【導(dǎo)讀】摘要啤酒生產(chǎn)是我國(guó)的一個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活的改善，我國(guó)啤酒工業(yè)也得到了空前的發(fā)展。本文針對(duì)啤酒發(fā)酵裝置技術(shù)裝備落后、自動(dòng)化程度低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定以及啤酒發(fā)酵罐溫度所具有的大時(shí)滯、時(shí)變、多變量的特點(diǎn)，一方面提出了發(fā)酵罐中的信號(hào)檢測(cè)，包括pH，溫度，壓力，溶解氧等等,通過(guò)對(duì)這些量的檢測(cè)控制來(lái)達(dá)到發(fā)酵過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行；另一方面提出了以AT89S52單片機(jī)為核心的數(shù)字化溫度控制系統(tǒng)方案。在發(fā)酵罐中設(shè)置上、中和下三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，控制系統(tǒng)對(duì)這三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，然后將檢測(cè)到的溫度信號(hào)送到單片機(jī)，由單片機(jī)通過(guò)具體程序?qū)σ陨先齻€(gè)信號(hào)進(jìn)行處理。通過(guò)本文設(shè)定的PID控制算法決定每層控制閥的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)了啤酒發(fā)酵罐內(nèi)部三層溫度的精確控制，進(jìn)而解決了啤酒發(fā)酵罐內(nèi)部溫度控制系統(tǒng)控制精度不高的問(wèn)題，提高了啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平。

　　

【正文】 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。 圖51 系統(tǒng)的硬件流程圖 PID數(shù)據(jù)處理模塊 PID控制算法（1）模擬PID控制算法 PID（Proportional Integral Differential）控制是比例、積分、微分控制的簡(jiǎn)稱。在自動(dòng)控制領(lǐng)域中，PID控制是歷史最久、生命力最強(qiáng)的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調(diào)量實(shí)測(cè)值與設(shè)定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)的不同組合計(jì)算出對(duì)廣義被控對(duì)象的控制量。下圖是常規(guī)PID控制系統(tǒng)的原理圖：圖52 PID控制系統(tǒng)原理圖其中上圖中間部分是PID控制器，其輸入為設(shè)定值與被調(diào)量實(shí)測(cè)值構(gòu)成的控制偏差信號(hào): (1) 其輸出為該偏差信號(hào)的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律： (2)式中，為比例系數(shù)；為積分時(shí)間常數(shù)；為微分時(shí)間常數(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用以減小誤差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。微分環(huán)節(jié)：能反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），并能在偏差信號(hào)變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。（2）數(shù)字PID控制算法當(dāng)計(jì)算機(jī)要實(shí)現(xiàn) PID 控制時(shí)，首先必須將上述 PID 控制規(guī)律的連續(xù)形式變成離散形式，然后才能編程實(shí)現(xiàn)。PID 控制器控制算法的模擬形式和離散形式如下： 表51 PID控制算法形式對(duì)比模擬形式離散化形式數(shù)字PID控制算法可以分為增量式和位置式；PID位置型控制算法PID控制的控制規(guī)律為： (3)由于計(jì)算機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)只能采用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采樣周期相當(dāng)短時(shí)，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化，變?yōu)椴罘址匠?。具體如下近似方法：≈ (4) ≈ (5)式中，T為采樣周期，k為采樣序號(hào)。由上述式子得數(shù)字PID位置型控制算式為： (6)PID增量型控制算法根據(jù)上式不難寫出第k1次采樣時(shí)的控制算式： (7) 將上兩式相減，即得數(shù)字PID增量型控制算式為： (8)其中稱為比例增益；稱為積分系數(shù)；稱為微分系數(shù)。為編程方便可將式整理成如下形式: (9) 現(xiàn)在一般采用增量式 PID 控制算法，因?yàn)槲恢檬剿惴ň哂幸韵氯秉c(diǎn)：由于采用全量輸出，每次輸出均與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，要對(duì)誤差進(jìn)行累加，而且計(jì)算機(jī)輸出的控制量 對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，可能會(huì)出現(xiàn)大幅度變化，在某些場(chǎng)合可能造成重大事故。而增量式算法，就能夠很好的克服這個(gè)缺點(diǎn)，而且每次輸出只與前一兩個(gè)時(shí)刻的誤差有關(guān)，因而計(jì)算量減少了很多。 本溫度控制系統(tǒng)PID算法本溫控系統(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)偏差絕對(duì)值較大時(shí),暫時(shí)取消積分作用。當(dāng)偏差絕對(duì)值小于某一設(shè)定值 M 時(shí),才將積分作用投入。