（电气工程专业论文）高精度铂电阻温度调节器.pdf

沈阳工业大学硕十学位论文 摘要 在我国，一些啤酒企业的自动化程度比较低，导致产品生产效率低，质量也不高， 能耗较大。啤酒发酵是啤酒生产中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的最关键的一 步。按现在的生产工艺，生产周期一般在十五天左右，要求发酵液的温度严格按照一定 的工艺曲线变化。温度控制精度在士0 5 范围内，这样的控制精度单凭传统的热工仪 表加上手工操作方式是完全不能满足要求的。为使啤酒的质量与产量上一个新的台阶， 研制了适应于啤酒发酵过程的温度控制器。该系统采用目前较为先进的5 1 系列单片机 及外围接口部分组成。具有结构简单、可靠性高及投资小的特点，是中小型企业提高生 产水平和啤酒质量的最佳方案之一。 为了满足工艺对温度控制精度的要求，必须解决两个问题：一是温度测量精度要 高：二是温度控制精度要高。为了提高温度测量的精度，提出了如何消除热电阻的连接 导线电阻随环境温度变化、放大器的零点漂移、放大器放大倍数的变化对温度测量的影 响。对于啤酒生产工艺中发酵罐的温度控制，其时间常数较大，且又是按一定的时间 温度曲线进行控制的，采用常规的p i d 调节规律很难达到理想的控温精度的要求，因此 采用模糊控制方法对其进行控制。在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的 简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器结构形式，它具有类似于常规p d 控带4 器的 作用。采用该类模糊控制器的系统有可能获得良好的动态特性，但静态性能不能令人满 意。为获得较高的稳态精度，改进了模糊控制器的结构，在模糊控制器中引入积分作 用。 通过实际生产的运行，该控制器的各项指标达到了设计标准，满足了生产工艺对温 度控制精度的要求。 关键词：过程控制，啤酒发酵，模糊控制，模糊推理 沈阳工业大学硕士学位论文 a h i g hp r e c i s i o np l a t i n u mr e s i s t a n c et e m p e r a t u r e r e g u l a t o r a b s t r a c t i no u r c o u n t r y , t h ea u t o m a t i o nl e v e lo f s o m eb e e re n t e r p r i s e si sn l t h e rl o w , s or e s u l l i n gi n l o w p r o d u c t i v i t ya n dq u a l i t y , l l i g he a j e r g y 瑚s c 岫嬲e o n s u m p l i o l lb e e rf e r m e n ti so n eo ft h e m o s t i m p o r t a n tw o r k i n gp r o c e d u l e $ i nb e e rp r o d u c t i o na n d t h em o s tc r i t i c a ls t e pt oe n $ 1 1 1 屯b e e r q u a l i t y a c c o r d i n gt ow o r k i n gp r o c e d u r e ，t h ep r o c l u c i l l gp e r i o du s u a l l yi sa b o u t1 5d a y s ，t h e t e m p e r a t u r eo ff e r m e n tl i q u i d ss h o u l dv a r yi na c c o r d a n c ew i t hl 孵g u l f l tw o r k i n gp r o c e d u r e c i i i v e s t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lp r e c i s i o ns h o u l db ew i t h i nt h es c o p e - i - t ) 5 i fw eu s et h e t r a d i t i o n a lh e a tt e c h n o l o g i c a li r l k a u m e n t s 班试r i t u a lo p e r a t i o nm e t h o