MATLAB课设啤酒厂发酵罐温度控制系统仿真.docx
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MATLAB课设啤酒厂发酵罐温度控制系统仿真
内蒙古科技大学
控制系统仿真课程设计报告
题目：
啤酒厂发酵罐温度控制系统仿真
学生姓名：
学号：
专业：
班级：
指导教师：
前言
仿真技术是一门利用物理模型或数学模型模拟实际环境进行科学实验的技术，它具有经济、可靠、实用、安全、灵活和可多次重复使用的优点，目前已经被广泛地应用于几乎所有的科学技术领域，成为分析、综合各种复杂系统的一种强有力的工具和手段。
在工业自动化领域，控制系统的分析、设计和系统调试、改造，大量采用仿真技术，本次控制系统仿真课程设计就是在我们所学过程控制系统课程设计的基础上，结合生产工艺实际状况，对所设计的生产工艺流程控制系统的参数（温度、压力、流量、物位、成分），采用MATLAB仿真软件，进行安全性、经济性以及进行实验研究的可能性专业仿真，使我们能获得系统最优品质和性能，在现场调试时，可以迅速完成调试任务，在系统运行时，预防事故发生，以提高系统的性能和运行效率。
同时，能将其熟练的应用于实际生产工艺的过程中。
因而本次控制系统仿真课程设计对于测控技术与仪器专业来说是一个非常重要的实践环节。
有利于提高我们遇到问题该如何思考、处理问题的能力，也有利于提高我们的实践能力为以备以后工作中的应用。
也让我们对现代企业的运行，生产工艺流程，质量保证体系有了较系统，较专业的认识。
在积累许多工作经验的同时，让我们熟悉自己专业所在企业从事的工作方向。
本文控制系统仿真课程设计题目是啤酒厂发酵罐温度控制系统仿真，要求了解发酵工艺背景，分析发酵罐温度的变化特性及控制系统，并以此来制定系统总体方案设计，绘出工艺方框图、参数设置控制规律及建模方框图完成系统系统的仿真。
第1章概述啤酒发酵工艺概述
1.1啤酒工艺的背景
啤酒是人类最古老的酒精饮料，是水和茶之后世界上消耗量排名第三的饮料。
啤酒的酒精含量低，营养十分丰富的特点深受广大消费者的喜爱。
特别是在欧洲和北美的一些国家的居民，对啤酒的喜爱更超出了其他国。
然而进入20世纪，啤酒在中国的发展十分迅速，很快普及了人们日常生活的饭桌。
同时也成为居于美国之后的第二的销量国。
面对中国13亿人这么大的需求，因而啤酒的生产成为人们所要研究的课题。
对于啤酒引入中国，是在19世纪，俄国的输入，在哈尔滨建啤酒厂，当时我国对啤酒的生产工艺完全依赖于国外的技术。
而且相对以美国为首的其他国家，我国的生产设备和生产工艺技术都处于落后的的水平。
随着我国的改革开放，经济的快速发展，属于中国制造的啤酒逐渐出现在人们的视野中。
啤酒工业得到了突飞猛进的发展，到现在中国已成为世界第一啤酒生产大国。
目前，我国啤酒的生产厂家主要有：
华润雪花啤酒、燕京啤酒、金星啤酒、哈尔滨啤酒、珠江啤酒、中华啤酒等。
其中燕京啤酒是中国最大啤酒企业集团之一。
在北京和内蒙的呼和浩特、包头都有生产基地。
全国市场占有率达到12%以上，华北市场45%，北京市场在85%以上。
并且燕京啤酒被指定为“人民大会堂国宴特供酒”、中国国际航空公司等四家航空公司配餐用酒。
可见啤酒的发展对我国的国民经济有很大的促进作用。
据最新数据显示，我国2002年以后的几年里，我国的啤酒销量一直处于世界第一。
虽然我国啤酒产销量都位于世界领先水平，但是和国外相比，由于我国啤酒产业起步比较晚，自动化程度低，尤其是成套的过程控制设备和国外的差距较大，因此导致了产品生产效率比较低，生产质量也不高，啤酒能耗较大，这都是我国啤酒工业所面临的问题。
鉴于以上原因，提高我国啤酒设备的自动化水平和完善过程控制系统将会是一个非常重要的问题。
在啤酒生产的过程控制中，温度是一个非常重要的参数，因此对于啤酒发酵罐温度的控制是过程控制的一个重要研究方面，所以在啤酒的生产工艺上实现“自动化”和“过程控制系统”，对提高啤酒生产效率和质量保证有重大意义。
1.2啤酒发酵工艺概述
啤酒发酵是啤酒生产过程中的关键工序，也是一个极其复杂的生化放热反应过程。
啤酒的发酵过程是否能按照工艺严格控制，以及其控制的效果，将会直接决定啤酒的质量。
