啤酒发酵控制系统的开发

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1、啤酒发酵自动控制系统的开发摘要：本文主要介绍了整个啤酒发酵监控系统的开发过程，并在传统的PID控制算法基础上提出了更为灵活进行了改进，使整个监控系统更加实用。关键词：发酵；监控系统；模糊智能控制；可编程控制器1引言啤洒的发酵是一个复杂的生物化学反应过程。针对啤酒发酵过程受许多干扰因素的影响，具有大惯性、大滞后和严重的非线性特性，以及过程对自动监控系统的要求，引入以被调变量的偏差和偏差的变化趋势为依据的模糊智能控制算法，设计了啤酒发酵过程监控系统，并讨论了系统工程的软硬件实现的问题。系统的实际运行效果表明，该系统算法适应性和

2、灵活性强，控制精度较高，运行效果理想，发酵过程动态特性好，啤洒生产波动小，啤酒质量稳定。啤酒口味和实际要求的不同，啤酒的发酵工艺曲线也就不同，但是对于确定好的啤酒发酵工艺，就应严格按照工艺曲线去控制温度和压力等，这样才能保证啤酒的质量。发酵曲线如图一所示。图1其中：TO—麦汁进罐温度，不需设定;T1一第一恒温段温度，设定：0-18°C；T2—第二恒温段温度，设定:0-18*C；T3—第三恒温段温度，设定：0-18°C；T4—第四恒温段温度，设定：0-18°C；tO-进罐温度保持时间，设定：0・100小时;tl—第一升温段时

3、间，自然升温无需设定；t2—笫一恒温段时间，由糖度化验决定（笫一人工拐点）；t3—笫二升温段时间，自然升温无需设定；t4一第二恒温段时间，由化验决定（第二人工拐点）；（5—第一降温段时间，设定：0-240小时；t6—第三恒温段时间，设定：0・100小时；t7—第二降温段时间，设定：0-240小时；心一冷贮吋间不需设定，由人工指令决定；在啤酒发酵过程中，酵母的发酵性能受发酵温度的影响。由于发酵中有热量释放出來，因而使发酵中的麦汁温度上升，同时促使酶反应加速。酵母的发酵性能必须限定在一定范圉内，这就是实际发酵操作小的控制工作。

4、整个控制工作都是由发酵控制系统来完成的。2啤酒发酵系统控制算法设计控制算法是整个控制系统的灵魂。本文提出一种基于神经网络的模糊自适应PID控制方案，它一方面利用模糊逻辑的“概念”抽象能力和非线性处理能力，另一方面利用神经网络的自学习能力和任意函数的逼近能力，通过两者的有机结合寻找一个最佳的P,I,D非线性组合控制规律，以实现对未知对象进行在线控制，并具备适应控制环境变化的能力和自学习能力。此算法既能增强系统的鲁棒性和智能性，又能使设计变得简单，易于实现。基于神经网络的模糊PID控制系统结构主要包括四个部分：（1）传统P1D

5、控制结构由PID控制器和广义被控对象构成一个典型的闭环控制系统，只是此时的PID参数通过神经网络实现在线修改。（2）模糊量化模块对系统的状态变量进行归档模糊化和归一化处理。其优点有两个方面：其一，可以利用模糊控制的鲁棒性和非线性控制作用；其二，相当于对NN2神经网络的输入进行预处理，避免了当神经网络的激活函数用Sigmoid函数和双曲正切函数时，由于输入过大易导致输出趋于饱和，使得对输入不再敏感。（3）辨识网络NN1它主要用于建立被控系统的辨识模型，为NN2提供必要的信息。（4）神经网络NN2根据系统的状态，调节PID控制

6、器的参数以期达到某种性能指标的最优。具体实现方法是使神经元的输出状态对于PID控制器的被调参数Kp,Ki,Kd,便可通过网络自身权系数的调整，使得其稳定状态对应于某种最优控制率下的PID控制器参数。3啤酒发酵控制系统硬件设计整套控制系统负责24个发酵罐，2个清酒罐工作。由于要测量处理的数据多，从运行速度、通用性及性能扩展方面考虑，采用上、下位微机协调监控的控制系统。（1）上位机系统硬件设计上位机选用抗干扰能力强、运行速度快的台湾AXIOM公司生产的工业控制计算机，以满足恶劣的现场工作坏境需要。其中1#上位机设在车间主任室，

7、作为2#上位机的资料备份，并对发酵过程进行监视，完成各种生产报表的打印。2#上位机设在车间控制室，由操作员设置发酵工艺参数，对发酵过程进行监控。两台上位机之间釆用网卡进行连接，完成相互间的数据交流。两台上位机均采用Pentium.200MHzCPU,并配有32MRAM,完全满足上位机组态系统软件的要求。（2）下位机系统硬件设计下位机采用OMRONC系列可编程控制器。本系统屮共有26个露天锥形罐，其屮24个发酵罐，2个清酒罐，为了增加系统运行的可靠性，在下位机系统中共设计了四台下位机。1#下位机控制2个清酒罐，2〜4#下位机

8、每台控制8个发酵罐。此外对每个罐还单独设有手动与自动转换开关，使每个罐均可脱离自动控制系统进行手动控制，这样可以大大减小系统可能的故障范围，增加系统运行的可靠性。（3）其他控制设备系统中每个发酵罐上设有上、中、下三个冷却带，分别由三个电磁阀控制冷却时间，并且设有三个温度传感器检测三点温度；每个清酒罐上设