啤酒发酵的过程控制.pdf

《啤酒发酵的过程控制.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《啤酒发酵的过程控制.pdf（41页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、 啤酒发酵的过程控制 啤酒发酵的过程控制 摘要 啤酒发酵是一个复杂的工艺过程，其中啤酒发酵的温度是发酵过程中最重要的工艺参数，发酵过程的温度决定了啤酒的口味和质量，因此如何控制发酵温度是啤酒发酵过程的重点。本设计采用 AT89S52 单片机为核心的数字化温度控制系统，在发酵罐中设置上、中和下三个测温点，控制系统对这三个测温点进行循环检测，然后将检测到的温度信号送到单片机，由单片机通过具体程序对以上三个信号进行处理，通过 PID 控制算法得到输出控制量控制电磁阀的开度，控制冷却液的流量来控制罐内温度。从而实现了啤酒发酵罐内部发酵温度的精确控制，提高了啤酒生产的综合自动化水平。文中还用MATLAB

2、 软件对该控制系统进行了 Simulink 仿真。关键词：啤酒发酵；AT89S52 单片机；温度控制；PID 控制；Simulink 仿真 啤酒发酵的过程控制 BEER FERMENTATION PROCESS CONTROL ABSTRACT Beer fermentation is a complex process,in which the fermentation of beer during the fermentation temperature is the most important process parameters,fermentation temperature de

3、termines the taste and quality of beer,so this paper is the temperature of the beer fermentation process control system design.The design uses AT89S52microcontroller as the core digital temperature control system,in the fermentation tank setting,and for the next three measurement points,the control

4、system to cycle the three measurement points detection,and then the detected temperature signal To the MCU,the MCU through the specific procedures for these three signals are processed through the PID control algorithm for this decision set the control valve opening,the beer fermentation tank in ord

5、er to achieve precise control of temperature within the fermentation to enhance the production of beer Comprehensive level of automation.In the paper the control system using MATLAB software were Simulink.Key words:Beer fermentation;AT89S52 microcontroller;temperature control;PID control;Simulink si

6、mulation 啤酒发酵的过程控制 目 录 1 绪论.1 1.1 课题背景及研究目的.1 1.1.1 课题背景.1 1.1.2 研究目的.1 1.2 啤酒发酵温度控制的发展现状及趋势.1 1.2.1 啤酒发酵温度控制的现状.1 1.2.2 啤酒发酵温度控制的发展趋势.3 2 控制系统总体设计.4 2.1 啤酒发酵工艺.4 2.2 被控对象分析.5 2.3 方案选择.5 2.4 总体方案设计.5 3 硬件电路设计.7 3.1 AT89S52 单片机简介.7 3.2 晶振、复位和报警电路.7 3.3 串口通信电路.8 3.4 LED 温度显示电路.9 3.5 温度检测电路.9 3.5.1 数字温

7、度传感器 DS18B20 芯片.9 3.5.2 温度检测电路.11 3.6 D/A 转换电路.11 3.7 电磁阀.12 3.8 硬件电路原理图.12 4 系统软件设计.13 4.1 主程序.13 4.2 数据处理模块.14 啤酒发酵的过程控制 5 Simulink 仿真.17 5.1 MATLAB/Simulink 概述.17 5.2 仿真结果.17 6 结论.19 参考文献.20 致谢.21 附录 A 硬件电路原理图.22 附录 B 部分程序清单.23 啤酒发酵的过程控制 第 1 页 共 37 页 1 绪论 1.1 课题背景及研究目的 1.1.1 课题背景 啤酒发酵是啤酒生产工艺流程中关键

8、环节之一,也是一个极其复杂的生化放热反应过程。在发酵过程中,把糖化麦汁中的糖类水解成单糖,然后经酵母发酵生成乙醇(C2H5OH)、二氧化碳(CO2),同时还会产生种类繁多的中间代谢产物,如双乙酰、脂肪酸、高级醇、酮等,这些代谢产物的含量虽然极少,但它们对啤酒质量和口味的影响很大,中间代谢产物的生成取决于发酵温度4。啤酒发酵的温度控制就是利用冷媒介质对罐内温度进行按工艺要求的分段控制。根据啤酒发酵的工艺要求,当啤酒的发酵温度高于工艺要求的温度时,打开冷媒,通过啤酒罐罐壁的冷带给啤酒降温;当发酵温度低于工艺要求的温度时,关闭冷媒,则啤酒按工艺要求继续发酵,整个发酵过程大约12天完成。因此,控制好啤

