（检测技术与自动化装置专业论文）啤酒发酵生产过程自动化及优化算法的应用研究.pdf

溉江大学硕 学位论文 摘要 碑灞工监怒我国食豁工韭中一个耋要的产业部门，随着圈疑经济的发 展和人民生活的改善，我国啤灏工业也得到空前发展。尽管如此，我豳的 薄滔生产工监醋蒋还存在许多不尽如入意静遗方。盘予啤酒生产静工艺复 杂，目前我国大多数啤酒生产企业技术装备落厝，自动化程度低，产品质 量不稳定。茹簿提高碡滔生产瓣综合螽霸仡东平，增强我莓晦灞产、监的综 合实力憋一个很好的研究课题。发酵过程是啤酒生产过程中的踅要环节之 一。本文以哮滔发酵过程势工耧骜景，对珲灞发酵过程熬鑫动纯及优纯算 法在啤酒发酵中的应用技术进行研究，这对利用高新技术提升传统产业的 练舍按拳水平爨蠢褒实懑义。 本文的创新点和主要工作程于： 蹿溪发酵是个魂态过程，必矮投霆彝王艺要求( 发酵过程轰寝瀑 度曲线) 进行控制，以达到产晶的质量爱求：以前国内有关啤酒发酵的控 翅类文献磅究熬是妇稼暹过先遴控割方法曩专羧裁精度，捷褥发酵过鬟严 格按照工艺温度曲线进行，减小误差。而本支首次利用优化算法寻找最优 王艺温度趣线。在啤溪发酵过程动力学鹱型兹豢磴上对过程送行侥化。在 阉定的发酵时间内，利用蚁群算法得到的一系列优化温度曲线中找出一条 爨饯黪工艺瀑发曲线，使得发黪过程最最酒精爨达到足够大懿馕，同时爨 证副产晶浓度最低，而殿啤酒没有因为发酵温度过高而变质。 巡蔻很多啤酒厂仍然沿用萋多年葭的自擦装置，蕊这些蠡控装置随 着生产的扩大和自控要求的不断提高，已经无法满足生产的需癸。开发一 套全新的控制系统，硬 睾加软传魄成本较高。所以很多厂家提如对老系统 的扩展改造要求。熟悉老系统的硬件和软件的投术人员已经不多。本谋题 结合杭州西湖啤酒厂发酵车间改造项耳，研究了老系统( s i e m e n ss 5 系 别p l c 行发) 和新系统( s i e m e n ss 7 系列p l c 开发) 之间的结合问题。 攮簧 在对老系统影响尽量少的要求下，采用逶当的邋讯方式，并对s 5 源程序进 行穆改，圆满完成了系统结含工 蕈。霹对研究了多功能西教。s 7 - - 2 0 0 系列p l c 程序开发中的问题，以及工控软件中液格的比较和实现等问题。 这些缝簸是在羧澍系统实际歼袋孛积累筵寒黥，对糖瘦弱工程技术入爨有 一定的参考价值。 逝遁大举犊 擘能沧空 a b s t r a c t b e e r p r o d u c t i o n ；a s o n eo ft h em o s t i m p o r t a n ti r a d i t i o n a li n d u s t r y , h a sb e e n d e v e l o p i n gq u i c k l yi no u rc o u n t d , s i n c e1 9 7 0 sw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i v i le c o n o m ya n d t h ei m p r o v e m e n to fs t a n d a r do fl i v i n g h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h eb e e r p r o d u c t i o n ，d o m e s t i cb r e w e r i e sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e sw h e nc o m p a r e dw i t hb r e w e r i e s i na d v a n c e dc o u n t r i e s ，s u c ha so u t d a t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o le q u i p m e n t s ，l o wl e v e lo f a u t o m a t i o n ，i n s t a b l ep r o d u c tq u a l i t y , e t c h o wl oi m p r o v et h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o nl e v e li n b e e rp r o d u c t i o nb e c o m e sa l l u r g e n tr e s e a r c hp r o j e c t b e e rf e r m e n t a t i o ni s o n eo ft h ek e y s t e p so fb e e rp r o d u c t i o n 。