于給定溫度時(shí)，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(dòng)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1.2設(shè)計(jì)目的通過(guò)本次大作業(yè)設(shè)計(jì)，掌握計(jì)算機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)相關(guān)步驟?？疾閷W(xué)生動(dòng)手能力和對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度，以及學(xué)生的查閱和收集信息能力。使學(xué)生熟悉本設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)及培養(yǎng)解決設(shè)計(jì)過(guò)程中可能遇到問(wèn)題的能力。 1.3設(shè)計(jì)要求 根據(jù)啤酒發(fā)酵過(guò)程，完成作業(yè)內(nèi)容及任務(wù)、對(duì)作業(yè)的認(rèn)知或解讀、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型框圖、系統(tǒng)硬

3、件元器件選型、硬件設(shè)計(jì)、數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖、抗干擾分析、心得體會(huì)和參考文獻(xiàn)。2對(duì)作業(yè)的認(rèn)知或解讀2.1啤酒生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介 啤酒生產(chǎn)過(guò)程主要包括糖化、發(fā)酵以及過(guò)濾分裝三個(gè)環(huán)節(jié)。 2.1.1糖化 糖化過(guò)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。2.1.2發(fā)酵啤酒發(fā)酵是一個(gè)微生物代謝過(guò)程，簡(jiǎn)單的說(shuō)是把糖化麥汁經(jīng)酵母發(fā)酵分解成C2H5OH， CO2， H2O的過(guò)程，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生種類繁多的中間代謝物雙乙酞、脂肪酸、高級(jí)醇、酮等，這些代謝產(chǎn)物的含量雖然極少，但它們對(duì)啤酒的質(zhì)量和口味的影響很大，

4、它們的產(chǎn)生主要取決于發(fā)酵溫度。一般認(rèn)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(jì)效益?？傊绾握莆蘸闷【瓢l(fā)酵過(guò)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(gè)放熱過(guò)程，如不加以控制，罐內(nèi)的溫度會(huì)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(duì)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(lái)吸收發(fā)酵過(guò)程中不斷放出的熱量，從而維持適宜的發(fā)酵溫度。整個(gè)發(fā)酵過(guò)程分前酵和后酵兩個(gè)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(huì)有所不同。 （1）前酵 這個(gè)階段又稱為主發(fā)酵。

5、麥汁接種酵母進(jìn)入前酵，接種酵母幾小時(shí)以后開始發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生CO2并釋放生化反應(yīng)熱，使整個(gè)罐內(nèi)的溫度逐漸上升。經(jīng)過(guò)23天后進(jìn)入發(fā)酵最為旺盛的高泡期再經(jīng)過(guò)23天，糖度進(jìn)一步降低，降糖速度變慢，酵母開始沉淀，當(dāng)罐內(nèi)發(fā)酵糖度達(dá)標(biāo)后進(jìn)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左右，降溫速率要求控制在0.3 0C /h。 （2）后酵 當(dāng)罐內(nèi)溫度從前酵的12降到5左右時(shí)后酵階段開始，這一階段最重要的是進(jìn)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(biāo)合格，發(fā)酵罐進(jìn)入第二個(gè)降溫過(guò)程，以0.150C/h的降溫速率把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從5

6、降到0-1左右進(jìn)行貯酒，以提高啤酒的風(fēng)味和質(zhì)量。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的貯酒，整個(gè)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(duì)罐內(nèi)發(fā)酵液的溫度場(chǎng)要有相應(yīng)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臏囟忍荻龋磸目刂粕蠈訙囟葹橹?，以利于發(fā)酵液對(duì)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(fù)溫度梯度，即控制以下層溫度為主，便于酵母的沉淀和排除。 2.1.3啤酒的過(guò)濾和灌裝 前、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過(guò)過(guò)濾機(jī)和高溫瞬時(shí)殺菌進(jìn)行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。啤酒過(guò)濾是一種分離過(guò)程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細(xì)胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會(huì)在以后的時(shí)間