dc o u l dn o ts a t i 姆t h e d e m a n d i no 妇t o g e tb 渤r e s u l t f o rb e e rq u a l i t ya n d l 冀 o d u e t i o nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r f o rb e e rf e r m e n t p r o c e s si sd e v e i o p e d n o w a d a y st h i ss y t t t e l l 3a d o p t se o m l 蝴a t i v e l ya d v a n c e d 5 1s e r i e s m i c r o p t 0 糍强叫w i t ho t 贼d ei n t o f a c ec o m p o n e n t , t h i sc o n t r o l l e rh a st h e e h n r a e t e 枷co f s i m p l es l r u e l t l t ea r i d 越曲r e l i a b i l i t ya n dl o wi n v e s 蝴e n t i ti so l l e0 f b e s t p l a n s t oe l l h l t l l c er 微l u e i n gl e v e la n db e e r q , j a l i t yf o rs m a l la n dm e d i t m ae n t e r p r i s e s i no r d e rt o s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fw o r l ( i l i gp l n c e 矗猫f b rt l l et e m p e r a t u r ec o n t r o l p r e c i s i o n , t w op r o b l e m sm u s tb er e s o l v e d ：t h e 矗r 蛾t h et e r n l m 锄a r em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n s h o u l db eh i g h , s e c o n d , t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lp r e c i s i o ni sa l s o l l i 出f o re n h a n c i n gt h e p r e c i s i o no ft e m p e r a t u r 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u l 盯p d c o n t r o l l e r u s i n gt h ef u z z yc o n t r o l l i n gs y s t e m , i ti sp o s s i b l e t og e tb e t t e rr e s u l to f d y i l l m cd 硇船删s l i c ，b u tt h es t l t l j cc h a r a c t e r i s t i cc o u l dn o tb es a i l s 矗e d 2 沈阻工业大学硕士学位论文 t o g e th i g h e r s t a b l ep r e c i s i o n ，t h es t r u c t u r eo f f u z z yc o n t r o l l e ri si m p r o v e da n di n t e g r a la f f e c ti s i n l x o d u e e d b ym e a n so fa c t u a lp r o d u c t i o n , e a c hi n d c xo ft h e c o n t r o l l e rr e a c h e st h e d e s i g n i n g s t a n d a r d ： s a t i s f yt h er e q u i r e m e mo f t i 捃t e m p e r a t u r e c o n t r o l p r e c i s i o n f o rw o r k i n g p i d 