t h u s ，t h eb a s i so fs o m ep r o j e c t si nb r e w e r i e s ，t h i st h e s i s i n v e s t i g a t e db e e r f e r m e n t a t i o na u t o m a t i o na n d o p t i m z a t i o na l g o r i t h ma p p l i e d i n t h i s p r o c e s si ti sa na t t e m p t t oa p p l y h i g ht e c h n o l o g yt ot r a d i t i o n a li n d u s t r y a n dh a si m p o r t a n t l y p r a c t i c a lm e a n i n g f o l l o w i n ga r et h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i s 、 a b e e rf e r m e n t a t i o ni sa d y n a m i cp r o c e s s t h a tm u s tb e g u i d e da l o n g a t e m p e r a t u r ep r o f i l e t oo b t a i nt h ed e s i r e dr e s u l t s p r e v i o u sd o m e s t i cr e f e r e n c e s ，w h i c ha mi nc o n t r o lf i e l d o nt h i ss u b j e c tf o c u se nt h ea p p l i c a t i o no f a d v a n c e dc o n t r o lt of e m j e n t a t i o np r o c e s si n o r d e rt oe n s u r et h ep r o c e s sf o l l o w i n gt h et e m p e r a t u r ep r o f i l ew i t hs m a l l e rd e v i a t i o n t h i sp a p e bo nt h eo t h e rh a n d 。f o c u s e so nt h es e a r c ho ft h eo p t i m a lt e m p e r a t u r e p r o f l e 。 a n t c o l o n ys y s t e ma l g o r i t h mw a sa p p l i e dt oo p t i m i z et h ek i n e t i cm o d e lo f t h i sp r o c e s s d u r i n g af i x e dp e r i o do ff e m m n t a t i o nt i m e ，as e r i e so fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e p r o f i l e so f t h em i x t u r ew e r ec o n s t r u c t e d ，a no p t i m a lo n ew a s c h o s e n 采l a s t o p t i m a lt e m p e r a t u r e p r o f i l e m a x i m i z e dt h ef i n a le t h a n o l p r o d u c t i o n a n dm i n i m i z e dt h e b y p r o d u c t s c o n c e n t r a t i o na n ds p o i l a g er i s k s a t i s f a c t o r yr e s u l t sw e o b t a i n e d 。r e q u i r i n gn o tm u c h c o m p u t a t i o ne f f o r t 。 b 。n o w a d a y sm a n yb r e w e r i e si nc h i n a s t i l lu s eo u t d a t e dc o n t r o ls y s t e m s 。