7、里從啤酒中析出，導(dǎo)致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過(guò)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(dǎo)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(duì)其進(jìn)行生物穩(wěn)定性處理的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。 至此，一個(gè)啤酒和生產(chǎn)周期結(jié)束。3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(dòng)操作控制，啤酒質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，酒損嚴(yán)重，不能靈活地修改工藝參數(shù)。為此我們以AT89S52單片機(jī)芯片為核心，研究和設(shè)計(jì)了數(shù)字化的啤酒發(fā)酵過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，很好地解決上述問(wèn)題。 3.1啤酒發(fā)酵過(guò)程溫控對(duì)象的特點(diǎn) 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，

8、酵母在罐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)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(yīng)的設(shè)立上、中、下三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和三個(gè)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)閥門調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)冷卻液的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)象是一個(gè)三輸入、三輸出的多變量系統(tǒng)，機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)表明啤酒發(fā)酵罐的溫控對(duì)象不同于一般的工業(yè)對(duì)象，主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)： 圖2 發(fā)酵罐工藝示意圖(1)時(shí)滯很大 在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中，由于生化反作用產(chǎn)生的生化反應(yīng)熱導(dǎo)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(lái)帶走多余的反應(yīng)熱。由于罐內(nèi)沒(méi)有攪拌裝置和加熱裝置，冷媒發(fā)酵液間主要

9、依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱量交換，發(fā)酵液內(nèi)部存在一定的對(duì)流，影響到測(cè)溫點(diǎn)，這就使得控制量的變化后，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，被控量才發(fā)生變化，因此這類系統(tǒng)會(huì)表 現(xiàn)出很大的時(shí)滯效應(yīng)。例如一個(gè)120m3啤酒發(fā)酵罐溫度響應(yīng)的滯后時(shí)間一般在530min之內(nèi)變化。 (2)時(shí)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(yīng)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(guò)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(duì)象特性具有明顯的時(shí)變性。 (3)大時(shí)間常數(shù) 發(fā)酵罐體積大，發(fā)酵液體通過(guò)罐壁與冷卻水進(jìn)行熱交換的過(guò)程比較慢。 (4)強(qiáng)關(guān)聯(lián) 因?yàn)楣迌?nèi)酒體的對(duì)流，所以在任一控制量的變化均會(huì)引起三個(gè)

10、被控量的變化。 在分析對(duì)象特性的時(shí)候，由于受到認(rèn)識(shí)上的限制，往往也不能確切掌握工業(yè)過(guò)程中各種物理、化學(xué)變化的本質(zhì)特征，這也必然會(huì)導(dǎo)致獲取的對(duì)象特性與實(shí)際特性存在難以確定的偏差。例如啤酒生產(chǎn)過(guò)程酵母特性、原料特性等許多因素的變化都會(huì)引起被控系統(tǒng)特性參數(shù)的變化和攝動(dòng)，而這些因素在實(shí)際系統(tǒng)中都是很難在線或?qū)崟r(shí)獲取的。4系統(tǒng)硬件元器件儀表選型4.1溫度傳感器工業(yè)裝配式熱電阻通常用來(lái)顯示儀表和計(jì)算機(jī)配套，直接測(cè)量各種生產(chǎn)過(guò)程中-200+500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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)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

11、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(hào)Pt100，銅電阻分度號(hào)Cu50。BA1、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4 溫度變送器4.2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(jìn)口集成電路，將熱電阻的信號(hào)放大，并轉(zhuǎn)換成4-20mA或0-10mA的輸出電流,或05V的輸出電壓。其中鎧裝變送器可以直接測(cè)量汽體或液體的溫度特別適用于低溫范圍測(cè)量，克服了冷凝水對(duì)測(cè)溫所帶來(lái)的影響特點(diǎn)。 Pt100溫度變送器用于Pt100鉑電阻信號(hào)需要遠(yuǎn)距離傳送、現(xiàn)場(chǎng)有較強(qiáng)干擾源存在或信號(hào)需要接入DCS

