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1、发酵罐温度控制系统课程设计 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 2022年5月 目录 1、概述 (3) 1.1温度对发酵的影响 (3) 1.2发酵对温度的控制要求 (3) 2、设计任务与要求 (4) 2.1设计任务 (4) 2.2设计要求 (4) 3、控制方案设计 (5) 3.1控制系统的选择 (5) 3.2控制参数的选择 (5) 3.3控制系统的方框图 (5) 3.4调节规律的选择 (6) 3.5调节器作用方式的选择 (7) 4、simul
2、ink建模及仿真实验 (7) 4.1Matlab简介 (7) 4.2控制系统simulink建模 (7) 4.2.1发酵罐温度数学模型的建立 (7) 4.2.2执行器与温度检测变送器建立 (8) 4.2.3主、副回路控制器建模 (8) 4.3系统simulink仿真结果 (9) 4.4系统优化及稳定性分析 (10) 5、总结与体会 (10) 六、参考文献 (11) 1、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
3、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
4、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
5、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：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（1.21.5）10个/ml为准；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；主发酵温度10，普通酒100.5,优质酒90.5，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0.100.15MPa；双乙酰还原主发酵结束后，关闭冷媒升温至12进行
6、双乙酰还原。双乙酰含量降至0.10mg/L以下时，开始降温；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；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。 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
7、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
8、参数和PID的模型。 3、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。 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
9、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 图3.2发酵罐温度控制系统方框图 3.4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：()
10、()()()? ?+=?t dt t de Td dt t e Ti t e kp t U 0/*/1，式中积分的上下限分别是0和t ，因此它的传递函数为：()()()()s Td s Ti kp s E s U s G */11/+=。其中kp 为比例系数;Ti 为积分时间常数;Td 为微分时间常数6。 比例控制的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。增大比例系数Kp 可减少余差，但随着Kp 的增大，控制系统的稳定会下降，甚至会产生振荡，但如果减小Kp ，余差会增大，所以比例系数Kp 是有一定限度的。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取
11、决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。积分作用具有鲁棒性。因此，比例+积分(PI )控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。但如果Ki 过大，会使系统超调量大幅增加，甚至引起积分饱和造成系统振荡不稳定。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay )组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的
12、变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD )控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。但Kd 不宜过大，否则可能造成提前制动，增大调节时间，和控制阀时而全开时而全关。微分作用由弱到强时，对容量滞后有明显作用，但是对纯滞后没有效果。而且微分作用对干扰有放大作用，因此过强的微分作用对系统抗干扰不利1。因此，在工程实践中，经常使用复杂的控制回路获得系统控制性能的提高。 3.5调节器作用方式的选择 要想一个过程控制系统能够正常工作，系统
13、必须采用负反馈。对于一个串级控制系统来说，主副调节器的正反作用的选择原则是使整个系统构成负反馈，既其主通道的各环节放大系数极性乘积为正值。 副调节器作用方式：根据工艺要求，考虑安全因素，当发生事故时，阀门应处于全开，所以调节阀应选择气关式，其中Kv为“-”，变送器Km为“+”。当调节阀开度增加时，冷却套温温度下降，则副对象的Ko2为“+”。根据组成该系统的各个环节极性相乘必须为正的原则，所以副调节器的Kp为“-”，所以选择正作用方式。主调节器的作用方式：主调节器的作用方式只取决于主对象“Ko1”的符号。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
14、区域T下降，因此主对象Ko1为“-”，则主调节器Ko1为“-”，故主调节器选择正作用方式4。 4、simulink建模及仿真实验 4.1Matlab简介 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国MathWorks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多
15、强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。 4.2控制系统simulink建模 4.2.1发酵罐温度数学模型的建立 般说来建立数学模型的方法大体上可分为两大类、一类是机理分析方法，一类是测试分析方法。机理分析是根据对现实对象特性的认识、分析其因果关系，找出反映内部机理的规律，建立的模型常有明确的物理或现实意义。测试分折将研究对象视为一个“黑箱”系统，内部机理无法直接寻求，可以测量系统的输人输出数据