w h i c he n o t s a t i s 矗t h ep r o d u c tn e e d d e v e l o p i n gac o m p l e t e l yn e ws y s t e mc o s t sal a r g ea m o u n to f m o n e y s o + m a n yf a c t o r i e sd e c i d et oe x t e n dt h ec a p a c i t yb yr e c o n s t r u c t i n gt h ee x i s t i n g s y s t e m t h e s ee x t e n s i o np e c sr e q u i r i n gp e r s o n sw h o a r ef a m i l i a rw i t ho l ds y s t e m s i a b s t r a e 羊 a n do l dd e v e l o p i n gt o o l s ，w h i c ha l e , n o tu s e df o rs e v e r a ly e a r s b a s e do nt h ep r o j e c to f 凳r m e n t m i o ns y s t e mi nx i h ub r e w e r y , t h i sp a p e rd e a l tw i t ht h e i n t e g r a t i o no ft h e e x i s t i n gs y s t e mf d e v e l o p e db ys i e m e n s s 5p l c ) a n dt h en e ws y s t e m ( d e v e l o p e db y s i e m e n ss 7p l c ) ，u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h eo l ds y s t e ms h o u l db ei no r d e r d u r i n g t h ep r o j e c t ，l i u l ec h a n g e sw a sm a d et ot h eo r i g i n a lp r o g r a m e si nt h es 5p l c ，p r o p e r c o m m u n i c a t i o nm e t h o dw a sa d o p t e da n df i n a l l yt h i sp r o j e c tw a sf u l f i l l e ds u c c e s s f u l l y ； t h i sp a p e ra l s oi n v e s t i g a t e dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to f m u l t i p l ep a n e l sa n ds 7 - 2 0 0 p l c ，a n dc o m p a r i s i o na n dr e a l i z a t i o no ft a b l e si ni n d u s t r i a lc o n t r o ls o f t w a r e t h e s e e x p e r i e n c e s a c c u m u l a t e d d u r i n g r e s e a r c h p r o j e c t s w i l lh a v e p r a c t i c a l v a l u ef o r c o n c e r n e de n g i n e e r s 嘏漫天学蠼学位论文 第一章概述 l 。l 啤酒发酵生产源理及工艺流程 啤酒是采爆麦芽和水为主要原料，办鞋酒= l 毫，经酵母发酵酿制两成舱一 种含有二氧化碳、气泡的低酒精度饮料。啤酒生产工艺主要由麦汁制备( 俗 称糖化) 、啤酒发酵、啤酒罐装簿工艺流程组成。发酵过程是啤滠生产申一 个非常羹要的环节，这个过程可= ；三i 理解为把麦汁转化为啤酒的过程，整个 发酵过穰同样也包含若干个生产工序，如：麦汁充氧、酵母添加、发酵、 过滤、修饰以及酵母扩培等等。 ( 1 ) 麦汁充氧期酵母渗趣 麦汁在泵入发酵罐进行发酵之前，炭汁中需要加入适量的酵母，整个 发酵过稷可以麓肇理解为酵母搬麦汁中的糖类分解成c 2 h 5 0 h 、h 2 0 及其 它产物的过程。 酵母进入爱汁以后，首先箨要进行繁殖，聪酵母繁疆需要辍气，先了 酵母的繁殖，必须使酵母活化并进入发酵阶段，因此必须给酵母提供足够 魄氧气。在啤酒酿造过稷中，麦汁充氧慰唯一一次给酵母提供氧气的机会。 酵母会在几小时内消耗究提供的氧气，对麦汁质量无损密。 麦汁充氧和酵母添加可在同设备中进行，使酵母鄹氧气均匀地加入 和溶入麦汁之中。 ( 2 ) 发酵 啤酒发酵照一个复杂的微生物代谢过程，这是啤淄生产过程中耗时最 长的一个环节。简单的说啤酒发酵就是把糖化麦汁中的糖炎分解成为 c 2 h 5 0 h 、c o z 、h 2 0 豹过程，释放出大艇的热鼙，同时在发酵过程中逐会 第一章概述 产生秽粪繁多戆中闽代谢产憋( 发酵剽产物 ，显然这些戴谚 产黪缒含量投 少，但它们同酒花成份一起对啤酒的质量和口味起着决定性的影响。发酵 副产物既可以使垮湮口眯丰满，也能对啤酒口噱、持泡性等产生不剥的影 响。 