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

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任务书

目录

1. 工艺简介及控制系统设计........................................... 4

1.1. 啤酒生产工艺............................................... 4

1.2被控对象特性及控制要求 ...................................... 4

1.2.1被控对象特性 .......................................... 4

1.2.2被控对象的控制要求 .................................... 5

1.3啤酒发酵温控系统设计 ........................................ 5

1.3.1发酵温控系统主、副被控参数的选取 ...................... 6

1.3.2主、副调节器调节规律的选择 ............................ 7

1.3.3主、副调节正、反作用方式的选择 ........................ 7

1.3.4串级系统的整定 ........................................ 8

2. 控制系统的建模................................................... 8

2.1 数学模型的定义及特征........................................ 8

2.2 建模应用.................................................... 9

2.3建立数学模型的目的 .......................................... 9

3. 系统仿真技术.................................................... 10

3.1 系统仿真技术概述........................................... 10

3.2使用MATLAB对实验结果进行仿真 .............................. 10

1. 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；

(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

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。

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。

1.3.4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

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、自组织、自适应和智能控制等方法，设计各种各样的控制器或控制律。

系统建模主要用于3个方面对于同一个实际系统，人们可以根据不同的用途和目的建立不同的模型。但建立的任何模型都只是实际系统原型的简化，因为既不可能也没必要把实际系统的所有细节都列举出来。如果在简化模型中能保留系统原型的一些本质特征，那么就可认为模型与系统原型是相似的，是可以用来描述原系统的。因此，实际建模时，必须在模型的简化与分析结果的准确性之间作出适当的折衷，这是建模遵循的一条原则。

2.3建立数学模型的目的

（1）进行工业过程优化操作

(2)控制系统方案的设计和仿真研究。

(3)控制系统的调试和控制器参数的整定。

(4)作为模型预测控制等先进控制方法的数学模型。

(5)工业过程的故障检测与诊断。

(6)设备启动与停车的操作方案。

3. 系统仿真技术

3.1 系统仿真技术概述

自动控制系统是由被控对象，测量变送装置和控制器组成的。当选定测量变送装置和执行器后，对自动控制系统惊醒设计和分析研究，也就是对被控对象的动态特性惊醒分析和研究，然后根据被控对象的动态特性惊醒控制器的设计，以求获得满足性能指标要求的最优控制系统。在控制器类型确定后，分析和研究控制系统的主要目的之一是获得控制器的最佳整定参数。对于比较简单的被控对象，可以通过在实际系统上进行实验和调整来获得较好的整定参数。但是在实际生产过程中，大部分的被控对象是比较复杂的，并且要考虑安全性，经济性，以及进行实验研究的可能性等，这在现场试验中往往不易做到，甚至根本不允许这样做。这时，就需要对实际系统构建物理模型或数学模型进行研究，简称仿真。因此，仿真就是用模型代替实际系统进行试验和研究，它所遵循的基本原则是相似原理，即几何相似,环境相似和性能相似。依据这个原理，仿真可分为物理仿真，数学仿真和混合仿真。由于数学仿真的主要工具是计算机，因此一般又称为“计算机仿真”。计算机仿真根据被研究系统的特征可分为俩大类：连续系统仿真及离散事件系统仿真。前者可对系统建立用微分方程或差分等描述的数学模型，并将其放在计算机上进行试验；后者面对的是由某种随机事件驱动引发状态变化的系统的数学模型并将它放在计算机上进行实验。

物理仿真就是应用几何相似原理，制作一个与实际系统相似但几何尺寸较小或较大的物理模型进行研究。数学仿真是应用数学相似原理，构成数学模型在计算机上进行研究。物理仿真则需要进行大量的设备制造，安装，接线及调试工作。混合仿真又称物理-数学仿真，它是把数学仿真，物理仿真和实体结合起来，也就是将系统的一部分描述成数学模型，放入计算机，而其余部分则构建其物理模型或直接采用实体，组成一个复杂的仿真系统。