12、系統(tǒng)使用。鉑電阻溫度變送器采用獨(dú)特的雙層電路板結(jié)構(gòu)，下層是信號(hào)調(diào)理電路，上層電路可定義傳感器類型和測(cè)量范圍。4.3孔板流量計(jì)HYG系列孔板流量計(jì)（又稱節(jié)流裝置、差壓式流量計(jì)）是測(cè)量流量的差壓發(fā)生裝置，配合各種差壓計(jì)或差壓變送器可測(cè)量管道中各種流體的流量。孔板流量計(jì)節(jié)流裝置包括環(huán)室孔板，噴嘴等?？装辶髁坑?jì)節(jié)流裝置與差壓變送器配套使用，可測(cè)量液體、蒸汽、氣體的流量，孔板流量計(jì)廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、輕工等部門。充滿管道的流體，當(dāng)它們流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流裝置時(shí)，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(dòng)的流量越大，在節(jié)流件

13、前后產(chǎn)生的壓差就越大，所以孔板流量計(jì)可以通過(guò)測(cè)量壓差來(lái)衡量流體流量的大小。這種測(cè)量方法是以能量守衡定律和流動(dòng)連續(xù)性定律為基準(zhǔn)的。圖5 孔板流量計(jì) 圖6 差壓變送器4.4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(kuò)展了一些實(shí)用功能。旋轉(zhuǎn)開關(guān)可PV值清零，順時(shí)針增大，逆時(shí)針減小,可以1A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(hào)：420mA.DC,二線制。（2）供電電壓：12V45V.DC。（3）電源影響：0.005%/V。（4）負(fù)載影響：電源穩(wěn)定時(shí)無(wú)負(fù)載影響。（5）啟動(dòng)時(shí)間：2秒，不需預(yù)熱。（6）工作環(huán)境：-25+70 相對(duì)溫度：0100

14、%。遷移后的上下限絕對(duì)值均不應(yīng)超過(guò)最大量程范圍的上限值。（7）負(fù)載特征：RL（u-12）/i，式中：u-供 電電壓， i-回路電流。（8）振動(dòng)影響：任何方向200Hz振動(dòng)0.5%/g。（9）安裝位置：膜片未垂直安 裝時(shí)，可能產(chǎn)生小于0.24Kpa的誤差，但可通過(guò)調(diào)零消除。（10）防爆類型：隔爆型ExdllCT5,本安型ExiallCT6. 4.5流量積算儀新虹潤(rùn)NHR-5610系列流量積算控制儀針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、流量等各種信號(hào)進(jìn)行采集、顯示、控制、遠(yuǎn)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(cè)量范圍，可顯示整五位的瞬時(shí)流量測(cè)量值、入口/出口溫度測(cè)量值、流量

15、（差壓、頻率）測(cè)量值等，及整11位的流量累積測(cè)量值，0.2級(jí)測(cè)量精度，0.1級(jí)累積精度。具備36種信號(hào)輸入功能，可配接各種差壓信號(hào)（孔板裝置）、線性信號(hào)（電磁流量計(jì)）及脈沖信號(hào)（渦街流量計(jì)）?？蓭陕纺M量變送輸出。支持RS485、RS232串行接口，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU通訊協(xié)議。儀表可帶RS232C打印功能，具有手動(dòng)、定時(shí)、報(bào)警打印功能。帶DC24V饋電輸出，為現(xiàn)場(chǎng)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7 流量積算儀 圖8 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥4.6電動(dòng)調(diào)節(jié)閥RC系列電動(dòng)調(diào)節(jié)閥包括驅(qū)動(dòng)器，接受驅(qū)動(dòng)器信號(hào)（0-10V或4-20mA）來(lái)控制閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可根據(jù)控制需要，組

16、成智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。4.7 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(jí)程序控制儀表，具有30種程序模式、5種強(qiáng)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(biāo)配有自動(dòng)協(xié)調(diào)功能、“SUPER”抑制過(guò)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(yīng)用。圖9 程序調(diào)節(jié)器5硬件設(shè)計(jì)5.1微處理器系統(tǒng) AT89S52單片機(jī)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(jī)，它除正常工作外還可工作于低功耗的閑置和掉