啤酒发酵过程是啤酒酵母在一定的条件下，利用麦汁中的可发酵性物质而进行的一个微生物代谢过程，简单的说是把糖化麦汁经酵母发酵分解成C2H5OH，CO2，H2O的过程，同时还会产生种类繁多的中间代谢物双乙酞、脂肪酸、高级醇、酮等，这些代谢产物的含量虽然极少，但它们对啤酒的质量和口味的影响很大，这就是我们所要最终产品--啤酒。
啤酒发酵一般可分为传统发酵和现代发酵。
传统发酵工艺采用两段发酵，前发酵采用开放式的池，发酵时间为7-8天，温度为8摄氏度左右，前酵结束后，将上层酒输入密闭的储槽内，保持低温，贮藏60-90天左右，称为后酵。
这种生产方式设备周转慢，要使用庞大的冷库，效率低下，耗能也很大。
而现代发酵的整个发酵过程在一个大的锥形发酵罐内完成，前后酵集中在一个罐内进行，罐壁设有冷却套，以便控制发酵过程中各阶段的温度，既取消了庞大的冷库建筑，又降低了能耗，又便于控制不同阶段罐内发酵液所需的温度，所以酒龄缩短，设备利用率提高，而酒质与传统发酵相似。
目前，由于传统的发酵以满足不了生产的需要，所以啤酒发酵通常采用现代发酵，即前酵和后酵两个阶段以及储酒等阶段均在同一大罐中进行。
前酵过程中，酵母通过有氧呼吸大量繁殖，大部分发酵糖类分解。
后酵是前酵的延续，进一步使残留的糖分解成二氧化碳溶于酒内达到饱和，再降温到-1~0摄氏度，使其低温陈酿促进酒的成熟和澄清。
啤酒发酵过程是一个生化放热过程，发酵产生热量直接影响着啤酒的风味、品质和产量，因此,控制好啤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。
1.2.1温度对发酵的影响
由于啤酒发酵过程放热，热量就会使发酵罐内的温度上升，因而影响啤酒的发酵。
温度对啤酒发酵过程的影响是多方面的，温度的高低主要影响的是酵母的活性，进而影响生产效率和啤酒质量。
温度过低将影响反应速率，温度太高将会产生不需要的代谢产物。
除此之外，温度还影响发酵液的理化性质；影响微生物细胞生长，随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。
这是由于生长代谢以及繁殖都是酶参加的。
但随着温度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的；影响产物的生成量；还影响微生物的代谢调控机制；总之，发酵罐内的温度是啤酒厂家最为关注的问题，温度提供的是生化反应环境，是过程控制参数；调节的是反应速度。
这就是温度在啤酒发酵工艺流程中的作用。
1.2.2发酵对温度控制的要求
选择最适温度的控制是一种相对概念，是指在该温度下最适于发酵产物的生成。
选择最适温度控制应该考虑微生物生长的最适温度和产物合成的最适温度。
最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。
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。
图2.1发酵罐温度变化曲线图
由图可见啤酒的发酵过程是时变的，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，因此,控制好啤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。
如不加以控制，罐内的温度会随着发酵生成热的产生而逐渐上升，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或液氨来吸收发酵过程中不断放出的热量，从而维持适宜的发酵温度。
第2章总体方案设计
2.1控制系统的选择
根据发酵罐的结构以及工艺发酵温度控制要求，采用串级控制系统，充分发挥它的优点，高效、快速、准确的控制发酵罐温度。
发酵罐中温度串级控制系统图如下所示。
图3.1锥形发酵罐中温度串级控制系统图
2.2控制系统的方框图
根据啤酒发酵过程中的工艺要求，采用串级控制系统，加上液氨流量、温度、压力对控制系统的干扰。
主、副回路采用反作用方式，可构成如图3.2所示的串级温度控制系统方框图。
图3.2发酵罐中温度控制系统方框图
串级控制系统能改善控制品质，主要是由于有一个能快速动作的内回路存在。