整个发酵遂瓣可醚努为主酵耱嚣簿麓个陵段： ( a ) 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 蜃逐灏开戆圭发簿，麦汁糖凄下辫，产生c 0 2 ，反应热熬释放傻整令罐肉 的温度逐渐上升。经过2 3 天后进入发酵最为旺盛的高泡期，褥过2 3 天，降蕤速度变嫒，糖度缓囊，簿霉开戆滚淀，遴行羹戆发酵。既霹，蓊 酵基本结束，进行降温转入后酵阶段。普通啤酒在f ；仃酵时的工艺要求控制 在1 2 左右，扶赫酵进入蓐酵鲍蹲湿过稷，萁辫瀑速度一般控铡在0 ，3 + c h 。 ( b ) 爱酵瀑罐内瀑度款蕃誊簿懿1 2 蹲到5 + c 左考时，惹酵狳段嚣鲶 了，这一阶段最主要的目的是进行双乙酰还原。此外，后酵阶段还完成了 残糖发酵，充分淡淀蛋垒蒺、降低氡含量，疆毫嚷源鳃稳定性。一墨双乙 酰指标合格，发酵罐进入第二个降温过程，约以0 1 5 h 的速率把罐内发 酵温度从5 降到o 一l 左右遴幸亍贮滔，以提毫峰滔的嫒噫帮糜燕。经道 一段时间的贮酒，整个发酵环节基本结束。 逶鬻，发酵滚澄囊要求控毒l 在绘定溢凄酶0 3 c 范罄之蠢，良麓达戮 理想的发酵状况。另外，在不同的发酵阶段，对发酵罐内温度场也有相应 瓣要求：在 ； f 酵泠段蓑望发酵罐内麸罐瑗爨罐底鸯一正戆滠度梯痰( 上羧 温度低于下段温度) ，以利于发酵波对流和酵母在罐内的均匀混合；在后酵 除段，粼鬻求发酵滚出上剿下必须窍一定豹受澄凄攥度，便子酵曝瓣沉淀 和排出。 在发酵过程中，各释物凄鹩转纯速度受一系弼因素静影铜，翻如：麦 汁特性、酵母特性、酵母数量、运动情况、发酵臌力和发酵温度，其中发 酵嚣力帮发酵温度是可戬逶过羚都控蠲豁鬻个较葵关键的因素。疆力不断 上升会使溶解在啤酒中的c 0 二不断增加，同时使发酵、酵母增殖和发酵副 囊淀 = 学鹾 ：掌楚谚文 产物的形成迓濒停止。发酵温度的上升会使发酵速度明鼹加快，一般认为， 惩温菠簿可泼降低双己魏、赠类等代谢产镪韵含量，可以提高啤酒的色泽 和口味；高温发酵则可以加快发酵速度，提高生产效零和经济效益。楗比 之下，发酵垂力筋控制并不存在太多按术难菠。因此，如何攀褥好啤酒发 酵过程中的发酵温度，控制好濑度的升降速率怒决定啤酒生产质量的核心 癌客之一。簧以在整个睥滔发酵瘸蘩需要蹿发簿溢瘦 乍严格麓控瀚，箕典 型控制曲线如围1 1 所示，不同品种、不同工艺所要求的温度控制曲线会 有辑甭鼹。 o a 段：自然升潲段不额外部控制 曲茇：主酵除段。典型控铡滚发为 1 29 c 。 b c 段：降瀑逐蹦遴入后酵+ 典型晦瀑 遴寝为0 ，3 。c r r 。 c d 段：席酵阶段典型控制点5 。 d e 段：降温送入贮滔隆段，典型簿瀑 速度为o 1 5 f i r 。 霆1 噻淫发醚温度鼗型控裁 在发酵麓阀，一般怒往黪鬻予罐壁上戆冷粒夹套海通a 熬冷潘鞲承或 液氨来暇收生纯反应熟，以维持适宜的发酵温鹰，致冷妪通过调节冷媒流 量来控测。 ( 3 ) 啤酒过滤和杀菌 主簿、焉酵络束强藤，簿溅将逶过过滤掇强毫遗瓣对象裁谶行生耪珏 及胶体稳定处越然后灌浆。 肆灞过滤是一稀分鬻过程，箕主要玛豹是撼璋酒中仍然存在的酵母细 胞和其它混浊物从嗥滔中分离如去，否则这些物质会在以后的时间里从嗥 灞中辑如，导致簿滔混浊，磊裁多采焉硅藻主过滤方式。 鳃巢唣湮中缆含有微生物( 焱蓥) ，烈微生物可鼓在媾溪中遇速繁媾， 导致啤酒混浊，其排泄的代谢产物甚至使啤酒不能饮用。杀菌就是啤酒在 第一章搬述 灌装之附对其谶行生物稳定性处理的最后一个环节。 ( 4 ) 醉母扩培 发酵赝必须的酵母透过纯辩壤莠获惫，整个培莽过爨逶掌分为三个除 段：获得合适的酵母细胞、实验室扩培和车侧扩培。 1 2 围内啤酒生产发酵过程自动控制现状 霹淹蹿溪鬟三产塞动控裁只畜近十年戆历变。霹翦，漤内哮滔生产( 糖 化、发酵工段) 的控制水平基本上可以分为四个档次。 ( 1 ) 宪全手动操终方式 其主要特点是阀门为手动。对温度、压力、液位、流量、浊度、电导 率等玺产过程中鲍模投爨售号暴t 霹零援分数仪袭遴季亍装集，然蜃集中或褒 场显示，操作人员在现场或集中操作盘( 柜) 上控制主要设备的启停，阀 门出工人到褒场操作。这| 孛方式下嗥瀵，圭产工艺参数褥不到可霪执行，一 致性较麓，啤酒质量受人为因素影响较大，而且工人的操作劳动强度很大， 主要尘产设备与装嚣不熊工作在较佳状惫，愿奉孝鞋到雳率低，产黯黢耗大， 不可能采用较复杂的先进工艺生产啤酒，生产成本较高。因国情需要( 第 一次建设资会投入较少) ，许多中、小型啤酒厂家还在采用，但汪逐步被智 能仪表嗣自控系统所代替。 ( 2 ) 半自动控制方式( 集中手动控制方式) 以马赛壳模拟屏为代表。其主要特点为阀门多采用气动绒电动自动 阀门。采取诸如数据采集器等手段采集嚣种过程量进入控制室，一般设商 马赛克模拟屏或上位枫。在模拟屏或上证机上显示各种滠凄、流量、压力、 液位等过程参数和电机、阀门的开启状态，对生产过程进行监控，操作人 员鞭据驻示的参数和工艺参数对眈，在模撅屏藏操作台上遥控澜门开詹和 电机启僚从而满足工艺蒙求，生产中的关键数掘由人工汜录。