玲血聪 k e yw o r t l b ：p r o e e 嬲c o n t r o l , b e e rf e r l m e n l , f t 啦醪c o n t r o l , f h 露可i a f e r e n e e 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名： 选：| 丕注导师签名：日期： 沈阳l ：业大学硕十学位论文 l 绪论 1 1 课题的来源、目的及意义 我因的啤酒市场非常巨大，国内生产啤酒的企业数以百计，但与国外的主要啤酒生 产厂家相比大部分企业技术落后，大部分处于手动控制阶段，只有极少数企业实现半自 动化。由于自动化程度低，导致产品生产效率低，质量也不高，能耗较大。啤酒生产是 一个利用微生物生长进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式 难以保证产品的质量。 近年来，国外的各大啤酒生产厂家纷纷进军中国市场，凭借技术优势与国内的啤酒 生产厂家争夺市场份额。国内的啤酒行业迫切要求进行技术改造，提高生产率，保证产 品质量，以确保在激烈的市场竞争中立于不败之地。 啤酒发酵是啤酒生产中最重要的道工序，是决定啤酒质量的关键的一步。按现在 的生产工艺，生产周期一般在十五天左右，要求发酵液的温度严格按照定的工艺曲线 变化。温度控制精度在士o 5 。c 范围内，这样的控制精度单凭传统的热工仪表加上手工 操作方式是完全不能满足要求的，但目前国内的不少生产厂家都是采用这种生产方式。 这就要求生产工人2 4 小时中监视啤酒发酵的温度变化，根据偏差去调节冷媒的流量 阀。这种方式，工人的劳动强度大，而且质量难以控制。国外的著名啤酒生产厂家大部 分都实现了自动化控制，在保证产品质量的同时缩短了生产周期。为此，在国内啤酒行 业中实现自动化生产是十分迫切的。啤酒的发酵过程实现自动化后，工人的劳动强度将 大大地减小。为使啤酒的质量与产量上一个新的台阶。增加企业市场竞争能力，研制了 适应于啤酒发酵过程的温度控制器。这种温度控制器性价比高，可以推广到其它化工生 产过程的温度控制系统中。应用前景乐观，能产生较大的社会经济效益i 。 1 2 单片机控制系统在发酵过程中的应用 利用计算机对发酵过程的控制，已经在我国的啤酒行业中推广应用。我国大型的啤 酒企业有数十家，大部分已实现计算机控制，取得了良好的经济效益，而中小企业的自 动化程度较低，有待于实现计算机控制。对于大型的计算机控制系统，出于造价高、软 件开发的工作量大及用户修改控制方案较麻烦，很难适应中小企业口1 3 i 。单片机控制系 沈阳l ：业大学硕七学位论文 统在这些领域中以它的性价比高、控制方案灵活等特点占有独特的地位。所以单片机控 制系统在发酵过程控制中的应用不断发展，受到了中小啤酒企业青睐。 1 3 发酵过程控制方法概述 啤酒的生产过程实际是微生物的发酵过程，反应机理十分复杂，影响微生物生长的 因素错综复杂，很难用精确的数学模型来描述这一发酵过程。在发酵过程中，尤其是温 度的实验数据重复性较差，这对温度数学模型的建立带来了许多困难。由于发酵过程的 特殊性，基于数学算法的常规p i d 控制系统，其有效的控制范围较窄，对实际运行过程 中出现的特殊情况及动态变化不能及时地进行控制。实践证明，在发酵过程控制领域 中，比较成功地应用常规控制理论进行控制是十分困难的，因而导致了对生物工业的自 动控制远远落后于其它工业t 4 5 1 。 近些年来，人们借助于计算机这一先进的科学工具，解决了发酵过程参数的测量、 数据管理与分析及常规控制难以解决的问题，尤其是采用模糊控制方法对发酵过程的温 度进行控制，为发酵过程的优化控制开创了新局面。 1 3 1发酵过程的单片机控制系统 使用由单片机构成的温度控制器取代常规控制仪表，可以实现一表控制丽个网路， 其控制方式灵活，通过软件的组合，即可进行p i d 又可进行模糊控制及模糊p i d 控 制。 通过控制器上的显示器可实现对温度的显示、报警等。此外，利用单片机的外围数 据存储器，记录( 无笔记录) 、存储一个发酵周期内各个时段的温度值，如果需要还可 进行实时在线的对温度值进行打印或打印出温度变化的趋势图，为分析产品的质量提供 有效数据。采用该控制器对发酵过程进行控制，操作简单方便，大大地减轻了工人的工 作量，提高了工作效率。 1 3 2 发酵过程模糊控制应用 在发酵过程的优化控制过程中，为达到优化生产的目的，必须保持微生物生长按照 一定的生长规律进行。为实现这目标，必须做到确保微生物生长的环境条件为最优， 而温度是影响微生物生长的一个重要因素，因此，必须对发酵过程中的温度进行准确的 控制，达到优化生产的目的。 