【導讀】摘要啤酒生產是我國的一個傳統(tǒng)產業(yè)，隨著國民經濟的發(fā)展和人民生活的改善，我國啤酒工業(yè)也得到了空前的發(fā)展。本文針對啤酒發(fā)酵裝置技術裝備落后、自動化程度低、產品質量不穩(wěn)定以及啤酒發(fā)酵罐溫度所具有的大時滯、時變、多變量的特點，一方面提出了發(fā)酵罐中的信號檢測，包括pH，溫度，壓力，溶解氧等等,通過對這些量的檢測控制來達到發(fā)酵過程的穩(wěn)定進行；另一方面提出了以AT89S52單片機為核心的數(shù)字化溫度控制系統(tǒng)方案。在發(fā)酵罐中設置上、中和下三個測溫點，控制系統(tǒng)對這三個測溫點進行循環(huán)檢測，然后將檢測到的溫度信號送到單片機，由單片機通過具體程序對以上三個信號進行處理。通過本文設定的PID控制算法決定每層控制閥的開度，從而實現(xiàn)了啤酒發(fā)酵罐內部三層溫度的精確控制，進而解決了啤酒發(fā)酵罐內部溫度控制系統(tǒng)控制精度不高的問題，提高了啤酒生產的綜合自動化水平。

　　

【正文】 度的巡回測量,必須有相應的程序來選擇溫度輸入通道。 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、微分控制的簡稱。在自動控制領域中，PID控制是歷史最久、生命力最強的基本控制方式。PID控制器的原理是根據(jù)系統(tǒng)的被調量實測值與設定值之間的偏差，利用偏差的比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出對廣義被控對象的控制量。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，其輸入為設定值與被調量實測值構成的控制偏差信號: (1) 其輸出為該偏差信號的比例、積分、微分的線性組合，也即PID控制律： (2)式中，為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。簡單來說，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：即時成比例地反應控制系統(tǒng)的偏差信號,偏差一旦產生，控制器立即產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)的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。微分環(huán)節(jié)：能反應偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調節(jié)時間。（2）數(shù)字PID控制算法當計算機要實現(xiàn) PID 控制時，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)由于計算機是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)只能采用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期相當短時，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)椴罘址匠獭＞唧w如下近似方法：≈ (4) ≈ (5)式中，T為采樣周期，k為采樣序號。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，因為位置式算法具有以下缺點：由于采用全量輸出，每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，要對誤差進行累加，而且計算機輸出的控制量 對應的是執(zhí)行機構的實際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，可能會出現(xiàn)大幅度變化，在某些場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缺點，而且每次輸出只與前一兩個時刻的誤差有關，因而計算量減少了很多。 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)往往產生較大的超調和長時間的振蕩。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。當偏差絕對值較大時,暫時取消積分作用。當偏差絕對值小于某一設定值 M 時,才將積分作用投入。(1) 當| | M 時,用PID 控制。偏差小,說明系統(tǒng)溫度已經接近設定值,此時加入了積分作用,可以消除系統(tǒng)靜差,保證系統(tǒng)的控制精度。(2) 當| | ≥ M時,用PD 控制。由于偏差大,說明系統(tǒng)溫度遠離設定值,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,避免產生過大的超調,減小動態(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 干擾的來源分析（1）來自交流電源的干擾開關的通斷，火花干擾，這些來自電源的干擾都會破壞單片機的正常運行。要完全抑制來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，交流電源及負載的阻抗很難實測，電源濾波器的特性和實際干擾頻帶也往往有差異。在實際使用中，常常要應用交流電源供電，因此，必須采取措施克服來自電源的干擾。（2）來自信號通道的干擾為達到數(shù)據(jù)采集或實時控制的目的，開關量輸入、輸出，模擬量輸入、輸出是必不可少的。在工業(yè)現(xiàn)場，如果被控對象是一個強干擾源(如可控硅、電焊機等)，單片機根本無法工作。對于開關量的輸入、輸出要采取隔離措施，已為大多數(shù)工程技術人員所接受。然而對模擬量輸入、輸出也必須采取隔離措施，大多數(shù)人尚認識不足。模擬量輸入、輸出不進行隔離。