9、酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键4。1.1.2 研究目的（1）了解和熟悉啤酒发酵的生产工艺知识；（2）提高啤酒工业生产的经济效益和啤酒质量；（3）培养独立分析和解决问题的工作能力及实际工程设计的基本技能，掌握基于单片机的啤酒发酵温度控制系统的基本设计方法；（4）考察对知识面和知识深度的掌握程度，运用理论知识去处理实际问题的能力、实践能力、外语水平、计算机运用水平进行综合训练。1.2 啤酒发酵温度控制的发展现状及趋势 1.2.1 啤酒发酵温度控制的现状 为适应现代生产的要求,提高产品质量,提高劳动生产率,使企业的生产管理水平和竞争能力更上一个台阶,啤酒发酵控制采用了自动

10、控制技术,这种技术在啤酒发酵中起着重要的作用。自动控制系统代替人工控制,不需要人直接参与,直接控制温度、压力、液位等物理量按指定的曲线规律变化。目前国内的啤酒发酵自动控制系统主要形式是:PC机和数据采集插卡方式、分布式控制方式,其中分布式控制方式目前有DCS(分布式控制系统)控制系统与FCS(现场总线控制系统)控制系统两种11。啤酒发酵的过程控制 第 2 页 共 37 页（1）PC机与数据采集插卡控制方式 以工业PC机结合各种数据采集插卡为代表,把啤酒发酵过程控制中的温度、压力等信号数据在采集后通过相应的变送器传入插在工业PC机插槽中的数据采集卡,然后PC机画面上显示出以上各种参数,同时控制阀

11、门等设备的开度来达到工艺生产上的要求。目前国内一些啤酒厂发酵车间采用这类系统进行控制。但是这种系统存在着缺点:数据采集卡工作不稳定,容易出现故障,不能保证正常的运行;外部扩展性较差,不能满足扩展要求;对环境温度的变化较为敏感,因而精度低,最终控制效果不理想8,11。（2）分布式控制方式 分布式控制方式采用先进的计算机控制技术与多层网络结构并且结合了先进控制算法对生产工序进行自动控制。目前有DCS(分布式控制系统)控制系统与FCS(现场总线控制系统)控制系统两种11。DCS控制系统中包括工控机与可编程控制器分布式控制和工控机与单片机分布式控制。FCS控制系统,这种系统适合工业过程监控设备互联,为

12、工业控制系统可靠性数据传送提供了新的解决方案。现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。分布式控制方式中上位机系统主要完成控制系统的监控管理,可显示发酵罐布置图、详细图、生产简介、工艺图;实时在线显示各参数图;检测各点的趋势显示;可由键盘输入给定值或修改参数;定时或即时打印参数报表;随机屏幕拷贝打印各种工艺、详细图、趋势图;设置操作员密码,保证系统的安全性;操作画面按钮配有确认画面以减少错误操作可能性,提高系统可靠性;充分利用电脑强大的计算功能实时将产量及经济指标统计计算出来,提高生产效率。下位机针对发酵过程中所存在的

13、大时滞、强耦合、时变、大时间常数的特点,运用适当的控制理论,可以实现发酵过程的精密控制。因而现在大部分厂家在发酵过程中运用了分布式控制方式。在分布式控制方式中使用以单片机为核心的控制系统来控制啤酒发酵温度。采用单片机对温度进行控制,不仅具有控制方便、灵活和组态简单的优点,而且可以大幅度提高被控温度的技术指标,从而可以显著提高啤酒产品的质量。单片机首先根据已经测量的数值计算出温度偏差,然后进行PID控制并计算出相应的控制数据量,将控制数据量输出到D/A转换器，这样就可以控制电磁阀的开度。通过对PID 算法中各控制参数的整定,降低了系统的振荡和超调,实现了对温度的控制14。啤酒发酵的过程控制 第

14、3 页 共 37 页 1.2.2 啤酒发酵温度控制的发展趋势 随着今后的自动控制技术的发展,发酵过程温度控制的自动化程度应进一步提高,精简系统的外设结构,应具有良好的动态性能、控制精度高、控制效果稳定、系统工作稳定可靠的特点。随着近年来微电子与嵌入式技术的迅速发展和现代控制理论的不断完善,利用高性能的嵌入式处理器进行温度智能控制已进入实用阶段,而且可以在嵌入式处理器中可以加入复杂的控制理论来实现工业过程的精密控制。啤酒发酵过程具有大时滞、强耦合、时变、大时间常数的特点,而在现已运用的控制理论中,并未解决强耦合问题,因而发酵过程中的控制精度依然不高,存在误差。在今后的控制理论方面,应将解决耦合问