由图2.1可以看出，当冷却氨自发性扰动时，内回路就立即动作，用副调节器的输出去控制液氨量，使其维持在一定范围内，从而使冷却套的温度基本不变。
当罐内麦汁温度偏离给定值时，则由主调节器发出校正信号，通过副调节器及执行器改变减温水量，使主汽温最终恢复到给定值。
主调节器的输出信号相当于副调节器的给定值。
2.3控制参数的选择
设计被控系统时，选取的参数必须严格按照工艺控制要求。
因此主参数为发酵罐中麦汁的温度,发酵罐的温度为12摄氏度。
而副参数的选取是串级控制系统的关键所在，同时决定着串级控制的特点能否充分发挥控制效果。
根据副回路的先调、快调、粗调的特点，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，执行器采用气动阀。
2.4调节规律的选择
在发酵罐中温度串级控制系统中，主、副调节器的选择是根据工艺控制要求进行选择的。
（1）主调节器调节规律的选择
在发酵罐中温度串级控制系统中，主参数温度是生产工艺的主要指标，直接关系着产品质量，及生产效率，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PI调节规律。
（2）副调节器调节规律的选择
由于副回路的被控参数是冷却套的温度，因而在副调节器调节的规律上同主回路的调节规律一样，采用PID调节规律，这样就符合了串级控制系统中主、副回路的调节特点。
副回路：
先调、快调、粗调；主回路：
后调、慢调、细调。
PID控制算法具有原理简单、使用方便、适应性广和鲁棒性强的特点，是连续控制系统理论中技术成熟、应用广泛的一种控制方法。
只要正确设定参数，PID控制器就能实现系统的控制要求。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值;r（t）与实际输出值c（t）构成控制偏差e（t）=r（t）-c（t），将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制。
PID控制器的算术方程如（公式2.1），传递函数形式如（公式2.2）
——（公式2.1）
——（公式2.2）
PID控制器各校正环节的作用如下:
①比例环节：
比例控制的优点是反应灵敏，控制及时。
偏差越大，控制力度越大。
但比例控制存在一个不足之处就是控制结果存在余差，增大比例系数Kp可减少余差，但是随着Kp的增大，控制系统的稳定性会下降，过大Kp甚至会使系统不稳定，产生振荡。
但Kp如果取的过小，虽然可减少控制系统的超调量，但会降低控制系统的准确性，即余差会增大，所以比例系数Kp是有一定限度的。
②积分环节：
积分环节的作用是随着时间积累才会逐渐加强，其控制缓慢，不及时。
因此积分环节一般不单独使用，而是与比例环节组合使用。
构成PI（比例积分）控制器，这样控制即迅速又能消除余差。
增大Ki，会加强积分环节的作用，对减小系统余差有帮助，但如果Ki过大会使系统超调量大幅增加，甚至引起振荡不稳定，Ki如果过小，虽然对系统的稳定性有利，但对消除系统余差是不利的。
③微分环节：
微分控制的特点是反映出偏差变化的趋势，起到超前控制的作用。
微分控制可以为控制系统提供一个早期修正的信号，减少超调量，从而减少调节时间。
但Kd不宜过大，否则，可能造成提前制动，增大调节时间。
2.5调节器作用方式选择
为保证串级控制系统的正常运行，和意外事故发生后的处理方面考虑，串级系统中主、副调节器的正、反作用必须正确选择。
（1）副调节器作用方式
根据工艺要求，从安全角度出发，当发生事故时，阀门处于全开，所以调节阀选择气关式，其Kv为“-”，变送器Km为“+”当调节阀开度增加时，冷却套温度下降，则副对象的Ko2为“+”根据组成该系统的各个环节的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。
（2）主调节器作用方式
主调节器的正反作用只取决于主对象“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F增大时，罐体对应区域T下降，因此主对象Ko1为“-”,则主调节器Ko1应为“-”。
故主调节器选择正作用方式。