雖說可以運行，但會產生“程序亂飛”，使可靠性下降，對于連續(xù)工作的對象(如鍋爐、空調等)來說是不允許的。因此，在單片機控制時，這個問題也必須注意。對于模擬量、開關量的輸入、輸出都采取隔離措施，才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。（3）來自空間的輻射干擾在特殊的情況下，如在發(fā)射機、中頻爐、可控硅逆變電源周圍，單片機往往不能正常工作。上述三種干擾危害以來自交流電源的干擾最甚，其次為來自信號通道的干擾。來自空間的輻射干擾不太突出，一般只須加以適當?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。（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，有過流過壓過熱等保護。（4）通訊線用雙絞線，排除平行互感。（5）A/D轉換用隔離放大器或采用現(xiàn)場轉換，減少誤差。（6）外殼接大地，解決人身安全及防外界電磁場干擾。 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)、感應觸發(fā)。?。?）A/D轉換采用數(shù)字濾波，平均法，比較平均法等，防止突發(fā)性干擾。（3）多次重復輸出，輸出信號保持在RAM中，防止干擾信號輸出。（4）開機自檢自診斷，RAM中重要內容要分區(qū)存放，經常進行比較檢查，機器不能帶病工作。（5）開關信號延時去抖動。（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，消除斷電時產生的反電動勢。（2）切斷干擾傳播途徑措施：例如電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源 （如電機，繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。（3）提高敏感器件的抗干擾性能：例如對于單片機閑置的I/O口，不要懸空，要接地或接電源?！?本章小結本溫控系統(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)往往產生較大的超調和長時間的振蕩。為克服這種影響采用模糊PID控制算法。影響單片機系統(tǒng)可靠安全運行的主要因素主要來自系統(tǒng)內部和外部的各種電氣干擾，并受系統(tǒng)結構設計、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構成單片機系統(tǒng)的干擾因素，常會導致單片機系統(tǒng)運行失常，輕則影響產品質量和產量，重則會導致事故，造成重大經濟損失。因此如何有效的去預防干擾是非常有必要的。結論啤酒生產是一個大型的傳統(tǒng)產業(yè)，工藝復雜，操作步驟多。目前我國啤酒生產企業(yè)技術已經比較先進，但是如何提高自動化程度，保證產品質量，提高啤酒生產的綜合自動化水平，使企業(yè)的生產和管理達到一個更高的水平，是一個比較有意義的研究課題。本論文在硬件結構設計上，以 AT89S52 單片機為核心，單片機外圍配備相應的硬件電路，從而組成了以單片機為核心的啤酒發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)負責采集和控制發(fā)酵罐上、中和下三路溫度，因此本系統(tǒng)實際上是一個多路溫度測控系統(tǒng)調節(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量大的缺點。本系統(tǒng)硬件電路簡單、軟件豐富，調試、修改方便，可以方便地實現(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，調試簡單，可以作為一種先進的啤酒發(fā)酵溫度控制方法來取代現(xiàn)在常用的單路檢測量監(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、強耦合、結構參數(shù)變化范圍較大的特點，本系統(tǒng)在對發(fā)酵罐被控對象做具體分析的基礎上，采用增量式 PID控制理論從而達到最有效的控制方式。致 謝畢業(yè)論文快要結束，我相信結果不是最重要的，這之間的過程才是我們所注重的，讓我了解如何去尋找資料，如何去完成一篇報告。我相信這個過程對我以后的學習將有很大的幫助。本論文是在朱湘臨老師的悉心指導下完成的，幾個月來老師在畢業(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容；另一方面朱老師每周都對我們的學習進行指導，改出我們的不足。老師謙和質樸的風范和對工作認真負責的態(tài)度對我以后的工作產生積極的影響。另外，論文在完成過程中朱浩學長也給予了我極大的幫助，在此對朱浩學長表示感謝。最后，我借此機會向所有關心和幫助過我的老師、同學和朋友一并表示謝意！四年大學即將結束，我將珍惜與同學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！參考文獻：[1][J].釀酒，2003（6）:1516[2]，2002[3][J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2002（1）：6466[4][J].啤酒科技，2004（9）：4041[5]杜鋒，[J].釀酒，2002（6）：5052[6][J].化工設備設計，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].齊齊哈爾大學學報，2004,20（1）：6466[9]趙麗娟,邵欣. 基于單片機的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].機械制造，2006 ,44 (1) :74275[10]何立民. 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