15、题作为一个关键点。不断对控制理论方面进行研究,对原有PID控制器设计思想及整定方法进行改进,进一步提高控制系统的性能,尽量减少误差,提高精确度11。在啤酒发酵温度自动控制系统中结合先进的控制算法,可以更加精确地控制物理参数,并且对啤酒发酵过程中所具有的大时滞、强耦合、时变、大时间常数的特点,有针对性地解决。目前,啤酒发酵自动控制理论的应用包括常规PID控制、模糊控制、Fuzzy-PID复合控制、神经网络控制等5,11。啤酒发酵的过程控制 第 4 页 共 37 页 2 控制系统总体设计 2.1 啤酒发酵工艺 啤酒发酵是微生物的一个代谢过程，简单的说就是把糖化之后产生的麦汁经酵母发酵分解成酒精、二

16、氧化碳和水的过程，同时还会产生种类繁多的中间代谢物。虽然这些代谢产物的含量非常低少，但它们对啤酒的质量和口味将会产生非常大的影响。一般认为低温发酵可以降低双乙酞和脂类等代谢物的含量，提高啤酒的色泽和口味;高温发酵则可以加快发酵速度，提高生产效率和经济效益 4。整个发酵过程可以分为主酵和后酵两个阶段：(1)主酵。这个阶段又称为前酵。麦汁接种酵母进入发酵罐几小时以后逐渐开始主发酵，麦汁糖度下降，产生C02，反应热的释放使整个罐内的温度逐渐上升。经过23天后进入发酵最为旺盛的高泡期，再过2-3天，降糖速度变慢，糖度很低，酵母开始沉淀，进行封罐发酵。此时，前酵基本结束，进行降温转入后酵阶段。普通啤酒在

17、前酵时的温度要求控制在12左右，从前酵进入后酵的降温过程，其降温速度一般控制在0.3/h4。(2)后酵。当罐内温度从前酵的12降到5左右时，后酵阶段开始了，这一阶段最主要的目的是进行双乙酰还原。此外，后酵阶段还完成残糖发酵，充分沉淀蛋白质、降低氧含量，提高啤酒的稳定性。一旦双乙酰指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，约以0.15/h的速率把罐内发酵温度从5降到0-1左右进行贮酒，以提高啤酒的风味和质量4。经过一段时间的贮酒，整个发酵环节基本结束。上述的啤酒发酵工艺曲线如图2.1所示。07214416821628826424681012温度T（）时间t（h）-1-2 图2.1 啤酒发酵工艺曲线 啤

18、酒发酵的过程控制 第 5 页 共 37 页 2.2 被控对象分析 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5,6：(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，

19、被控量要经过一段时间(大概3min15min，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。2.3 方案选择 目前国内啤酒发酵过程控制的控制大多采用PLC或单片机芯片，故现有两种方案设计来控制啤酒发酵的温度：方案一：采用可编程逻辑控制器(PLC)，选用S7-200CPU224型PLC作为控制器，直接与现场仪器、仪表连接，主要完成对现场数字、模拟信号进行采集和处理以及对执行元件进行实时

20、控制的功能。方案二：采用单片机作为控制系统的核心来控制啤酒发酵的温度，硬件由单片机和外部接口电路、各功能电路组成。为了实现发酵罐三个位置的温度同时得到监控，设计中采用循环检测三路温度，并输出控制量来改变电磁阀的阀门开度，控制啤酒发酵过程的温度。基于学校实验室设备和所学课程限制，本次设计采用方案二。采用单片机来对发酵温度进行控制，不仅具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点，而且可以大幅度提高被控温度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量。2.4 总体方案设计 由于本系统使用的是具有严重非线性特性的管道制冷系统，所以设计中采用电磁阀作为整个控制系统的执行器件，在对冷却液流量的控制中，通过改变电磁阀