3.2使用MATLAB对实验结果进行仿真

建立了发酵罐温度的动态仿真数学模型；然后，将该模型应用于实际发酵罐中，并编程进行了仿真，通过改变发酵罐迸料流量、进料组成、加热蒸汽量和

回流比等操作变量对该罐进行扰动实验，得到一系列发酵罐温度变化的过渡过程曲线，从而了解该罐的动态特性。实验结果表明，该模型能够比较准确地预测发酵罐在各种干扰和操作条件下的动态行为，其稳态结果与实际情况基本一致。因此，本模型对于发酵过程的控制系统分析和设计具有较高的实际应用价值和理论指导意义。

串级控制仿真框图：

图3.2 无干扰串级控制仿真框图

根据经验试凑法，经反复试验，Kp1=70，Ki=0.3，Kd=200，Kp2=1.5，仿真得到曲线如图3.2所示，曲线衰减效果良好，其过渡曲线上升时间，调节时间，超调量均较小，说明发酵罐的温度在此控制参数下能够较快较稳的恢复到设定值，即控制效果较为优良。

图3.2.1无干扰串级控制仿真曲线

由图3.2.1得出：系统的超调量δ=8％,调整时间Ts=48.9s 现用控制变量法，

分别改变P、I、D参数，观察系统性能的变化，研究各调节器的作用：

（1）保持I、D参数为定值，改变P参数，阶跃响应曲线如下：

参数：Kp1=120, Ki= 0.3，Kd=200，

Kp2=1.5

图3.2.2P值不同的无干扰串级控制仿真曲线

由图3.2.2得出：系统的超调量δ=30％，调整时间Ts=69.8s 经图3.2.2与图3.2.1比较可知：不同P参数值下系统阶跃响应曲线，随着K的增大，最大动态偏差增大，余差减小，衰减率减小，振荡频率增大。

（2）保持P、D参数为定值，改变I参数，阶跃响应曲线如下：

参数：Kp1=70，Ki=0.01，Kd=200，

Kp2=1.5

图3.2.3 I值不同的无干扰串级控制仿真曲线

由图3.2.3得出:系统的超调量δ=6％，调整时间Ts=45.6s 经图3.2.3与图

3.2.1比较可知：不同I参数值下系统阶跃响应曲线，有I调节则无余差，而且随着Ti的减小，最大动态偏差增大，衰减率减小，振荡频率增大。

（3）保持P、I参数为定值，改变D参数，阶跃响应曲线如下：

参数：Kp1=70，Ki=0.3，Kd=300，

Kp2=1.5

图3.2.4D值不同的无干扰串级控制仿真曲线

由图3.2.4得出:系统的超调量δ=1％，调整时间Ts=32.8s 经图3.2.4与图

3.2.1比较可知：不同D参数值下系统阶跃响应曲线，而且随着D参数的增大，最大动态偏差减小，衰减率增大，振荡频率增大。

总结

啤洒发酵是一个复杂的生物化学反应过程。发酵期间，根据酵母的活动能力，繁殖快慢，确定发酵给定的温度。要使酵母的繁殖与哀减，麦汁中糖度的消耗和双乙酞等杂质含量达到最佳状态，必须严格控制发酵各个阶段的温度。因此，啤洒发酵过程，除生产工艺水平外，生产工序控制指标的优劣，将直接影响啤洒生产的质量，必须严格加以控制。

本次设计让我深刻的理解了一些在学习中没有理解的知识。多次的查阅资料，使我了解了啤酒发酵过程温度控制系统的相关知识。本次设计对我影响深远，在以后的工作中，我会牢记老师的教导来服务社会。在这次课程设计中，我们结合所学知识以及查阅的资料，将理论与实际相结合，不仅了解了生产过程的复杂，更加深刻的掌握了理论知识。

参考文献

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