17、電模式，進(jìn)一步減少了芯片的功耗。單片機(jī)首先根據(jù)已經(jīng)測(cè)量的數(shù)值計(jì)算出溫度偏差，然后進(jìn)行PID控制并計(jì)算出相應(yīng)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(fù)責(zé)按鍵處理、液晶顯示以及與上位機(jī)進(jìn)行通信等工作。本系統(tǒng)采用8155A芯片來(lái)擴(kuò)展鍵盤和液晶顯示，用MAX232實(shí)現(xiàn)RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口通信電路。鍵盤主要負(fù)責(zé)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。 5.2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/，即溫度為10時(shí)，輸出電壓為100mV。常溫下測(cè)溫精度為+/-0.5以

18、內(nèi)，消耗電流最大也只有70A。本文采用5V雙電源供電方式，電路簡(jiǎn)單，不需要對(duì)LM35的輸出進(jìn)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(duì)應(yīng)值要在5V范圍之內(nèi)），以便與單片機(jī)的電平相匹配。放大電路采用集成運(yùn)放組成，如TLC2272等。 由于溫度信號(hào)為緩慢變化的信號(hào)，對(duì)A/D轉(zhuǎn)換速度要求不高，可選用價(jià)廉的集成A/D芯片ADC0809。ADC0809將經(jīng)過(guò)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(jī)。 5.3蜂鳴器報(bào)警電路 系統(tǒng)時(shí)刻檢測(cè)發(fā)酵溫度值

19、，出現(xiàn)異常時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警電路由晶體管和蜂鳴器組成。由單片機(jī)I/O口輸出信號(hào)控制晶體管的導(dǎo)通或截止，晶體管導(dǎo)通，則蜂鳴器報(bào)警。 5.4驅(qū)動(dòng)電路 DAC0832輸出的0-5V的電壓經(jīng)過(guò)放大器放大為0-10V的電壓。由于DDZ-III型電動(dòng)角形閥的控制信號(hào)是4-20mA直流電流信號(hào)，因此需要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)。V/I轉(zhuǎn)換電路使用集成電路AD694。DDZ-III型電動(dòng)角形閥以單相交流220V電源為動(dòng)力，接受4-20mA直流信號(hào)，自動(dòng)地控制閥門的開度，從而達(dá)到對(duì)冷卻酒精水流量的連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐內(nèi)溫度的控制，使實(shí)際溫度向著給定溫度變化并最終達(dá)到給定溫度。 5.5整體電路圖

20、本系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)、溫度采集與A/D轉(zhuǎn)換電路、8155擴(kuò)展電路、液晶顯示接口、鍵盤接口、蜂鳴器報(bào)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(jì)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(yīng)用最廣泛、研究得最成熟的一種簡(jiǎn)單的自適應(yīng)控制方式，即使在歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，采用現(xiàn)代的高級(jí)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(gè)方面:1.PID控制不要求嚴(yán)格掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)

21、模型，而現(xiàn)代的控制算法是以精確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的。2.PID控制算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、物理概念清晰等，容易被現(xiàn)場(chǎng)工程師所接受。3.在近半個(gè)世紀(jì)的PID算法發(fā)展過(guò)程中，廣大工程技術(shù)人員已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，摸索出了一系列整定PID參數(shù)的方法。 對(duì)于PID控制盡管取得了一系列的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但人們對(duì)PID的認(rèn)識(shí)和改進(jìn)還遠(yuǎn)沒(méi)有完成。到目前為止對(duì)PID的機(jī)理、適用范圍、魯棒性等問(wèn)題還沒(méi)有徹底的全面的分析研究。事實(shí)上，PID并非萬(wàn)能的控制器，在存在多變量禍合、時(shí)變、大時(shí)滯、強(qiáng)干擾等復(fù)雜動(dòng)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(duì)PID的控制機(jī)理進(jìn)行全面的分析，并