21、阀门的开度，啤酒发酵的过程控制 第 6 页 共 37 页 从而达到理想的发酵温度。系统原理图如图 2.2 所示，图中系统通过 DS18B20 数字温度传感器把检测到的发酵温度传给单片机，并且在 LED 上显示出来，单片机根据偏差通过 PID 算法计算出控制量，然后通过 D/A 转换来调节电磁阀开度，调节冷却液的流量来控制啤酒发酵罐内的发酵温度。当实际温度高于或低于设定温度 0.5时，系统报警以提醒工作人员。下位机单片机通过串口电路与上位机 PC 机通信，通信协议是 RS232C标准。数字温度传感器DS18B20串口通信电路电压放大电路DAC0832蜂鸣器报警电路LED温度显示电路PC机电磁阀开

22、度发酵罐单片机AT89S52 图2.2 啤酒发酵温度控制系统原理框图 啤酒发酵的过程控制 第 7 页 共 37 页 3 硬件电路设计 3.1 AT89S52 单片机简介 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能的 CMOS 8 位单片机。片内含8Kbyte 的可反复擦写的只读程序存储器和 256byte 随机存取数据存储器(RAM)。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准 MCS-51 指令系统及 80 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元。功能强大 AT89S52 单片机适合于许多较为复杂的控制应用场合3,12。主要

23、性能参数12:(1)与 MCS-51 产品兼容；(2)具有 8K 可改写的 Flash 内部程序存储器，可写/擦 10000 次；(3)全静态操作:0Hz-24Hz；(4)三级程序存储器加密；(5)256 字节内部 RAM；(6)32 根可编程 I/0 线；(7)3 个 16 位定时器/计数器；(8)6 个中断源；(9)可编程串行口；(10)低功耗空闲和掉电方式；3.2 晶振、复位和报警电路 时钟电路由AT89S52的18，19脚的时钟端(XTALl及XTAL2)以及11.0592 MHz晶振、两个电容组成，采用片内振荡方式3,12，如图3.1所示。复位电路采用简易的上电复位电路，主要由电阻、

24、电容、开关组成，分别接至AT89S52 的 RST 复位输入端3,12，如图 3.2 所示。报警电路采用蜂鸣器和一个三极管、一个电阻与单片机的 P13 管脚相连，当 P13 输出高电平时，蜂鸣器蜂鸣，如图 3.3 所示。啤酒发酵的过程控制 第 8 页 共 37 页 LS1Bell4.7KR12VCCGND12Y111.0592MHzVCCC130pFC230pFS510KR14220uFC8XTAL1XTAL2RSTP13Q49013 图 3.1 晶振电路 图 3.2 复位电路 图 3.3 报警电路 3.3 串口通信电路 单片机与PC机的通信可通过MAX232芯片实现。(1)RS232C接口标

25、准 RS232C是串行异步通信中应用最为广泛串行总线标准，1969年由美国EIA（电子工业协会）颁发，主要用于使用模拟信道传输数字信号的场合。RS232C采用9脚或25脚D 形连接器作为各通信设备的连接口，其中采用25 脚接口时只需要9个信号就够用了，通常采用9脚D形连接器3。(2)RS232C电气特性 RS232C采用负逻辑工作，即：逻辑“1”用负电平表示，有效电平范围是-3V-15V；逻辑“0”用正电平表示，有效电平范围是+3V+15V；-3V+3V为过渡期，逻辑状态不定，为无效电平3。(3)RS232C与AT89S52的接口电路 C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6T1IN11R

26、1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U3MAX232C4104pC5104pC6104pC3104pC7104pVCC162738495J1DB9TXDRXDGNDGND 图 3.4 串口通信电路 由 RS232C 电气特性知，RS232C 是用正负电平表示逻辑状态的，而很多芯片的逻辑状态是用高低电平表示的，如TTL芯片，为了使用RS232C与计算机通信，需用接口电 啤酒发酵的过程控制 第 9 页 共 37 页 路进行电平转换。设计中采用MAX232芯片实现AT89S52 与RS232C 之间的电平转换。其电路如图3.6所示。图中的C3、C4、C5、C6是电荷泵升压及电压

27、反转部分电路，产生V+、V-电源供EIA电平转换使用，C7是VCC对地去耦电容，其值为104pF 3。3.4 LED 温度显示电路 7段LED显示器有7个发光二极管组成显示字段，并按“曰”字形排列，这7段发光管分别称为a、b、c、d、e、f、g，还带有一个小数点dp。7段由此得名，将7段发光管阴极都连在一起，称为共阴极接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应字段就点亮。共阳极接法是将LED显示器的所有阳极并联后接到+5V电源上，当某一字段的阴极为0时，对应的字段就点亮12。设计中显示电路采用的是3位一体LED显示器，由于所有的段选线并联到同一个I/O，由这个I/O口来控制，因此，若是所有的3位7