但由于需要 操俸工入懿频繁介入，箕啤酒瑷量和盈绦也有较大的渡渤，工入劳动强度 也比较大，目 j 国内中小型啤酒厂较多采用。 ( 3 ) p c 税数据采集糖卡方式 以工业p c 机加各葶申数据采集卡为代表，过程控制中豹各静信号在外 灏通过相应的变送器送入插在工业p c 机插槽中的数掘采集卡，在p c 机圃 鼷上显示器种生产过程参数，同时控制阀f 1 与泵、电机嚣设备的窟、停来 满足工艺生产要求，目前阐内不少啤酒厂发酵车间采用这种系统进行控制。 一定程度。h 解决了啤酒生产过程控制问题，但存在以下缺点：a 系统可靠 骰差。b 。碗面呆板，缺乏一般工控组态软件灵潘的程序脚本控制功能，阔 时系统本身安全性差，难以建立有效的操作等级芹口权限制度。c 系统的可 扩充往差。d 出子辨围嚣件豹漂移较大，系统控翻精度受一年图攀影响大， 控制效果不理想。 ( 4 ) 分摩式控鞠系统 采用先进的计算机控制技术与多层网络结构加先进的控制算法对，主 产工痔避行鸯蘸羧潮，主瑟特点怒采蒡jp l c 乍为下位橇。韬翦蠢d c s ( 分 稍式控制系统) 控制系统与f c s ( 现场总线控制系统) 控制系统两种。在这 耱控裁方式中，下位辊嬲终中控麓萃元一般采焉p l c ，萁可靠注菲露高( 一 般可连续可靠工作2 0 年) ，性能稳定，上使机网络可兼容多种通讯协议( 如 t c p i p 协议) ，秽辕准数攥瘁，熬在局域醴太子掰土，溪子售惠蘩残管理， 和功能拓展。按照工艺参数和流稷要求对备个工艺过程中的泵、搅拌电机、 彀凌或气渤霹门等开关羹粒温度、压力、滚经、浚量等摸熬量逡幸亍检测控 制，能记录完整的生产工艺数据，在电子模拟屏绒计算机屏幕上屉示工麓 溅程中番澜f 、惫事噩款逶纷状况。曩时黯善转趣、欠压、溢度趣羧、阀 l 故障、液位超限进行报警。并且设有“自动”和“手动”两种状态，当现 场出现故障或要对工艺进行人工予颈时，霹将开关转换到“手动”状态， 对各种执行机构避行手动操作，这样技术人员可以设定新的参数，操作人 员霹以在现场处璎紧急淘题，从藤达到理想魄效聚。这零孛控制方式是国内 啤酒生产控制发展的主流方向，主要缺点蹙一次投入资金较大。目前国外 包括我国引进、台资的许多大型啤酒生产厂都在使用。 l 。3 啤灏发酵过程建模与应用现状 第一枣辆述 竞送麓煎楚技术、竣薄硷溅投术、蠡动戆蒜l 技末熬应j ；强及簿滔发酸 过程的优化都需爱在线预测或离线仿真一些萤鼹的变量。这就需要对啤酒 发酵过楗进行建模。 有麟粪模型： 1 ) 。一类是鏊予凳狻擎茭撼懿凌力警模黧。 研究的学者很多( 早期有美阑的d a g e e ，w f r a m i r e z ，法国的l o a n c r i s t i a nt r e l e a 等等) 。因为发酵过程本爨比较嶷祭，也出予实黢条件的鞭 裁。各个模型罄存程簧不是，孝载瑷援燕壶试验室鑫每鼗攥褥爨静，翅d ，a 。 g e e 的模型 2 6 肖些模型只是瓣发酵过程中部分物质的变化建模，没 有考虑澎晌啤酒旗麓豹一些重要鞠素，如a g a r c i a 等的模型 1 9 ；还脊 楚模型太囊杂， 畏鼹这剿踺发群过程控铡帮优化戆基的，魏d e 。s t e i n m e y 警提密濑结构禳黧【2 7 j 。 而工业应用鞭求有模型可以优化生产过程，检测发酵过程控制中的德 簇帮敞潞，还希謦可疆基于骥黧开发较俘镣感器。予是灏氍牙的b ，d e a n d r e s 。t o r o 瘸矮i 厂中壤嚣懿蠹汁耪酵霉在实验室中_ l 莲嚣麓港熬发赘实 验，文嶷验数蠢褥捌秘渤力学模徽 强j 褥在试虢工厂中，在帮窝际工、监生 产相似的条件下( 如使阁一条工业用的温度曲线) ，进行验证。结果表明， 嫫翌颟溅翡善静窃艨蓬蕊交亿帮谈骏采黛鲢数爨娆禳磐吻合。j 魄模型霹强 校好的模拟工业睥淄发酵生产过程。 以上模型孝| l 没鸯考惑发酵过凝中产生豹e 0 2 。焉经过实验室稻试验工 厂里对发酵过程的研究证实c 晚的产生速度可以很好的指示酵母生长逮 壤、骧的瀵耗速度鄂洒髓产生逮震，露量c 0 2 产量蕊在线测曩霓筵耱溺裁 黧或酵蹲最的在线测量簧准确简单的多。所以一贱学者提出基于c 0 2 量的 发酵攒爨。妊l 。s d a o u d 2 9 】掇i 熬了一令静惑横蹙。法瓣人i o a nc r i s t i a n t r e l e a 餐瀑出斡裁惑模型因露考瘩了c o ：体积，滠痊，压力，视媲酵霹派 凌对发黪避程蕊影蹶。模型笼较复杂。 另外还有一些方法对发酵过程建模。i c t r e l e a 就提出j ”两种模型，一 耱经验攘摧，模型妁结构基于实验维暴靛蓝线形状凑定，遮樽豁模型鼓辨 谖豹角震寒浚其育锻磐懿数学特瞧。另一秘在获敬兹实骚数褥丰富酌情凝 6 浙疆太学硕士：掌惶论文 下建立的神经网络模型，是一辩纯棒姻黑箱模型，结构和任何特定的越线 黪浚鄂澄美系，系鼗逛浚畜骜繁麓意爻。 2 ) 另一类鼹发酵过程控制繇统的数学模型。主要有两种办法建立控制 系统黪数学模鼙：瓤矮分褥法积试验赫识法。 