(1) 當(dāng)| | 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)加入了積分作用,可以消除系統(tǒng)靜差,保證系統(tǒng)的控制精度。(2) 當(dāng)| | ≥ 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,避免產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào),減小動(dòng)態(tài)誤差。數(shù)字PID增量型控制算法的流程圖如下: 圖53 PID控制算法流程圖 控制系統(tǒng)的防干擾措施 干擾的來(lái)源分析（1）來(lái)自交流電源的干擾開(kāi)關(guān)的通斷，火花干擾，這些來(lái)自電源的干擾都會(huì)破壞單片機(jī)的正常運(yùn)行。要完全抑制來(lái)自交流電源的干擾是十分困難的，其原因是干擾傳播的途徑往往不清楚。干擾的頻帶很難定量化，交流電源及負(fù)載的阻抗很難實(shí)測(cè)，電源濾波器的特性和實(shí)際干擾頻帶也往往有差異。在實(shí)際使用中，常常要應(yīng)用交流電源供電，因此，必須采取措施克服來(lái)自電源的干擾。（2）來(lái)自信號(hào)通道的干擾為達(dá)到數(shù)據(jù)采集或?qū)崟r(shí)控制的目的，開(kāi)關(guān)量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出是必不可少的。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，如果被控對(duì)象是一個(gè)強(qiáng)干擾源(如可控硅、電焊機(jī)等)，單片機(jī)根本無(wú)法工作。對(duì)于開(kāi)關(guān)量的輸入、輸出要采取隔離措施，已為大多數(shù)工程技術(shù)人員所接受。然而對(duì)模擬量輸入、輸出也必須采取隔離措施，大多數(shù)人尚認(rèn)識(shí)不足。模擬量輸入、輸出不進(jìn)行隔離。雖說(shuō)可以運(yùn)行，但會(huì)產(chǎn)生“程序亂飛”，使可靠性下降，對(duì)于連續(xù)工作的對(duì)象(如鍋爐、空調(diào)等)來(lái)說(shuō)是不允許的。因此，在單片機(jī)控制時(shí)，這個(gè)問(wèn)題也必須注意。對(duì)于模擬量、開(kāi)關(guān)量的輸入、輸出都采取隔離措施，才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。（3）來(lái)自空間的輻射干擾在特殊的情況下，如在發(fā)射機(jī)、中頻爐、可控硅逆變電源周圍，單片機(jī)往往不能正常工作。上述三種干擾危害以來(lái)自交流電源的干擾最甚，其次為來(lái)自信號(hào)通道的干擾。來(lái)自空間的輻射干擾不太突出，一般只須加以適當(dāng)?shù)钠帘渭敖拥鼐涂山鉀Q。 系統(tǒng)硬件防干擾措施（1）交流電源盡量采用電壓穩(wěn)定的電網(wǎng)。（2）交流端用電感電容濾波，去掉高頻低頻干擾脈沖。（3）采用集成式直流穩(wěn)壓電源，有過(guò)流過(guò)壓過(guò)熱等保護(hù)。（4）通訊線用雙絞線，排除平行互感。（5）A/D轉(zhuǎn)換用隔離放大器或采用現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換，減少誤差。（6）外殼接大地，解決人身安全及防外界電磁場(chǎng)干擾。 系統(tǒng)軟件防干擾措施（1）多用查詢代替中斷，把中斷源減到最少，防止誤觸發(fā)、感應(yīng)觸發(fā)?！。?）A/D轉(zhuǎn)換采用數(shù)字濾波，平均法，比較平均法等，防止突發(fā)性干擾。（3）多次重復(fù)輸出，輸出信號(hào)保持在RAM中，防止干擾信號(hào)輸出。（4）開(kāi)機(jī)自檢自診斷，RAM中重要內(nèi)容要分區(qū)存放，經(jīng)常進(jìn)行比較檢查，機(jī)器不能帶病工作。（5）開(kāi)關(guān)信號(hào)延時(shí)去抖動(dòng)。（6）I/O口正確操作，必須檢查口執(zhí)行命令情況防止外部故障不執(zhí)行控制命令。 其他防干擾措施（1） 抑制干擾源措施：例如給繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷電時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)。（2）切斷干擾傳播途徑措施：例如電路板合理分區(qū)，如強(qiáng)、弱信號(hào)，數(shù)字、模擬信號(hào)。盡可能把干擾源 （如電機(jī)，繼電器）與敏感元件（如單片機(jī)）遠(yuǎn)離。（3）提高敏感器件的抗干擾性能：例如對(duì)于單片機(jī)閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源。　 本章小結(jié)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。為克服這種影響采用模糊PID控制算法。影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素，常會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常，輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，重則會(huì)導(dǎo)致事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此如何有效的去預(yù)防干擾是非常有必要的。結(jié)論啤酒生產(chǎn)是一個(gè)大型的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，工藝復(fù)雜，操作步驟多。目前我國(guó)啤酒生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)已經(jīng)比較先進(jìn)，但是如何提高自動(dòng)化程度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高啤酒生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化水平，使企業(yè)的生產(chǎn)和管理達(dá)到一個(gè)更高的水平，是一個(gè)比較有意義的研究課題。