啤酒发酵罐的温度控制设计与仿真

内蒙古科技大学本科生课程设计论文题目：啤酒发酵罐的温度控制设计与仿真学生姓名：张胜男学号：1167112232专业：测控技术与仪器班级：11-2指导教师：左鸿飞2014年12月14日内蒙古科技大学课程设计论文1前言过程控制课程设计是测控技术与仪器专业的实践教学环节。本次过程控制课程设计主题为啤酒厂发酵罐温度控制系统的设计，要求我们了解发酵罐温度控制的工艺背景、设计控制方案以及仪表选型等。啤酒生产是一个利用生物加工进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式难以保证产品的质量。啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，决定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。在啤酒生产过程中，糖度的控制是由控制发酵的温度来完成的，而在一定麦芽汁浓度、酵母数量和活性的条件下时间的控制也取决于发酵的温度。因此控制好啤酒发酵过程的温度及其升降速率是解决啤酒质量和生产效率的关键。在本次啤酒发酵温度控制系统设计过程中各种工艺参数的控制采用串级控制系统实现，主要控制锥形发酵罐的中部温度，采用常规自动化仪表及装置来实现温度及其他参数的检测与控制、显示。内蒙古科技大学课程设计论文2内蒙古科技大学课程设计任务书专业测控技术与仪器时间2014年12月14日姓名张胜男指导老师左鸿飞论文题目啤酒发酵罐的温度控制设计与仿真主要工艺过程啤酒发酵是一种放热的复杂生化系统，其特点是冷却麦汁进入开口发酵槽中，加入啤酒酵母，一般酵母控制发酵液温度为9-10℃左右;发酵7-10天左右，麦汁发酵成嫩啤酒。系统设计与建模用机理分析法分别建立上述各环节的数学模型。分别按单回路系统和串级系统方案构成控制系统，画出控制工艺图和系统方块图。调节器参数整定用MATLAB仿真手段，按过程控制系统调节器参数工程整定方法确定单回路系统控制器参数。仿真分析对单回路系统，在阶跃干扰作用下，通过仿真，分析比较调节器参数变化对系统的影响设计报告主要内容机理分析建模过程分析工艺流程，确定控制方案，画出控制流程图、方框图，说明其工作原理。用MATLAB仿真实现单回路系统调节器参数整定的过程单回路系统的MATLAB仿真设计小结内蒙古科技大学课程设计论文3目录1.工艺简介及控制系统设计...........................................41.1.啤酒生产工艺...............................................41.2被控对象特性及控制要求......................................41.2.1被控对象特性..........................................41.2.2被控对象的控制要求....................................51.3啤酒发酵温控系统设计........................................51.3.1发酵温控系统主、副被控参数的选取......................61.3.2主、副调节器调节规律的选择............................71.3.3主、副调节正、反作用方式的选择........................71.3.4串级系统的整定........................................82.控制系统的建模...................................................82.1数学模型的定义及特征........................................82.2建模应用....................................................92.3建立数学模型的目的..........................................93.系统仿真技术....................................................103.1系统仿真技术概述...........................................103.2使用MATLAB对实验结果进行仿真..............................10内蒙古科技大学课程设计论文41.工艺简介及控制系统设计1.1.啤酒生产工艺啤酒发酵是一种放热的复杂生化系统，其特点是冷却麦汁进入开口发酵槽中，加入啤酒酵母，一般酵母控制发酵液温度为9-10℃左右;发酵7-10天左右，麦汁发酵成嫩啤酒，酵母增殖到添加量的2至4倍。后发酵又称贮酒，嫩啤酒输到贮酒室内的贮酒罐中，一般在0-3℃下贮酒42-90天，达到啤酒成熟、二氧化碳饱和与啤酒澄清的目的。贮酒期结束并过滤得清酒，即完成了整个酿造过程。简单来说啤酒发酵的工艺流程如下图1.1啤酒发酵的工艺流程图1.2被控对象特性及控制要求1.2.1被控对象特性本设计的被控对象是啤酒发酵罐，被控参数是罐内麦汁的温度。罐内灌有麦汁，酵母在罐内发生化学反应而产生热量，使罐内麦汁温度上升。罐内设有三个测温点，罐的外壁设置有上、中、下三段冷却套和三台电磁阀，通过电磁阀调节冷却套内的冷媒体流量以实现对罐内麦汁温度的控制。机理分析和实验表明啤酒发酵具有如下特点：(1)非线性，酵母的化学反应复杂，即使阀开着，温度也不一定下降；内蒙古科技大学课程设计论文5(2)大时滞，发酵罐体积大，酒体通过罐壁与冷媒体进行热交换的过程比较慢，另外，冷媒体流经冷却套时，先冷却罐外围的液体，经过对流传热，影响到测温点温度，因此，控制量变化后，被控量要经过一段时间(大概3min～15min，视具体情况而定)才发生变化；(3)时变性，在不同的发酵阶段，酵母活力不一样，造成酒体温度特性变化，因而输入输出就有时变性。