啤酒發(fā)酵過程溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-08-03 13:32 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 上部測(cè)溫點(diǎn)中部測(cè)溫點(diǎn)下部測(cè)溫點(diǎn)冷卻套圖12 發(fā)酵罐工藝示意圖在整個(gè)發(fā)酵過程中，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，來帶走多余的反應(yīng)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(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5～30min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)酵液體通過罐壁與冷卻水進(jìn)行熱交換的過程比較慢。(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)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。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?？刂葡到y(tǒng)主程序的流程圖如圖3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(duì)值的設(shè)定值M、PID控制的系數(shù)kp、ki和kd等參數(shù)。開始系統(tǒng)初始化溫度信號(hào)通道選擇有鍵按下？溫度采樣—A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波溫度顯示溫度超出？數(shù)據(jù)處理—調(diào)用PID程序控制量輸出鍵處理—參數(shù)設(shè)定調(diào)用報(bào)警程序YYNN圖3 控制系統(tǒng)主程序的流程圖本溫控系統(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）當(dāng)|e(k)|M時(shí)，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(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)＝kpｅ(k)+kiki＝0!ｅ(i)+kd[e(k)e(k1
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