2 。 沈刖】：业火学硕十学位论文 在实际生产中，当采用常规控制方法对发酵过程的温度进行控制时，往往要求出准 确的温度对象的数学模型，然后利用各种最优化方法，求出其优化条件和控制方法j 策 略，然后再对温度实施控制。由于发酵过程的机理复杂，很难用数学表达式来描述发酵 过程温度对象的特性。这样，通常只能基于人们的经验和一些模糊的关系来确定控制方 案，即模糊控制方案。在发酵过程智能优化控制中，有两种方法： ( 1 ) 专家控制系统 把有经验的工程技术人员与专家对于发酵过程优化控制的知识进行整理，汇编成知 识库，用一些规则来描述，然后根据发酵过程可测量的参数来推断采用什么样的控制规 则。例如根据专家知识来预估反应速度、生产进度，进而正确地指导工人进行复杂的操 作，实施智能控制方案。专家控制系统知识库庞大，设计十分困难【6 一i 。 ( 2 ) 模糊控制系统 对于非线性复杂系统，现代控制理论控制策略也难以适用。它不仅算法极其复杂， 而且无望获得满意的结果。对于这些系统，采用模糊控制可以得到较好的控制效果。模 糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且逐渐向大规模非线性复杂系统扩展。它 具有易于熟悉，输出量连续，可靠性高，能发挥熟练专家操作的良好自动化效果等优 点。 发酵过程的参数与微生物代谢和微生物生长有关，不能用确切的数学关系来描述。 根据不同的发酵时期，他们之间的关系可以用模糊关系表示，即可用隶属函数术描述。 然后，用这些模糊关系的结果来指导发酵过程优化操作与控制i 8 1 9 】。 上述二种方法，都是根据知识库来控制发酵过程。因此，建立好的、实时的、有效 的知识库，用丰富的发酵过程知识来武装，是发酵优化控制的关键。 3 一 沈阳t 业大学硕士学位论文 2 系统的构成方案 2 1 啤酒发酵过程简介 啤酒生产流程如图2 1 所示。 圉朝铟 图2 1 啤酒生产流程 其中，发酵是啤酒生产中最重要的一道工序，是决定啤酒质量的最关键一步。发酵 是一个复杂的生化过程。在这个过程中原麦汁的糖经过酵母的作用生成乙醇及其他一些 副产品。这阶段最终的被控量为糖度和双乙酞。其中，糖度这个量决定啤酒中乙醇的含 量，而双乙酞是啤酒发酵的主要副产品之一，它会使啤酒产生一种嫂饭味，在发酵过程 中应尽量降低其含量。糖度和双乙酞的浓度很难在线实时测量。通过对大量发酵过程的 统计，发酵过程的温度变化与发酵液的糖度和双乙酞这两个量有一个近似的统计关系。 于是在实际生产中，往往是控制发酵液的温度并辅以人工化验。为了适应大规模生产的 需要，工艺人员总结出了不同的生产工艺，而不论何种工艺，生产周期都在十几天以 上，要求发酵液的温度严格按照一定的工艺曲线变化，温度控制精度在士o 5 范围 内。如果温度控制偏低，就会使得发酵过程缓慢，影响生产进度；如果温度偏高，又会 造成生化参数超出标准，影响啤酒的质量。曲线如图2 2 所示。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 a ) 圈2 2 啤穗生产工艺曲线 a ) 一温度曲线，b ) 一i 置度曲线 卜主发酵阶段 2 一还原双乙酞阶段；3 一降温阶段； 低温储滔阶段 图a ) 表示温度曲线，图b ) 表示原麦汁浓度曲线。整个发酵液的温度变化过程分 为主发酵阶段，还原双乙酞阶段和低温储滔阶段。从原麦汁入罐时刻起，就开始进行主 发酵，这一阶段的温度控制在1 0 c ( 不同的工艺数值不同) 。发酵液直接由糖化车间经 管道灌入，初始的温度大约为9 5 左右，原麦汁浓度为i o 。p 左右，每一罐发酵液需要 分四批入罐，每一次入罐后都要由化验员测定一次原麦汁浓度并把信息反馈到糖化车 间，保证最后一次发酵液入罐后，整罐发酵液的初始原麦汁浓度符合标准。同时温度控 制开始实施，以保证满罐后发酵液的温度在规定范围内。发酵液满罐l h 后，由工人测 量发酵液的满罐原麦汁浓度，以后每隔8 h 测量一次。当原麦汁浓度降至接近6 o 。p ( 低 于6 5 0 p ) 时，每2 h 澳4 量一次，直至到达6 o o p 。当原麦汁浓度降到6 o 。p 时主发酵阶 段结束，主发酵阶段约历时4 d 。主发酵阶段结束后，发簿进入还原双乙酞阶段，这一 阶段要求温度控制在1 6 1 2 ( 不同的工艺数值不同) 。进入第二还原双乙酞阶段后，要求 化验员每隔2 h 测量一次双乙酞的浓度和原麦汁浓度，直到原麦汁浓度降至3 o o p 时， 变为每8 h 测量一次。当原麦汁浓度降至3 o o p 时再经过1 6 h 原麦汁浓度监测工作就结 束。