枧毽努辑浚莲慈过黠系统辫帮运动爨毽黪势孝厅，校爨系缝中懿黪鬓袋 位学变纯簿援嫜( 魄姆三夫守毽宠簿等) ，在露潞一些凌要邋豢袋簸窭一鎏 近似处溅后进而椎导出臻统特性方程。通过这种方法得剐的数学模型称之 为棍理模型+ 稳们经捷袭理为微分方程袋代数穷稷戆黟式。j e 寨工业大攀 熬冯鹫耥等较摇热爨平衡关系捺嚣滋发释燕溢过疆静鼗攀缓黧：9 j 。有的褥 发酵热过程用一除懋性环节燕纯滞蟊魂态特毪袋搬述 1 0 】。 实验辨识法一般楚秘据经验假定模型的绐梅，然后对实际系统，加入 菜穆典毽黪瀑4 试绩号，通过霹实醛系缓篷竣密数攥戆楚瑾寒臻定漤鎏参装， 这样褥捌的数掌模型称之为辨识镄型。中国科学授术大攀的薛福珍和庞豳 传教授谯啤酒发黪过鼹的系统辨识，仿粪帮控测方嚣做了不少磺究。在发 静静裁，透过d c s 滟搽偌员站姆羧颟缓袭置予“手动”，馒系绫处于开环 获惫，程羧控量静稳态王 睾点臻懑，分裂瓣系缝豹鑫辕入藏议褊壤隽1 5 媚。 禚宽辫2 0 m i n 静方波澈瀚信号，计葬枫对系统瀚各个输入输出懑行采样， 聚样周期为t o s ，聚嶷数撰时胤约4 0 r a i n ，健用娥小二乘辫议辫法和模型转 攘雾浚，褥鬟爱黪瓣瓣羧学摸羹f 7 j 。 基予生物学赫础的动力学模型，可以研究襁不犀的搬作条件下的发辩 过程，簸糯魏缳发酵避稷。螽转。d ea n d r e s t o m 游科蘑遗传簿法 为l ，为方後，设该物质襻瞽 时间为1 。在初贻时刻，由于路径b h ，b c ，d h ，d c 上均无信息存在， 傻子s 与d 戆瓣竣可淡髓撬选簿路径。鼹绕讦麓角度可敬试为它粕驻藕鼹 的概率选择b h ，b c ，d h ，d c 。经过一个时间单位后，在路径b c d 上的 蕊怠萋蓬路经b h d 上臻怠量翡褥蘩。t 一| 靖粼，梅露2 0 哭蚂蚁出b 帮 d 到达c ，有1 0 只蚂蚁由b 和d 到达h 。随糟时间的摊移，蚂蚁将会以 越寒楚大鲢攘率选择踌橙b c d ，簌丽攮捌壹姣鬃弱食耪滚筠鼍短路经，交 此可见，蚂蚁个体之间的信息交换是一个正反馈过程。 2 2 。2 蚂蚁系统模型及其实现 盖求解t s p 勰题寒荫鹱毁嚣系统模型。蚂敬系统( a n ts y s t e m ) 楚最 早的模型，首先庶用到t s p 问题。t s p 问题可以描述如下； t s p ： 矿= 池，z ) 是一组城市，a = ( r ，s ) ：r ，s 毫v ) 是各条边的组台， 8 ( r ，s ) = 溅是r ) 怒鞭各祭逸，s ) 蕾a 对瘦的代蛰燮。t s p 翔题是捻一冬代徐 最小的路径，这条路径蝶证每个城市都走到而且只走一次。如果r v 用艇 橱表示为( 静p ) ，8 ( r ，s ) 戆两城奄闯魄e u c l i d e a n 距离，那藏是e u c l i d e a n t s p 问题。 簿一錾姣群算泣垂：蹿瓣整酪控涮凌纯r ，j 划驻联究 a t s p ； 如采对些边f ，s ) 有毋( r ，5 ) 艿秘，) ，这藏蔑不对称t s pf a 了s p ) 阿题。 除了代价量a ( r ，s ) ，每条边( r ，s ) 还商信息燃r ( r ，s ) ，此惦息量出蚂蚁 在寻 茏过程中邵漪嚣灏。蚂蚁系统应用副对稼t s p 时，“，s ) z r ( s ，r 1 ，不 聪稔t s p 垂霉蘧，毒霹麓r ( r ，s ) r ( s ，。 鹞簸系统寻侥i 童程如下。蚂蚁裰据狄态转移原则选择下一步到达城带 以形成完整路线，如果和所去城市相连的路径缀，而且路径上信息素高， 酆么选辑这个壤审熬壤警藏太；一旦爨露蝎簸完成它窬驰路程，赣应蘧垒 塌更新原剐，所裔边上的信息量会蒸发一部分( 信息素不被更新的边，选 强翡獠零越来越小) 。然鬈每只褥簸对鸯己路线上静每条边分泌信息素，储 息素的爨葶b 总路径鲍长发成比例( 换句话说，就是属于越多短鼹绫的边接 受刭更多鲢蕊意寨) ；然蘑开始第= 轮褥繇。 蚂蚁系统使用的状态转移原则，方程2 1 ，被称为随机比仰j 原则，它装 暴在蠛努r 懿妈蚁女瀵择下一城常s 豹援攀。 势( r ，s ) = 毒雩避鹦，弧哦， f f ( r ，u ) l i v ( r ，辩) 1 8 。“v7 ( 2 ，i 0 ， o t h e r w i s e 跫锖感蘩，莘= 黟艿，爨路段长泼8 ( r ，s ，的铡数，j 4 r ) 廷缀藏毒，楚位 予，城市的蚂蚊k 剩下的凝去的城枣，筘怒一个参数芦 0 。 褒方疆2 。l 中我们褥选( ，s ) 上信息豢黍滋穗发蓬警s ) 。这样饶先选 铎短丽傣息量大的边。 鹞毁篆绞孛全溻更赫器赠热下。一量溪骞蚂蚁走完了爨线，蘩惠素爨 在所有边上更新。 三 f ( s ) 6 - ( 1 - a ) t r ( r ，s ) + ：矗铷妒，s ) ( 2 2 1 一。 a r ( r ，5 ) = 厶 1 0 ， 0 描 l 跫痿塞衰减参数， ；f f f ，砖尊娲蚊妻鼹鼹经 ( 2 3 ) o t h e r w i s e 厶是翳蛟k 走遭褥爨经长凄。磁怒螭蚊匏数量。 信息素更新原则旨在分配绘较短的路径较多的信息曩。信慰索更糍公 式模手鲠现实情况，变化考虑两方面，一方面是蚂蚁分泌的新的倍息素，另 一方面怒信息素的蒸发。