22、對(duì)在上述場(chǎng)合中的應(yīng)用提出改進(jìn)的辦法。 PID控制中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是PID參數(shù)整定，傳統(tǒng)的整定方法是在獲得被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上按照某種整定原則來(lái)進(jìn)行PID參數(shù)值的整定。而實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程往往具有非線性，時(shí)變不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)的PID控制不能達(dá)到理想的控制效果。另外，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，PID參數(shù)整定與自整定的方法很多，但往往難以實(shí)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(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性差。因此，在PID參數(shù)的整定及自整定方面還有待進(jìn)一步深入研究。 從結(jié)構(gòu)上看PID控制器最簡(jiǎn)單，但并非最優(yōu)，在克服較大擾動(dòng)影響，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)等方面，光靠調(diào)整參數(shù)難以

23、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(duì)PID控制器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。6.2 PID算式加特殊處理采用增量型PID控制算式 式中 其中：r(k)為第K個(gè)采樣周期的實(shí)測(cè)溫度值； y(k)為第K個(gè)采樣周期的實(shí)測(cè)溫度值； T為采樣周期（T=2s）。根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)，在PID算式的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(duì)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(shí)提前開大調(diào)節(jié)閥，而在降溫段轉(zhuǎn)至保溫段時(shí)提前關(guān)小調(diào)節(jié)閥，其目的是使溫度轉(zhuǎn)折時(shí)平滑過(guò)渡。 另外，需對(duì)控制量和閥位輸出進(jìn)行限幅。實(shí)際操作

24、時(shí)，必須對(duì)加以限制，即滿足當(dāng)時(shí)，?。划?dāng)時(shí)，?。?因采用的調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)為420mA(DC) ，且D/A轉(zhuǎn)換為12位，因此??；采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量對(duì)應(yīng)得是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置（如閥門開度）的增量，對(duì)應(yīng)閥門實(shí)際位置的控制量是通過(guò)累積歷次控制增量形成的，常用的累積元件有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。增量式PID在算法上有不少優(yōu)點(diǎn)：1.計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，影響范圍小。由于它每次只輸出控制增量，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，輸出變化范圍不大（0），所以，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程。2.手動(dòng)-自動(dòng)切換時(shí)沖擊小。由于它每次輸出的最大幅度為，所以，當(dāng)控制從手動(dòng)切換到自控時(shí)

25、，可做到無(wú)擾動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。3.計(jì)算工作量小。算式中不需要累加。7系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖7.1軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，便于功能擴(kuò)展，程序可采用匯編語(yǔ)言進(jìn)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(bào)警等子程序。本文重點(diǎn)介紹主程序流程圖和數(shù)據(jù)處理模塊。 7.2主程序 7.2.1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(shí)循環(huán)輪流對(duì)8個(gè)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，為了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的巡回測(cè)量，必須有相應(yīng)的程序來(lái)選擇溫度輸入通道。用戶可以通過(guò)鍵盤設(shè)定溫度的上限值和下限值、偏差e(k)絕對(duì)值的設(shè)定值M、PI

26、D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(shí)現(xiàn)，增量PID控制算法的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可以遞推使用，占用存儲(chǔ)空間少，運(yùn)算快。但是對(duì)于溫度這種響應(yīng)緩慢、滯后性大的過(guò)程，不能用標(biāo)準(zhǔn)的PID算法進(jìn)行控制。當(dāng)擾動(dòng)較大或者給定的溫度值大幅度變化時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間的振蕩。因此，為克服這種不良的影響，采用積分分離法對(duì)增量PID算法進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)偏差e(k)絕對(duì)值較大時(shí)，暫時(shí)取消積分作用；當(dāng)偏差e(k)絕對(duì)值小于某一設(shè)定值M時(shí)，才將積分作用投入。 1）

27、當(dāng)|e(k)|M時(shí)，用PID控制。偏差小，說(shuō)明系統(tǒng)溫度已經(jīng)接近設(shè)定值，此時(shí)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)kp(k)+kiki0!(i)+kde(k)-e(k-1) （） 式中：e(k)=r(k)-y(k)為第時(shí)刻所得偏差信號(hào)，rk是給定值，yk是實(shí)際輸出值；kp為比例增益，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)。則增量式控制算法為 u(k)kpe(k)-e(k-1)+kie(k)+kde(k)-2e(k-1)+e(k-2) （） 2）當(dāng)|e(k)|M時(shí)，用PD控制。由于偏差大，說(shuō)明系統(tǒng)溫度遠(yuǎn)離設(shè)定值，應(yīng)快速降溫，采用PD控制，可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，避