本論文在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，以 AT89S52 單片機(jī)為核心，單片機(jī)外圍配備相應(yīng)的硬件電路，從而組成了以單片機(jī)為核心的啤酒發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集和控制發(fā)酵罐上、中和下三路溫度，因此本系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)多路溫度測(cè)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置，從而排除了硬件組成分立元件多、體積大、可靠性差及日常維護(hù)量大的缺點(diǎn)。本系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單、軟件豐富，調(diào)試、修改方便，可以方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化控制規(guī)律和多種功能。由于本系統(tǒng)可靠性高，調(diào)試簡(jiǎn)單，可以作為一種先進(jìn)的啤酒發(fā)酵溫度控制方法來(lái)取代現(xiàn)在常用的單路檢測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)。在控制策略上，由于本啤酒發(fā)酵溫控系統(tǒng)的非線性、強(qiáng)耦合、結(jié)構(gòu)參數(shù)變化范圍較大的特點(diǎn)，本系統(tǒng)在對(duì)發(fā)酵罐被控對(duì)象做具體分析的基礎(chǔ)上，采用增量式 PID控制理論從而達(dá)到最有效的控制方式。致 謝畢業(yè)論文快要結(jié)束，我相信結(jié)果不是最重要的，這之間的過(guò)程才是我們所注重的，讓我了解如何去尋找資料，如何去完成一篇報(bào)告。我相信這個(gè)過(guò)程對(duì)我以后的學(xué)習(xí)將有很大的幫助。本論文是在朱湘臨老師的悉心指導(dǎo)下完成的，幾個(gè)月來(lái)老師在畢業(yè)論文方面給予了我很大的幫助，一方面給我提供一些必要的資料，讓我有更多的精力投入到論文的內(nèi)容；另一方面朱老師每周都對(duì)我們的學(xué)習(xí)進(jìn)行指導(dǎo)，改出我們的不足。老師謙和質(zhì)樸的風(fēng)范和對(duì)工作認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度對(duì)我以后的工作產(chǎn)生積極的影響。另外，論文在完成過(guò)程中朱浩學(xué)長(zhǎng)也給予了我極大的幫助，在此對(duì)朱浩學(xué)長(zhǎng)表示感謝。最后，我借此機(jī)會(huì)向所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友一并表示謝意！四年大學(xué)即將結(jié)束，我將珍惜與同學(xué)的每一份友誼并祝福他們，希望在以后的道路上所有人能夠越走越遠(yuǎn)！參考文獻(xiàn)：[1][J].釀酒，2003（6）:1516[2]，2002[3][J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2002（1）：6466[4][J].啤酒科技，2004（9）：4041[5]杜鋒，[J].釀酒，2002（6）：5052[6][J].化工設(shè)備設(shè)計(jì)，1999,36(2)：710[7]張建民,楊旭. 啤酒發(fā)酵的工藝發(fā)展[J].2007（2）：97100[8]徐鳳霞,[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,20（1）：6466[9]趙麗娟,邵欣. 基于單片機(jī)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械制造，2006 ,44 (1) :74275[10]何立民. MCS251 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M] . 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1995[11]劉綠山，劉建群， AT89S52 單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007,17：98100[12]楊丙聰，許忠仁， AT89S52 單片機(jī)的智能溫度控制器的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2007,26(10)：3033[13]宋起超，邵國(guó)平， AT89S52 的溫度控制器設(shè)計(jì)[J]. 黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007,21(1)：5456[15]楊鳴，毛婕，[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（4）：9092[16]黃曉兵， LED 顯示驅(qū)動(dòng)器 MAX7219[J].電測(cè)與儀表，2000，12：5052[17]施云貴，李艷， 8 位 LED 控制驅(qū)動(dòng)器 MAX7219 的應(yīng)用[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005,10：2729[18] PID 控制及其應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，1997,9：6064[19] 復(fù)合控制[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2001,25(2)：2123[20][M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005:56106[21]王蕊， PFuzzyPI 結(jié)合 Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制[J].啤酒科技，2007,6：656738