(4)强关联：罐壁与酒体发生热传导，罐内酒体之间又发生热传导，同时不停地形成对流，因此，每一个电磁阀的动作，都会引起上中下三个温度的变化。1.2.2被控对象的控制要求本设计的被控对象是啤酒发酵罐内部麦汁的温度。图2.1.1为圆锥底发酵罐示意图，当把麦汁输送到发酵罐中之后的，酵母在罐内发生反应而产生热量，使麦汁的温度升高。在图2.1.1中设置有上、中和下三层蛇形管，相应设置上、中和下3个测温点和三个调节阀，通过阀门可以调节蛇形管内冷却液的流量从而可以实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量。该广义对象是一个三输入、三输出的多变量系统。图1.2圆锥底发酵罐示意图1.3啤酒发酵温控系统设计内蒙古科技大学课程设计论文6根据发酵罐的结构以及发酵工艺特点，采用串级控制系统，充分发挥它的优点，合理准确的测量并控制发酵罐温度。发酵罐中温度串级控制系统图如下所示：图1.3发酵罐中温度串级控制系统图在系统设计时，必须明白主、副被控参数的选择；副回路的设计；主、副回路的关系以及主副调节器控制规律的选择及其正反作用方式的确定等问题。1.3.1发酵温控系统主、副被控参数的选取设计被控系统时，选取的参数要能有效的反映工艺状况。根据工艺主参数为发酵罐中麦汁的温度。而副参数的选取是串级控制系统的关键所在，副回路设计的合理与否决定了串级控制的特点能否发挥。根据副回路的设计原则，副被控参数的选择应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏，副回路包含被控对象所受的主要干扰，当对象具有较长纯滞后时间时，应尽量将纯滞后部分包含在主对象中。因此，选取冷却液的流量作为副被控参数，构成如图所示的串级温度控制系统框图。内蒙古科技大学课程设计论文7图1.3.1发酵罐中温度控制系统方框图1.3.2主、副调节器调节规律的选择（1）主调节器调节规律的选择在串级控制系统中，主参数是生产工艺的主要指标，直接关系着产品质量，工艺要求比较严格。因为主被控参数为发酵罐的温度，对象控制通道容量滞后较大，为了克服容量滞后，所以就要选用PID调节规律。（2）副调节器调节规律的选择串级控制系统设置副参数的目的在于保证和提高主参数的控制质量，副回路是一个随动系统，它的给定值随主调节器输出的变化而变化。在选择流量为副被控参数时，由于比例调节规律对噪声敏感，为保持系统稳定，比例度必须选得较大，比例控制作用较弱，为此引入积分作用，采用PI调节规律。1.3.3主、副调节正、反作用方式的选择为保证串级控制系统的正常运行，串级系统中主、副调节器的正、反作用必须正确选择。副调节器的正反作用只和副回路有关，与主回路无关。根据工艺要求，为保证产品质量，调节阀选择关闭形式，其放大系数为“-”，当阀门开度增大时，进入冷却套的流量增加，则副对象的放大系数为“+”根据副环放大系数符号为“+”的原则，副调节器为“-”，所以选择正作用方式。主调节器的正反作用只取决于主对象放大系数符号。主对象的输入信号是液氨的供给流量，输出信号是发酵罐内部区域的温度。当液氨流量增大时，罐体对应区域温度下降，因此主对像放大系数为“-”,主调节器的放大系数为“-”。所以主调节器选择正作用方式。内蒙古科技大学课程设计论文81.3.4串级系统的整定串级系统的整定方法比较多，逐步逼近法、两步整定法和一步整定法等。整定的顺序都是先整副环后整主环。在这里采用一步整定法，所谓一步整定法就是根据经验先将副调节器参数设置好，不再变动，然后按一般单回路系统的整定方法直接整定主调节器参数。具体步骤：1．按副参数类型，根据对应的经验值选择副调节器参数，并将其置于副调节器上。当副被控参数为流量时，副调节器比例度设为40~80，副调节器比例放大倍数设为2.5~1.25。2．将串级系统投运后，按照单回路系统整定方法直接整定主调节器参数。3．观察控制过程，根据K值匹配的原理，适当调整主调节器的参数，使主参数的品质指标达到规定的质量要求。4．如果系统出现振荡，只要加大主、副调节器的任一比例度，就可消除。多次整定直到满意为止。2.控制系统的建模工业过程的数学模型可分为动态数学模型和静态（稳态）数学模型，动态数学模型是表示输出变量与输入变量之间随时间而变化的动态关系的数学描述。从控制角度来看，输入变量就是操纵变量和扰动变量，输出变量是被控变量。动态模型在对过程动态的分析和控制中起着举足轻重的作用。可用于各类自动控制系统的设计与分析，以及工艺设计和操作条件的分析和确定。工业过程的静态数学模型是描述输入变量和输出变量之间不随时间变化情况下的数学关系，可用于工艺设计和最优化等，同时也是考虑控制方案的基础。2.1数学模型的定义及特征数学是研究现实世界空间形式和数量关系的科学。而数学模型则是应用数学的思想方法、语言和工具,是关于部分现实世界和为一种特殊目的而作的一个抽象的、简化的结构，是为了解决实际问题而设计的关于“数、形、算”的一种十分有用的数学结构。通过建立数学模型,可以充分发挥数学科学解决实际问题的服务功能，体现出数学的真正意义。建立系统模型的过程。又称模型化。建模是内蒙古科技大学课程设计论文9研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。图描述的关系各异，所以实现这一过程的手段和方法也是多种多样的。可以通过对系统本身运动规律的分析，根据事物的机理来建模，也可以通过对系统的实验或统计数据的处理,并根据关于系统的已有的知识和经验来建模。还可以同时使用几种方法。2.2建模应用系统建模主要用于三个方面。①分析和设计实际系统。例如工程界在分析设计一个新系统时，通常先进行数学仿真和物理仿真实验，最后再到现场作实物实验。数学仿真比物理仿真简单、易行。用数学仿真来分析和设计一个实际系统时，必须有一个描述系统特征的模型。对于许多复杂的工业控制过程，建模往往是最关键和最困难的任务。②预测或预报实际系统的某些状态的未来发展趋势。预测或预报基于事物发展过程的连贯性。③对系统实行最优控制。运用控制理论设计控制器或最优控制律的关键或前提是有一个能表征系统特征的数学模型。在建模的基础上，再根据极大值原理，动态规划，反馈、解耦，极点配置