28、段LED都选通的话，3位7段LED将会显示相同的字符。要使各个位的7段LED显示不同的字符，就必须采用动态扫描方法来轮流点亮每一位7段LED，即在每一瞬间只选通一位7段LED进行显示单独的字符。在此段点亮时间内，段选控制I/O口输出要显示的相应字符的段选码，而位选控制I/O口则输出位选信号，向要显示的位送出选通电平（共阴极则送出低电平，共阳极则送出高电平），使得该位显示相应字符。这样将3位7段LED轮流去点亮，使得每位分时显示该位应显示的字符4。P00P01P02P03P04P05P06P07100R1100R2100R3100R4100R5100R6100R7100R8VCC1KR91KR1

29、01KR1111742110539abcdefghpvcc8vcc6vccU4SM31041KP14P15P16Q39012Q29012Q19012 图3.5 LED显示电路 3.5 温度检测电路 3.5.1 数字温度传感器 DS18B20 芯片 1 DS18B20主要特性3,14 啤酒发酵的过程控制 第 10 页 共 37 页（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电;（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯;（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的

30、三线上，实现组网多点测温;（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内;（5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5;（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温;（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快;（8）测量结果直接输出数字温度信号，以线总线串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力;（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常

31、工作3,14。2 DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测温原理如图3.6所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产

32、生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3.6中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值3,14。啤酒发酵的过程控制 第 11 页 共 37 页 斜率累加器计数器1计数器2预置比较温度寄存器预置低温度系数晶振高温度系数晶振等于0等于0LSB置位/清除 图3.6 DS18B20工作原理图 3.5.2 温度检测电路 DS18B20芯片与单片机连接如3.7图所示：VCC1DQ2GND3P3DS18B20VCC1DQ2GND3P2DS18B20VCC1DQ2GND3P1DS18B201KR1

33、71KR161KR15GNDVCCP10P11P12 图3.7 温度检测电路 3.6 D/A 转换电路 设计中D/A转换电路采用DAC0832芯片，DAC0832是采用CMOS工艺制造的8位D/A转换器，与处理器完全兼容，其价格低廉，接口简单，转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到了广泛的应用。DAC0832具有一组八位的数据线D0D7,用于输入数字量。一对模拟输出端IOUT1和IOUT2用于输出与输入数字量成正比的电流信号，一般外部连接由运算放大器组成的放大电路。VREF为基准电压输入线，范围为-10V+10V3,12。DAC0832与单片机AT89S52的连接电路如图3.8所示：啤酒发

34、酵的过程控制 第 12 页 共 37 页 DI07DI16DI25DI34DI416DI515DI614DI713WR218WR12ILE19CS1Rfb9IOUT111GND3IOUT212VREF8Xfer17DGND10VCC20U2DAC083253241AAD62010KR13VCCGNDVCCVCCGNDGNDP20P21P22P23P24P25P26P27 图3.8 DAC0832与单片机的连接电路 3.7 电磁阀 电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。这样，电磁阀可以配合

35、不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等1,13。电磁阀一般按使用介质及用途而标注名称，本设计选用的电磁阀为制冷电磁阀。型号：FDF；尺寸口径：DN15；工作压力：0.021.4MPa。3.8 硬件电路原理图 本设计的硬件电路原理图见附录A。啤酒发酵的过程控制 第 13 页 共 37 页 4 系统软件设计 本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法,便于功能扩展,程序采用C语言进行编程。程序模块主要包括:主程序、PID 数据处理、温度显示、报警等子程序。本章重点介绍主程

36、序流程图和数据处理模块。4.1 主程序 程序开始时对单片机进行初始化，然后对温度通道进行检测，判断是上、中、下哪个温度，再调用显示子程序，同时对检测到得温度进行判断比较，如果符合条件，就调用报警子程序并启动PID控制子程序，否则返回继续检测温度。当温差大于0.5时进行数据处理，否则返回继续检测温度。直到发酵罐内温度小于-1且发酵时间超过288h时结束。主程序流程图如图4.1所示。啤酒发酵的过程控制 第 14 页 共 37 页 图4.1 主程序流程图 4.2 数据处理模块 通常,温度控制大多数采用PID控制方案,所谓PID控制,就是按设定值与测量值之间偏差的比例、偏差的积累和偏差变化的趋势进行控