28、免產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)，減小動(dòng)態(tài)誤差。 數(shù)據(jù)處理程序流程圖如圖12所示。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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)控制麥汁發(fā)酵的工作環(huán)境往往比較復(fù)雜、惡劣，尤其是系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)的可靠性與安全性構(gòu)成極大的威脅。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)必須長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，否則就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差增大嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)失靈，造成巨大損失。影響系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的主要因素來(lái)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(hào)以外的噪聲或造成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不能正常工作的破壞因素。8.2干擾源與干擾的耦合干擾對(duì)于控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響是不可忽視的。在對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，干擾信號(hào)會(huì)使

29、側(cè)最信號(hào)產(chǎn)生誤差，依照此測(cè)量結(jié)果運(yùn)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(jìn)行控制的過(guò)程中，干擾信號(hào)可能導(dǎo)致誤操作。8.2.1干擾來(lái)源(1）電源干擾 是指來(lái)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(guó)采用高電壓（220v）高內(nèi)阻電網(wǎng)，與采用低電壓（例如l00V或110V）低內(nèi)阻電網(wǎng)相比，電網(wǎng)受到的污染程度會(huì)比較嚴(yán)重。(2）空間干擾 主要指來(lái)自周圍環(huán)境的干擾，主要類型有靜電和電場(chǎng)的干擾、磁場(chǎng)的干擾、電磁輻射干擾等。此外自然界也產(chǎn)生干擾，如太陽(yáng)輻射電磁波，空中雷電造成的過(guò)電壓或過(guò)電流等。(3）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

30、測(cè)量部件絕緣不好，均會(huì)使通道中串人共模電壓或差模電壓力；各個(gè)通道的若干線路同用一跟電纜或綁扎在一起，會(huì)通過(guò)電磁感應(yīng)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(cè)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(huì)存在不可避免的來(lái)自交流電源的干擾，需要一定的防護(hù)措施來(lái)減小干擾；因啤酒發(fā)酵罐不會(huì)置放于裸露的場(chǎng)地，所以來(lái)自空間的干擾較為輕松；與其他兩種干擾相比，較為嚴(yán)重的是來(lái)自設(shè)備的干擾，各種設(shè)備儀器的互相干擾可能會(huì)讓情況愈發(fā)糟糕。 8.2.2 干擾信號(hào)的耦合方式干擾信號(hào)進(jìn)人到計(jì)算機(jī)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

31、耦合方式、電磁場(chǎng)輻射耦合方式和漏電耦合方式?，F(xiàn)將它們的作用機(jī)理分別作簡(jiǎn)要說(shuō)明。(l）直接耦合方式 電導(dǎo)性耦合最普遍的方式是干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)導(dǎo)線直接傳缽到被干擾電路中而造成干擾。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，干擾噪聲經(jīng)過(guò)電源線耦合進(jìn)入系統(tǒng)電路是最常見的直接干擾現(xiàn)象。對(duì)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(duì)象之間引起的靜電感應(yīng)，又稱電容性耦合或電場(chǎng)耦合。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)電路的元件之間、導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與元件之間都存在著分布電容。如果某個(gè)導(dǎo)體上的信號(hào)電壓（或噪聲電壓）通過(guò)分布電容使其他導(dǎo)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

32、耦合方式（電感性耦合方式） 載流電路周圍空間會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，位于其中的閉合電路將受交變磁場(chǎng)的影響而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)并形成感應(yīng)電流。在設(shè)備內(nèi)部，線圈或變壓器的漏磁就是一個(gè)很大的干擾源；在設(shè)備外部，當(dāng)二根導(dǎo)線在較長(zhǎng)的距離內(nèi)敷設(shè)或架設(shè)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電磁耦合干擾。(4）共阻抗耦合方式 當(dāng)兩個(gè)電路的電流流經(jīng)一個(gè)公共阻抗時(shí)，一個(gè)電路在該阻抗上所產(chǎn)生的電壓降會(huì)影響到另一個(gè)電路，該種耦合方式稱作共阻抗耦合。這個(gè)電壓會(huì)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l）電源內(nèi)阻抗的耦合干擾。當(dāng)用一個(gè)電源同時(shí)對(duì)多個(gè)電路供電時(shí)，電源內(nèi)阻R0和線路電阻R就成為這些電路的公共阻抗，任一電路因電流變化而在公共阻抗