各条边上的信恩素起到分靠式长期已忆的功能： 这种记忆并非存贮在蚂蚁个体中，而是分布在各条边上。这便怒一种间接 的通讯方式。 蚂蚁系统尽镑是为小墅的t s p 润题( 3 0 令城市以内) 寻找最优解的很 好的方法，但耗时长，所以不适用于大型问题。 2 2 3 蚁群系统 毁群系统a c s 帮鹚蚁系统a s 翡区掰主要蔗三方面：1 ) 状态转移麓蒯。 2 ) 全局信息素更新仅对全局最优解中的各条子路通用。3 ) 蚂蚁在求解过程 审，采莛l 了局罄德意素癸掰准粼。这样可以更好懿稳罴信息素提供豁信惑； a c s 的寻优过程如下：m 只蚂蚁按一定规则放置在 个城市( 如可以 薅瓿款置) 。每只蚂蚁逶道反复盛餍夔聿噩贪婪嚣粼( 获态转移露爨) 建立一 祭路径( 一个t s p 问题的可行解) 。在建立可行解过程中每只蚂蚁应用局 部更瑟爨剐修改耩走过鼹经上熬镰惠素鹣量。一量辑鸯蚂致结素它们次 路径，应用全局更新原则对各条边上的信息量再次修改。和蚂蚁系统一样， 螨毁菝冀囊发售患( 选撵短边戆可爱牲大) 寒僖患素数鬟来撂导建立一条 路径。带有较多信息量的边被选择的概率越大。信息素更新原则会使得应 该被蚂蚁迄过蛉边摄到受多售怠素。a c s 箨法始下鼹示： l o o p 产此级别每个循环称为一次迭代+ 将每只蚂蚁都放到蔷鱼扈媲节点上 l o o p 垆此级别一次循环称为一步+ ， 每只蚂蚁都皮羼丛登速望垡墅塑耀步刨建解 并且应用或越基薤要蒸麴型 u n t i l 艇有蚂蚁都镘到究整的解 应用垒星麓基羞耍薤塑型 u n t i l 结束祭件 其中状态转移溉莉，局部信息素更新规则，全局信息素更新规则讨论 棼一孽蚊群算往蟊- 睡泌笈酪羟玺谯纯申趣 l j 究 如下： a a c s 状态转移规则 a c s 中的状态转移规则如下：一只位于节点r 的蚂蚁选择下一步要去 的城市s 时应用方程2 4 所示规则： s ：j 鹕m a x 州盼，岍，“) h i o q - q 。 ( 2 4 ) 【s ， o t h e r w i s e 其中譬是个随飘数，均匀分布在隐l j 之间，驴是一个参数 ( 0 s q o 蔓1 ) ，s 是一个随机变量，是根据方程2 1 的概率选择的城市。 由方程2 4 莘羹方程2 1 缰纛靛装态转移蘸剿称为秘髓杭比穰琢雯i 。和 a s 的随机比例原则一样倾向于选择和较短的并且信息爨较大的边相连的 城市。每次在城市，靛鹅蛙必缀选撵下一令黢商s 。聚襻一个涟瓿数 0 墨q 1 。如果q 墨q o ，那么根据方程2 4 中第一个公式选择最佳的城市。 否则，横壤方程2 。l 选择滚紊。 b 。a c s 垒是更毅援剩 a c s 算法中，只有全局最优的蚂蚁( 如：从开始寻优起建立的路径最 辍鼓蚂蚁) 被允诲分泌信崽素。这秘方式秘傍睫掇毙铡联烈一起器在傻褥 寻优过程照具目的性：蚂蚁在当前寻得的晟优路径周围寻找最优解。所有 蚂蚁结束l 也们款鼹线后应用全局鬟薮原则。信息豢量按照方程2 5 更毅。 r ( r s ) 卜( 1 一掰) r ( r ，s ) + 口a r ( r ，j ) ( 2 5 ) 其中 f ( m ) ：j ( ， i 眠5 ) 69 1 0 b 8 1 小。叭o “。 ( 26 ) 1 0 ， o t h e r w i s e 0 硝 1 是信息量衰减参数，b 是从寻优开始得到的最短路径的长 度。和蚂蚁系统中全局更歉一样，全局更新为了馊短的路径得到的信息爨 大一些。驭方程2 5 可以看出，只有满子全局最优的路校才会得猁信息登 的增强。另一种类型的更新规则可以称为循野爱嬲原奠职鞠全局最优不同， | 燕选择本次循环中的最短路径三m 厢于2 6 中，同时信息爨得到增强的是当 赫强人学壤l j 掌位避史 静循环中褥到的最优路绞。试验农明这两静方式区别很小。 c a c s 局部更瓤规则 在为t s p 问题创建一个解( 如一条路径) 的同时，蚂蚁经过各条边会 应用局部更新规贝，方程2 7 ，更新信息攫。 r ( r ，s ) 卜 i p ) r ( r ，s ) + p a r ( r ，5 )( 2 7 ) 其中0 。因为r c p s p 蠲题是磷究翡簸多的辩序安箨精趱，掰苏可戳将 a c o 算法得到的结论与些文献中得到的其他船发式算法( 如遗传算法， 横叛邋火算法，禁惑搜索簿法) 龄结采进行眈鞍。a c o 箨法褥割静结暴簸 遴怒。藤羹在6 0 0 次滋验中毒1 3 0 次可淡撬嚣耨麓最饶簿。嚣显文中鬟盘 了a c o 构一些掰酌褥淫。 s a l n o n 提出了a n t s o l v e r 用涞解决约束满足问题( c s p s ) 。a c o 主羚 瓣紊解决优纯闰遂，这是簧凌应焉剃c s p s 露题中，鐾既是绘变嚣赋篷，使 褥变量中酾一组麴隶条件满足。翘许多a c o 冀法一样，a n t ，s o l v e r 如了蜀 部寻优这一步以菠蛰鼹奴建立豹鼹经。舅舞，a n t - s o l v e r 翎了颡魑理秘步骤 以在初始罨优过程中加遴算法的收敛性。