发酵罐温度控制系统课程设计

1专业课程设计报告题目：发酵罐温度控制课程：MATLAB学生姓名：任晨曦学生学号：1714010117年级：17级专业：自动化班级：1班指导教师：贾文晶机械与电气工程学院制2020年5月2目录1、概述......................................................................................................................................31.1温度对发酵的影响.....................................................................................................31.2发酵对温度的控制要求.............................................................................................32、设计任务与要求..................................................................................................................42.1设计任务.....................................................................................................................42.2设计要求.....................................................................................................................43、控制方案设计......................................................................................................................53.1控制系统的选择.........................................................................................................53.2控制参数的选择.........................................................................................................53.3控制系统的方框图.....................................................................................................53.4调节规律的选择.........................................................................................................63.5调节器作用方式的选择.............................................................................................74、simulink建模及仿真实验...................................................................................................74.1Matlab简介..................................................................................................................74.2控制系统simulink建模.............................................................................................74.2.1发酵罐温度数学模型的建立.........................................................................74.2.2执行器与温度检测变送器建立.....................................................................84.2.3主、副回路控制器建模.................................................................................84.3系统simulink仿真结果.............................................................................................94.4系统优化及稳定性分析............................................................................................105、总结与体会........................................................................................................................10六、参考文献..........................................................................................................................1131、概述1.1温度对发酵的影响微生物的生长繁殖及合成代谢产物都需要在合适的温度下才能进行。温度的变化影响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合成的酶反应的影响往往是不同的。温度能改变菌体合成代谢产物的方向。并且发酵液的粘度、基质和氧气在发酵液中的溶解度和传递速率、某些机制的分解吸收速率等都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。而温度的变化是发酵过程热能产生和散失的综合效应。产生的因素有生物热、搅拌热，散热的因素有蒸发热、辐射热——向大气辐射的热、以及显热——水的蒸汽热和废弃因温度差异排放时所带走的热量。1.2发酵对温度的控制要求开始可适当升高温度，以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖，待发酵温度开始上升后，应保持在菌体的最适生长温度，到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低一些，既代谢产物合成的最适温度，到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。而温度的选择是相对的，要考虑成分、浓度、溶氧、生长阶段和发酵条件。最适发酵温度是指既适合菌体的生长又适合代谢产物合成的温度。菌体生长的最适温度和产物合成的最适温度往往是不一致的，最适发酵温度随菌种，成分、条件、菌体生长条件而改变而且发酵温度的确定从理论上讲整个发酵过程中不应只选择一个温度。以啤酒厂发酵工艺为例，在啤酒生产的控制过程中，温度是一个非常重要的参数。温度的高低主要影响的是酶的活性，进而影响生产效率和啤酒质量。而且啤酒发酵的全过程分成多个阶段，各个阶段都有对应的温度曲线，为了使啤酒有更好的品质，需要让发酵罐的温度根据工艺温度曲线变化。发酵罐是啤酒生产的主要设备。我国采用的是室外圆柱体锥形罐发酵法，由于锥形罐内发酵液的流体力学特性和现代啤酒发酵技术，锥形罐发酵法发酵周期短、发酵速度快。罐法发酵的操作步骤有：①接种——选择已培养好的0代酵母或生产中发酵降糖正常，双乙酰还原快、微生物指标合格的发酵罐酵母作为种子，后者可采用罐－罐的方式进行串种。接种量以满罐后酵母数在（1.2～1.5）×10个/ml为准；②满罐时间——正常情况下，要求满罐时间不超过24h，扩培时可根据启发情况而定。满罐后每隔1天排放一次冷凝固物，共排3次；③主发酵——温度10℃，普通酒10±0.5℃,优质酒9±0.5℃，旺季可以升高0.5℃。当外观糖度降至3.8%~4.2%时可封罐升压。发酵罐压力控制在0.10~0.15MPa；④双乙酰还原——主发酵结束后，关闭冷媒升温至12℃进行4双乙酰还原。双乙酰含量降至0.10mg/L以下时，开始降温；⑤降温——双乙酰还原结束后降温，24h内使温度由12℃降至5℃，停留1天进行酵母回收。亦可在12℃发酵过程中回收酵母，以保证更多的高活性酵母。旺季或酵母不够用时可在主发酵结束后直接回收酵母；⑥贮酒——回收酵母后，锥形罐继续降温，24h内使温度降至-1℃~-1.5℃，并在此温度下贮酒。贮酒时间：淡季7天以上，旺季3天以上。此次仅降到1摄氏度[5]。02468101214T/摄氏度t/时图1.1发酵罐温度变化曲线图由图可知啤酒的温度发酵过程是时变的，并且存在很大的滞后。正是这种时变性和大的时滞性造成了温度控制的难点。发酵温度直接影响着啤酒的风味、品质和产量。目前大多数对象是采用往冷却夹套内通入制冷酒精水混合物货液氨来吸收发酵过程中不断放出的热量，从而维持发酵温度[2]。2、设计任务与要求2.1设计任务设计一个控制系统，根据发酵罐发酵温度要求实现发酵罐发酵过程的自动监控。控制发酵罐的温度应当保持相对稳定，避免忽高忽低，温度控制应采用自动控制为好。并且要用MATLAB进行仿真优化。体会在工程实践中的PID仿真的优点和不足，思考在工程实践中如何进行工程的仿真与建模，以及优化系统。2.2设计要求采用MATLAB仿真，并且进行系统优化，说明优化的方法和好处。并且仿真结果要做出以下结果：超调量；峰值时间；过渡过程时间；余差；第一个波峰值；第二个波峰值；衰减比；衰减率；振荡频率；全部P、I、D的参数和PID的模型。53、控制方案设计3.1控制系统的选择啤酒发酵对象具有时变性、时滞性及其不确定性。根据啤酒发酵工艺温度控制系统各种工艺参数的要求，本次设计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、控制与显示[3]。进料液氨冷却套T1TT1C发酵罐热电阻发酵罐测温点冷却套测温点T2TT2C液氨出料图3.1锥形发酵罐温度串级控制系统3.2控制参数的选择设计被控系统时，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。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，选取冷却套的温度作为副被控参数，主副回路的变送器采用温度变送器，执行器采用气动调节阀。3.3控制系统的方框图给定温度主温度副冷却套温度罐内麦汁温度调节器调节器调节阀冷却套发酵罐温度变送器温度变送器图3.2发酵罐温度控制系统方框图63.4调节规律的选择在串级控制系统中，根据工艺参数的要求进行调节规律的选择：主回路控制规律：由于发酵罐串级控制系统的主回路是发酵罐内麦汁的温度，具有很大的的滞后，为了克服滞后，选择PI控制规律；副回路控制规律：副回路的被控参数是冷却套的温度，根据副回路先调、快调、粗调的控制特点，选取PID控制规律。而主回路控制特点是后调、慢调、细调[7]。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e（t）与输出u（t）的关系为：