37、制。在工业上,PID控制又称偏差控制,这是工业控制过程中应用最广泛的一种控制形式,一般都能收到令人满意的效果。其控制规律为3：初始化 温度检测 温度显示 报警并启动控制程序 PID 数据处理 T12且t72h T288h Y Y Y N N N T0.5?结束 温度通道选择 开始 啤酒发酵的过程控制 第 15 页 共 37 页)()(1)()(dttdeTdtteTteKtudp （41）式中：)(tu控制量；)(te系统的控制偏差；pK比例增益；dT 微分时间；T采样周期2。将微分方程式（41）离散化可作如下近似：)()();()(kTetekTutu （42）kjjTedtte0)()(（

38、43）Tkekedttde)1()()(（44）增量式PID是对位置式PID取增量，数字调节器的输出值是增量。PID运算的输出增量为相邻两次采样时刻所计算的位置值之差，即3)1()()(kukuku （45)由式（41）（44）可得：kjdipkekeTTjeTTkeKku0)1()()()()(（46）kjdipkekeTTjeTTkeKku0)2()1()()1()1(（47）故 kjdipkekekeTTkeTTkekeKku0)2()1(2)()()1()()(（48）在普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的，主要是为了消除静差，提高控制精度。但在控制过程中大幅度改变给定值时，由于

39、在短时间内产生很大的偏差，往往会产生严重的积分饱和现象，以致造成很大的超调和长时间的震荡。为了克服这个缺点，可采用积分分离方法，即在被控制量开始跟踪时，取消积分作用；而当被控制量接近给定值时才利用积分作用消除静差，其控制算法为3：)2()1(2)()1()()(kekekeTTkekeKkudp )(ke （49）)2()1(2)()()1()()(kekekeTTkeTTkekeKkudip)(ke（410）子程序流程图如图4.2所示。啤酒发酵的过程控制 第 16 页 共 37 页 图4.2 PID算法程序流程图 采样值)(kr、设定值)(kc 设初值 0)2()1(keke 计算偏差)()

40、()(kckrke PID PD)(ke?准备下次采样计算)2()1(keke)1()(keke 输出控制量)(ku N Y 啤酒发酵的过程控制 第 17 页 共 37 页 5 Simulink 仿真 5.1 MATLAB/Simulink 概述 MATLAB 是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称，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7。Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MAT

41、LAB语言的主要区别在于它与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入的，从而使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本系统模块，用户只需要知道这些模块的输入、输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型，进而进行仿真与分析7。5.2 仿真结果 本设计采用模拟PID控制器来对温度控制系统进行仿真，其控制方框

42、图如图5.1所示：图5.1 PID控制方框图 对象传递函数设为)2)(12(4)(sssG，其单位阶跃响应曲线看起来是一条S形的曲线，如图5.2所示，则可用Ziegler-Nichols整定方法确定PID控制器的参数2,7。S形曲线用延时时间L和时间常数T来描述，则对象可近似为：啤酒发酵的过程控制 第 18 页 共 37 页 1)()(TsKesRsCLs （51）利用延时时间L、放大系数K和时间常数T确定Kp、Ti和的值。图5.2 S形响应曲线 所以根据图5.2可知图5.1中的被控对象的单位阶跃响应曲线可得K=2，L=2.2，T=2.8。因此76.02.1LKTKp，84.42.2LTi，1

43、.15.0L。故模拟PID控制器三个参数为0.76、0.2、1.1，在操作过程中，对三个参数进行了调整，达到了比较理想的结果，其仿真结果如图5.3所示，此时三个参数为0.45、0.2、1.25。图5.3 仿真结果 通过仿真图5.3可知，仿真结果符合本设计的控制要求，与文中的工艺曲线基本一致。虽然在每个阶段的开始时都会出现与系统设定有偏差，但很快的经过PID控制达到了控制要求。O L T t C(t)K 啤酒发酵的过程控制 第 19 页 共 37 页 6 结论 本设计采用AT89S52单片机实现了啤酒发酵的温度控制，系统通过DS18B20数字温度传感器把检测到的发酵温度传给单片机，并且在LED上