33、上產(chǎn)生的電壓就成了對(duì)其他電路的干擾源，如圖（2-52）所示。2）公共地線耦合干擾。由于地線本身具有一定的阻抗，當(dāng)其中有電流通過(guò)時(shí)，在地線上必產(chǎn)生電壓，該電壓就成為對(duì)有關(guān)電路的干擾電壓。圖（2-53）為通過(guò)公共地線耦合干擾的示意圖，圖中R1、R2、R3為地線電阻，A1、A2為前置電壓放大器，A3為功率放大器，A3的電流I3較大，通過(guò)地線電阻R3時(shí)產(chǎn)生的電壓為V3=I3R3,V3就會(huì)對(duì)A1、A2產(chǎn)生干擾。3）輸出阻抗耦合干擾。當(dāng)信號(hào)輸出電路接有多路負(fù)載時(shí)，任何一路負(fù)載電壓的變化都會(huì)通過(guò)線路公共阻抗（包括信號(hào)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(gè)

34、信號(hào)輸出電路同時(shí)向三路負(fù)載提供信號(hào)的示意圖。圖中Zs為信號(hào)輸出電路的輸出阻抗，ZO為輸出接線阻抗，ZL為負(fù)載阻抗。 (5）電磁場(chǎng)輻射耦合方式 當(dāng)高頻電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，在該導(dǎo)體周圍產(chǎn)生電力線和磁力線，它們隨著導(dǎo)體各個(gè)部分的電荷變化而變化，從而形成一種在空間傳播的電磁波。處于電磁波中的導(dǎo)體，將受到電磁波的作用而感應(yīng)出相應(yīng)頻率的電動(dòng)勢(shì)。電磁場(chǎng)輻射干擾是一種無(wú)規(guī)則的干擾，它極易通過(guò)電源耦合到系統(tǒng)中來(lái)。另外，過(guò)長(zhǎng)的信號(hào)線和控制線具有天線效應(yīng)，它們既能接收干擾波，又能輻射干擾波。(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(yīng)變片測(cè)量時(shí)，通常要求應(yīng)變片與結(jié)構(gòu)之間的

35、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(hào)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(yīng)注意敷設(shè)的導(dǎo)線之間應(yīng)增大彼此之間的距離，并盡量使兩導(dǎo)線不要平行；可能受到電磁耦合方式的干擾，這種情況下應(yīng)避免整個(gè)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(chǎng)輻射耦合方式的干擾，對(duì)于這種情況，應(yīng)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(yīng)注意設(shè)備漏電。8.3軟件抗

36、干擾分析在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中除了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和每個(gè)具體的控制模板和1/0模板需要仔細(xì)設(shè)計(jì)硬件抗干擾措施之外，還需要注重軟件抗干擾措施的應(yīng)用。有時(shí)一個(gè)偶然的人為或非人為干擾，例如并不很強(qiáng)烈的雷擊，就使得硬件抗干擾措施無(wú)能為力，導(dǎo)致主控模板死機(jī)（即程序跑飛）或者控制出錯(cuò)（此時(shí)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(shí)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(yùn)行過(guò)程中的自我監(jiān)視和控制網(wǎng)絡(luò)中各機(jī)器間的相互監(jiān)控，來(lái)監(jiān)督和判斷控制系統(tǒng)是否出錯(cuò)或失效的一個(gè)方法，這是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾的最后一道屏障。8.3.1看門狗看門狗,又叫 watchdog timer,是一個(gè)定時(shí)器電路, 一般有一個(gè)輸入,叫喂狗,一個(gè)輸出到MCU的RST端,MCU正常工作的時(shí)候,每隔一端時(shí)間