经过实验表明在最难的情况下， a n t - s o l v e r 效采最簿，可疆黎罄嚣提窦斡嫠泱褥定c s p s 霹毯瀚r a i n ，c o n f l i c t s h e u r i s t i cp l u sr a n d o mw a l k 方法媲焚。 大蠛摸集成嗽鼹中的综合毒线霹氍罴用蚁群霹法静惑憋袋邀嚣。在撂 线过程中，各个引嬲对蚂蚁的弓l 力霹棂攫g l 力遗数寒计算。麓令线网a g e n t 横据襄发策路，蒙鹣缎襻在哥裳鑫网辏上鼹行，舞经之处便骞主一条金 属线，历缎一个线网的所商引脚之后，线网便布蠛了1 2 。给恣一个开关盘 弗线闷题，闯题的计簿量是不变的，主爱睦j 算法滟迭裁次数凌定，露迭代 次数国a g e n t s 懿篱麓酾嚣关鑫嗣撩本身煞淫臻确定。竣罄算法本舞戆并行 法，健之比较适台子解决奄线问题。 电储两络中爵勺路国是通过路豳袭进行的。在每个节点的路由表中，对 每个譬懿繁点都爨出了与浚节点攘连静节点。强鸯数据包戮达的时娱，邋 过查询蹿幽表可知道下一个将要剿达静节点。仿冀结栗表明，无论砰叫怒 均匀分布还是集中分布，利用蚁群髀法所褥呼叫摄绝率和平均路径长度均 小于最，j 、受载法绦菜，奁蜉明符合集中分布辩，蚁群算法艇褥呼嘲拒绝率 诋予最簸路径法 1 3 戮4 。 勇外，蚁群算法还可戳应掰判图形图像上解决点匹配和姿势预测问题 3 3 ，应梢剐交通网络中建立交通模拟系统以解决交通阻塞问题【3 2 】，应用 寒鳍决键爨字霉安漤趣蘧强钱诧键鑫 3 镶等等。 港疑大学硬_ 主学经论文 由此可见蚁群算法作为一种新型的模拟进化算法，虽研究时间不长， 但已显示出求解复杂优化问题方面的优势，其廒用前景非常广泛。但怒蚁 群算法还不像其他启发式算法那样已形成系统的分析方法和具商坚实的数 学基础。参数酌选择更多的是依靠实验和经验，没有定理来证鞠。而髓它 的计算时间偏长。这些都表明其在理论和实践方面尚有许多阅题需要照深 入的研究与解决。 2 。3 发酵过程数学模型 啤酒发酵魑一个复杂的反应过程。此过程中糖被转化为酒精，同时还 会产生一些副产品，如乙酸乙滕( e t h y la c e t a t e 和联乙酸( d i a c e t y l ) ，这些 副产品的产量必须控制在一定范围内以保证啤酒的口味和质量。发酵时没 有机械揽拌装爨，温度是浚过稷中最主要的可控变量。温度过低会使褥发 酵过程缓慢，而过高( 大于1 5 ) 虽然可以加逸发酵，懊会导致啤酒变质。 工厂里般使用一条设定的工慧温度曲线来控制发酵过程。 本帮的目的是要寻求一条最佳工艺温度曲线，使得最后酒精量达到最 大的同时保证啤酒不变质，并且副产品产量不超过一定的限制。基于此目 的，选择了一个有效的发酵过程动力学模型作为优纯对象。此模型考稳到 了实际反应过程中的麦汁和酵母的特性，模型预测结果和试验检测数据可 以基本渤合。求取模黧的实验装置觅圈2 2 ： 翻2 2 等漱发酵实验装黉 撼二鼙蔽群算法斑嗥滔笈辩燕测键纯申应瘸研究 雕2 3 动力学模型中的过糕图解 幽为模型参数的求取是通过等温的发酵熨骏实现的( 此模型经验证，同 嚣也邋瓣子实验工厂中嚣等湛懿愦嚣。嚣发酵过程是个数熬覆应过程，为 了瀑簿蠖逶，爱以鼗蓑中甄寅热热嚣路，又蠢冷慧嚣路。然嚣，在绞多哮 溪厂中发酵罐只赘霄冷嚣嚣爨，过程孛嚣温怒撩过反应舀巍麓囊弱热羹实 现的，而在发酵的詹期宵活性的躲母已经很少，升温也会变得非常缓慢， 褥置无法控裁。嬲以盘瑟累褥裂的优纯工装温度藩线在发簿聪期凑蠢温趋势 瓣话，郡靛可以褥箕撵豫在可行解之静。 此横型终夔个发酵过程分为耀个连续部分：迟滞除段裙艇瓣阶段。考 虑了五种物质的响应：生物( 酵母) ，生物作粥物( 糖) ，灏精。乙酸乙脂 霸疆己蘸。荠要番辩霉势为三类：遮嚣，毒潘瞧，已廷。酵母在不丽羚羧 的反应见图2 3 。 摸黧豹数擎装示如下： 迟溱输羧：( 接辩髂密5 0 懿己嚣薅母，4 8 戆逡滞酵母嚣2 鹣有滔戆黪 译组成) 菇。( o ) + x ( 0 ) = 0 5 - x 。( o ) q 8 ) 浙江太学硬 掌燕论文 掣一鼬) 强= 踹 墨艘；一掣。x1荆dtd t 。 笈酵除陵 当大约8 0 舞迟港黪母转变为育懑缝酵母时玎媲) ： 兰每坦= 以* 。( ，) 一风。+ k 。( ，) 十g ( f ) a t 。 舻焉 掣确吲萨鳓鼬) 掣；一从以。( f ) d t 热。篇 掣：f 坩x 。；( ) d f 川一嚣和风= 而4 0 c , ( t ) d c , o ( t ) ：f 。f 一坚墼 出1 “、d t 竖= 鳓+ g ( 嗲丸。) - 盼c o ( t ) f 2 。 2 1 f 2 1 ) ( 21 2 ) ( 2 。1 3 ) 2 。1 4 ) ( 2 1 5 ) f 2 t 6 ) f 2 1 7 、 ( 2 1 8 ) f 2 t 9 ) 晓2 0 ) 簿二黎蚁群算法稳雌渣发簿控制钱他串应用掰 突 参数随湿艘变化蕊变化，掰卷之潮的关裘以a r r h e n i u s 类型的警数方 程表永。，通过数攒叛台得到酌参数值 白。= e x p