44、显示出来，当实际温度高于或低于设定温度0.5时，系统报警以提醒工作人员。此时单片机根据温度偏差通过PID算法计算出控制量，然后通过D/A转换来调节电磁阀开度，调节冷却液的流量来控制啤酒发酵罐内的发酵温度。设计中单片机与计算机采用RS232C标准串行通信，使计算机实现PID控制。设计中使用MATLAB软件中的Simulink模块对系统进行模拟仿真，通过对系统的PID 参数的整定模拟出了比较满意的仿真结果。啤酒发酵的过程控制 第 20 页 共 37 页 参考文献 1金以慧.过程控制M.北京:清华大学出版社.1993:13-26.2夏杨.计算机控制技术M.北京:机械工业出版社.2009:30-46

45、3杨宁.单片机与控制技术M.北京:北京航空航天大学出版社.2005.4王文甫.啤酒生产工艺M.北京:中国轻工业出版社.1997.5于浩洋.啤酒发酵温度的模糊控制与实现J.电气传动.2007，12：53-55.6盛金辉等.啤酒发酵温度控制算法的设计及其模型化J.微计算机信息.2005,4:32-33.7王正林等.MATLAB/Simulink 与控制系统仿真(第 2 版)M.北京:电子工业出版社.2009:216-233 8王念春.国内啤酒生产自动控制的现状和展望J.工业仪表与自动化装置.2002,2(1):64-66.9Norman A.Anderson,Instrumentation for

46、 Process Measurement and ControlM,Third Edition,Published in Radnor,Pennsylvania,U.S.A,1989:57-59.10 Costa Branco P J,Dente J A.Fuzzy Systems Modeling in Practice J.Fuzzy Set s and Systems,2001,121(1):7393.11高艳丽，綦星光.国内啤酒生产自动控制技术的现状与展望J.山东轻工业学报.2009,23(2):30-32.12胡汉才.单片机原理及其接口技术(第 3 版)M.北京:清华大学出版社.20

47、10.13陈夕松，汪木兰.过程控制系统M.北京:科学出版社.2005.14 邓 荣.基 于 AT89S52 单 片 机 的 啤 酒 发 酵 温 度 控 制 系 统 J.应 用 天 地.2007,26(11):59-61.15杜峰，雷鸣.啤酒发酵过程温度控制策略J.酿酒.2002.29(6):50-52.啤酒发酵的过程控制 第 21 页 共 37 页 致谢 在导师杨玉老师的教育和精心指导下，我顺利完成了此篇设计，并且杨老师对待工作一丝不苟的态度、孜孜不倦的工作精神给我留下了深刻的印象，将指引着我今后的工作和学习。在四年的大学学习生活中，各位老师不管是在学习还是在日常生活中都给予了我无微不至的关怀

48、，让我在学习了专业知识外，也学会了如何做人。四年来我的最大收获是杨老师的严谨治学态度、敏锐的科研思路和实事求是的科研作风，这些都将指导着我今后的人生。在此设计完成之际，我衷心的感谢杨老师对我在学业上的教诲以及生活上的关怀。衷心感谢电气学院的各位老师在学业上给予的耐心指导，使我的知识面进一步得到了拓展。在此对您们表示深深的谢意。感谢我的同窗好友，与他们在学习和生活中度过了四年的美好时光。每当我需要帮助的时候，是他们给了我希望、信心和勇气，谢谢他们的关怀和帮助。最后，衷心的感谢我深爱的父母，他们给了我莫大的鼓励和支持，使我在风雨路上不断前进，学业得以顺利完成。啤酒发酵的过程控制 第 22 页 共

49、37 页 附录 A 硬件电路原理图 12Y111.0592MHzVCCC130pFC230pFVCCS510KR14220uFC8XTAL1XTAL212PowerC1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6T1IN11R1OUT12R1IN13T1OUT14GND15VCC16U3MAX232C4104pC5104pC6104pC3104pC7104pVCC162738495J1DB9TXDRXDRXDTXD12345678121314153118199161732333435363738392122232425262728402010113029P10P11P12P13P14P15P16P

50、17P20P21P22P23P24P25P26P27P00P01P02P03P04P05P06P07P32/INT0P33/INT1P34/T0P35/T1EA/VppXTAL1XTAL2RST/VpdP36/WRP37/RDVCCGNDP30/RXDP31/TXDALE/PROGPSENU189S52VCCGNDD9POWERVCC1KR0DI07DI16DI25DI34DI416DI515DI614DI713WR218WR12ILE19CS1Rfb9IOUT111GND3IOUT212VREF8Xfer17DGND10VCC20U2DAC0832ALE100R1100R2100R3100R