第3章simulink建模
3.1MATLAB简介
MATLAB语言，是由美国NewMexico大学的CleveMoler于1980年开始开发的，是一个包含数值计算、高级图形与可视化、高级编程语言的集成化科学计算环境。
开发该语言的最初目的是为线性代数等课程提供一种方便可行的实验手段，该软件出现以后一直在美国NewMexico等大学作为教学辅助软件使用，同时作为面向公众的免费软件广为流传。
1984年由CleveMoler等人创立的Mathworks公司推出了MATLAB的第一个商业版本。
现已成为国际科技界公认的最优秀的应用软件，在世界范围内广泛为流行和使用。
Matlab自1984年推出以来，由于其全部源代码对外公开，使得每个行业的专业人士都可以编写出适合自己领域的应用程序，这样一来，Matlab不断地得到丰富和发展，使得其现在成为工程领域非常著名的计算、建模和仿真软件。
截止到2005年，该公司先后推出了Matlab6.x以及Matlab7.x等版本，该软件的应用范围越来越广。
3.2控制系统Simulink建模
Simulink是MATLAB环境中的一个模块，Simulink是Matlab环境下的模拟仿真工具。
Simulink是用来建模、仿真和分析各种动态系统的交互环境，它提供了采用鼠标拖放方法建立系统框图模型的图形交互平台，其使用过程非常简单，只需要找到相应的库，选择相应的仿真器件，然后修改其参数，最后将器件连接起来，便能够搭建出非常复杂的控制模型，进行仿真分析。
在这个过程中，几乎可以做到不需要编写任何程序。
正是基于以上优点，Simulink已被广泛应用于控制、DSP、通讯等领域。
3.2.1发酵罐温度数学模型的建立
发酵罐本身是一个较复杂的被控对象，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:
——（公式3.2）
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
-12
，可确定Ks=4、T=190、
。
所以啤酒发酵罐的传递函数，如公式（3.3）。
——（公式3.3）
3.2.2执行器及温度检测变送器建模
温度的检测传输由热电阻Pt100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:
士0.50C。
发酵罐温度是冷却套间接冷却控制的，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
-12
的温度信号成正比关系，因而在这里的主回路、副回路都为为比例环节，比例系数Km1=1、Km2=5，调节阀也为比例环节比例系数Kv=0.3。
主回路温度变送器传递函数：
——（公式3.4）
副回路温度变送器传递函数：
——（公式3.5）
系统调节阀传递函数：
——（公式3.6）
3.2.3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，允许有余差，因此副控制器要用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：
（1）在工况稳定，系统为纯比例作用的情况下，根据K02/δ2＝0.5这一关系式，通过副过程放大系数K02，求取副调节器的比例放大系数δ2或按经验选取，并将其设置在副调节器上。
（2）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。
（3）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的匹配原理，适当调整调节器的参数，使主参数品质最佳。
（4）如果出现较大的振荡现象，只要加大主调节器的比例度δ或增大积分时间常数TI，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。
3.3系统Simulink建模方框图
启动Simulink，查找相应模块库，选择相应的仿真模块，最后将模块连接起来。
系统Simulink建模方框图如3.1所示。
图3.1系统建模方框图
第4章simulink仿真与优化设计