16、、并以此为基础 运用统计分析方法，按照事先确定的准则在某一类模型中选出一个与数据拟合得最好的模型。这种方法称为系统辨识（System Identification ）。将这两种方法结合起来也是常用的建模方法。即用机理分析建立模型的结构，用系统辨识确定模型的参数。 发酵罐本身是一个比较复杂的被控对象，它具有非线性、时变性等特点。发酵罐温度是通过向夹套中通入液氨或冷水进行调节控制的，当通入液氨或冷水后，发酵罐温度变化存在一定的滞后性；另外，用传感器测量温度时，温度信号转换为电信号具有一定的纯滞后；其余环节可视为比例环节。所以该系统应是一个一阶惯性环节附加一个滞后环节，即发酵罐的数学模型为：()()
17、s e TS Ks s G -+=*1/。通过对某啤酒厂的发酵罐系统的物理建模和数学建模，根据发酵罐的温度变化曲线，温度控制范围在 0摄氏度到12摄氏度，通过温度和时间的函数关系可以得知Ks =4、T =190、t =500。所以啤酒发酵罐的传递函为()()s e s s G 500*1190/4-+=。 4.2.2执行器与温度检测变送器建立 温度的检测传输由热电阻Pt 100传感器和温度变送器两部分组成，主回路传感器安装于发酵罐侧壁，副回路热电阻安装于冷却套侧壁，输出与温度成正比的4-20mA 直流电流信号。根据厂家的要求，发酵罐的温度控制偏差为0.5摄氏度。发酵罐温度是冷却套间接冷却控制的
18、，通过控制调节阀的开度，来改变通过调节阀液氨的流量，从而改变冷却套的温度达到控制发酵罐内麦汁温度目的。由于其检测输出的4-20mA 电流信号与0摄氏度到12摄氏度的温度信号成正比关系，因而在这里的主回路、副回路都为比例环节，比例系数Km 1=1、Km 2=5，调节阀也为比例环节比例系数Kv =0.3。主回路温度控制器传递函数为()12Km s Gm =；副回路温度变送器传递函数为()22Km s Gm =；系统调节阀传递函数为()Kv s Gv =。 4.2.3主、副回路控制器建模 主回路被控变量温度是工艺操作的主要指标，允许波动的范围很小，一般要求无余差，主控制器应选PI 控制规律。副被控变
19、量的设置是为了保证主被控变量的控制质量，提高系统的反应速度，提高控制质量，可以允许在一定范围内变化，因此副控制器用PID 调节规律。由于是串级控制系统，故采用一步整定法。根据经验先确定副调节器的参数，然后将副回路作为主回路的一个环节，按单回路反馈控制系统的整定方法整定主调节器的参数。具体的整定步骤为： 在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据关系式，通过副过程放大系数K 02, 求取副调节器的比例放大系数。或按经验选取，并将其设置在副调节器上；按照单回路控制系统的任一种参数整定方法来整定主调节器的参数；改变给定值，观察被控制量的响应曲线，根据主调节器放大系数K1和副调节器放大系数K2的匹配原
20、理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳；如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度或增大积分时间常数，即可得到改善。初始状态参数设定，主回路PI调节：Kp=1、Ki=1、Kd=0副回路PID：Kp=1、Ki=1、Kd=1。 4.3系统simulink仿真结果 启动MATLAB，点击simulink仿真按钮，新建一个Model文件，选取需要的仿真模块拖到仿真界面进行建模。在仿真界面右上方将仿真终值修改为500，点击run运行仿真系统。系统simulink仿真图如图4.1所示。 图4.1系统建模方框图 初始状态参数仿真结果如图4.2。 图4.2系统初始参数仿真图 4.4系统优化及稳定性分
21、析 由图4.2可以看出在初始参数设定下，所得到的仿真结果调节时间过长，超调量过大，因而需要进一步调节PID参数。根据系统的传递函数，使用临界比例度法进行调节，再经过多次试凑，得到PID参数为主回路参数为Kp=10、Ki=1.2、Kd=0，副回路参数为Kp=20、Ki=1、Kd=0.6时，系统效果比较好。系统仿真结果图如图4.3。 图4.3系统参数仿真图 用编程方法计算系统性能指标，并画出系统伯德图，编程命令语言与伯德图详见附录。此时系统超调量为40.9103%；峰值时间37.2316；过渡过程时间151.2535；余差为1-1=0；第一个波峰值为1.4091；第二个波峰值为1.0492；衰减比
22、为8.3150，位于4到10之间；衰减率为0.8797；振荡频率为0.0105。分析可得，系统的动态特性得到了明显的改善，并且调节时间变小，稳态误差也消除了，此时系统基本达到最佳状态。5、总结与体会 通过本次课程设计，我对于发酵罐温度控制的意义和方法有了一个比较清晰的掌握。并且通过对发酵罐温度控制的设计过程了解了工业控制的一般步骤，对于一般的控制系统，采用PID控制就能满足要求。在控制参数的整定过程中，我也重新复习了PID控制的特点，经过整定后的系统应该达到4：1到10：1的衰减过度，这时的PID控制效果最好。整定过程中需要用到自动控制原理的部分知识，把过程控制理论、信号与系统、 自动控制理论
23、以及MATLAB等学科都串联在一起，也是对我所学知识的一次梳理。从中发现了我的不足之处，对我的学习起到了警醒的作用，也对知识有了更深刻的理解。实践出真知，不通过自己动手做，自己掌握的知识永远是在纸上谈兵。 本次课程设计在仿真过程也有些辛苦，事先要定参数，考虑整个控制系统的控制质量，而其中的参数整定很有技巧，需要不断地寻优，朝着快、准、稳努力。在用SIMULINK 做仿真时，也比较费时费力。这次课程设计也是对我在疫情期间学习的一个检测，以及对MATLAB的simulink部分的复习和巩固。通过这次课程设计实习，我从中学到了很多，也真正领悟到了“态度决定一切”这句话的真正含义。这次课程设计使我懂得
24、了理论与实际相结合的重要性。只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，把理论付诸实际行动，从实践中得出结论，才能更加深刻的理解书本所学知识，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。 六、参考文献 1薛小兵.论串级PID温度控制的应用J.科技创新与应用,2022(35):18-19. 2宋丹. 啤酒酿造工艺对挥发性风味物质影响的研究D.大连工业大学,2022. 3张国权.啤酒锥形发酵罐温度控制中的几个问题J.啤酒科技,2000 :8-10. 4牛超,徐定伟,王军,等.发酵罐温度控制系统的设计J.自动化与仪器仪表,2022,(5):10-12. DOI:10.3969/j
25、.issn.1001-9227.2022.05.005. 5王志坚.锥形罐啤酒发酵温度的调节与控制J.酿酒科技,2022,(4):66-67. DOI:10.3969/j.issn.1001-9286.2022.04.021. 6王耀辉,强天伟.PID控制原理简析J.洁净与空调技术,2022,(3):79-82. DOI:10.3969/j.issn.1005-3298.2022.03.022. 7Wen Wen.Chen,You Kuan.Liu,Xiang Yu.Tan, et al.PID Parameter Optimization Based on Fuzzy ControlJ.Advanced Materials Research,2022,3247(1921):1156-1161. DOI:10.4028/ /AMR.960-961.1156.