4.1系统Simulink仿真结果
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。
系统仿真结果如图4.1。
图4.1系统初始参数仿真图
图4.1可以看出，主、副回路调节器在初始参数设定下，所得到的仿真结果并不理想，过渡调节时间太长，超调量太大，衰减比太大，稳态误差太大，因而需要从新调节主、副回路的PID参数，经过多次手动调整参数从新整定后，主、副回路PID参数分别为：
Kp=10、Ki=1.2、Kd=0；副回路PID：
Kp=20、Ki=1、Kd=0.6，系统达到比较理想的效果，如图（4.2）便是便是经参数从新整定后比较好的仿真结果图。
图4.2系统参数整定后仿真图
由图4.2可以分析仿真结果:
在系统给定信号下，系统串级PID控制均表现出较好的动态响应特性，调节时间缩短，使系统更早进入稳定状态，超调量变小，且稳态精度提高，系统振荡幅度明显得到改善，增强了系统的稳定性，此时的系统是最佳状态。
4.2系统优化稳定性分析
串级控制系统与传统单回路控制系统相比，串级控制系统在结构上多了一个温度传感器和PID调节器器，因此在实际应用具有很多优点。
为了比较串级控制和单回路控制的控制性能，用MATLLAB中的Simulink分别建立了串级控制系统和单回路控制系统仿真模型，同时控制对象进行仿真研究。
如图。
图4.3串级控制系统和单回路建模方框图
为了比较发酵罐温度控制系统串级控制和单回路控制的控制效果，将两种控制方法均进行参数整定，其中串级控制的参数采用上述整定好的参数，主、副回路PID参数分别为：
Kp=10、Ki=1.2、Kd=0；副回路PID：
Kp=20、Ki=1、Kd=0.6。
由于单回路采用的是PI调节规律，通过整定最终得到控制参数为：
Kp=3.5、Ki=0.25、Kd=0。
对上述俩个系统进行仿真，其仿真响应曲线如图。
图4.4串级和单回路控制系统仿真图
由图4.4可明显看出串级控制系统比传统的单回路控制系统有很多的优点。
串级系统响应曲线明显比单回路系统更早，控制更急时些，缩短了上升时间，减小了对象时间常数，系统快速性增强，系统更早的进入稳定状态。
除此以外串级控制系统还有许多优点，串级控制系统的抗干扰性能很强，在改善了系统过程的动态特性的同时提高了系统控制质量。
因此，对于本系统来说采用串级控制系统来控制发酵罐温度是比较好的选择，对发酵罐的温度存在滞后、干扰的现象，有很大的改观，对系统温度的控制相对来说，是比较稳定的。
第5章总结
啤洒的发酵过程啤酒生产中的关键环节，决定着啤酒的质量和生产效率，因而对发酵过程中温度控制的设计对啤酒的生产有很大的意义，必须严格按照工艺要求加以控制。
这也是我这次MATLAB课程设计的意义。
对于这次MATLAB课程设计，我们结合过程控制课程设计的同时并且查阅的资料，寻找一些系统控制参数，将所设计的系统通过软件进行一次仿真，通过这次仿真可以验证我所设计的“发酵罐温度控制系统”是否满足工艺要求，也让我们彻底了解了啤酒生产工艺过程的复杂，也更加深刻的掌握了MATLBA这个强大的仿真软件。
同时有利于我们进一步对过程控制课程的掌握。
回顾起此课程设计，至今我仍感受颇多，从设计到仿真，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的过控知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
在温度控制系统整个过程使用Simulink进行建模，到系统参数的整定，再到出仿真结果图，我遇到很多困难，但最终通过自己的努力和同学的帮助得到了解决。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，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，从理论中总结出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，才能真正承担起企业的责任。
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