当双乙酞浓度下降到合格标准( 0 0 8 m g l ) 时，且原麦汁浓度降至极限4 2 4 8 h 后， 5 沈阳工业大学硕士学位论文 如果此时发酵液入罐时间已大于6 d ，发酵就可以迸人降温阶段，此时把所有冷媒阀打 开，使发酵液全速降温。当温度到达0 以下时发酵进入低温储酒阶段，温度控制在 0 5 l 。这一阶段主要是让酵母和一些固态物进行充分沉淀并进行回收。正常情况 下，全过程必须在1 4 d 以上。 发酵是一个放热的过程，如果让啤酒自然发酵，发酵液的温度会逐渐上升，实际生 产时，在发酵罐外部耆隋一个冷却套，通过控制冷却液的流量来达到控制温度的目的。 现在大部分啤酒生产企业都采用大型露天锥形罐来进行集中发酵以增加啤酒的产 量，简化工艺，缩短发酵周期。发酵过程示意圈如图2 3 所示。 冷 媒 出 口 在发酵过程中罐内会产生二氧化碳使压力增加，雨微生物发酵过程需要一个最佳的 环境压力。因此在生产过程中要对罐内压力进行检测并定期回收二氧化碳。另外，罐内 的液位也需要监测。罐外的冷却套分上下两个，分别由两个阀门控制套内的冷媒流量。 冷媒是3 0 的酒精和水的混合物，温度大约为5 0 。溅温范围要求是0 5 2 0 0 1 2 ，系统 采用铂热电阻来做温度传感器【埘。 6 沈阳丁业大学硕士学位论文 2 2 系统方案设计 2 2l系统技术性能要求 根据现场实际情况，并和厂家技术人员反复论证，确认在发酵过程中，影响啤酒质量 的主要因素是发酵过程中发酵液的温度，因此，本系统主要是针对发酵液的温度控制进 行设计。本着先进性、可靠性及经济性等原则，系统应达到以下技术指标： ( 1 ) 系统的输入：对每个发酵罐，要求测量三个点的温度。因为发酵液的温度范 曝为o 5 2 0 0 * c ，因此测温元件选用铂热电阻。 ( 2 ) 系统的被控制曩为发酵液的温度。为满足工艺的要求，系统的控制精度要求 在士o 5 。 ( 3 ) 系统的输出：由于每个发酵罐带有两个电磁阀门，因此系统具有两路输出信 号。输出信号为开关量或是4 2 0 m a 的电流信号。 2 2 2 单片机控制器的结构 控制器的结构如图2 4 所示。控制器是以8 9 c 5 1 单片机为核心，以输入、输出、 键盘显示及其它辅助电路构成。该控制器由三个铂热电阻( p t l 0 0 ) 作为测温元件用 于测量发酵罐的三个测温点的温度，温度范围为o 5 2 0 c ，组成三个模拟输入信号。根 据用户需要，输出电路可以是两路p w m 信号或是( 4 2 0 m a ) 的电流信号用于控制两 个阀门。l e d 显示器用于显示罐内三个测温点及某一时刻的历史的温度，键盘用于修 改控制周期、温度设定值及报警上下限等参数”h 引。 图2 4 控制器结构图 一7 沈阳f 业人学硕十学位论文 2 2 3 控制算法的选择 ( 1 ) 发酵过程的数学模型分析 过程的数学模型是控制理论分析和设计控制系统的基础。数学模型就是对被控对 象、装置或系统特性的数学描述，是用数学方程式来表示被控制对象、装最或系统的特 性。这种方程式定量地刻画了它们的各种变量( 包括状态变量、输入、输出、干扰变量 等) 之间的关系。 建立数学模型主要有以下四种方法：分析法、实验测试法、统计试验法和系统辨识 法等。在确定系统的模型时，根据现场记录的数据，运用辨识的方法来确定系统的模 型；而在确定系统控制变量时，运用了分析法，利用对流换热方程，通过对对象的传热 特性进行定性分析来确定控制方案。 啤酒的发酵过程是通过酵母的多种酶解作用，将糖( 主要是麦芽糖) 经过一系列的生 化反应，转化为酒精和二氧化碳的过程。在发酵期间，工艺上主要控制的变量是温度、 糖度和时间。温度、糖度和时间三者间变化是相辅相成的。糖度的控制是通过控制发酵 温度来完成的；在一定的麦芽汁浓度、酵母数量和活性条件下，发酵过程的时蒯，亦取 决于发酵的温度，另一方面，影响啤酒质量的一些酵母代谢物的浓度也与发酵的温度有 密切关系。所以目前的发酵操作中，最主要的就是温度控制。在发酵过程中，啤酒酵母 多酶体系的酶解作用，经过一系列的生化反应，生成了酒精和二氧化碳，同时由于高能 量的磷酸键和a t p 的形成，释放出一定的热量。在发酵罐内，依靠二氧化碳气泡的运 动和冷热的对流，使发酵液在罐内上下循环。由于这种自然循环缓慢，而夹套的换热效 率与其它换热方式相比，抉热面积小、换热率较低，同时对象的热容量很大，这样决定 了对象的大惯性和大滞后特性。在发酵过程中，影响发酵液温度的主要因素是冷却器的 对流换热和生化反应的放热过程。环境温度也会对发酵液的温度产生影响，但由于冷却 套的外面包有绝热材料，热阻很大，因此它的影响相对较小。 在整个发酵过程中，各发酵阶段的生化反应情况差别较大，所以应该分阶段建立模 型。根据生化反应的情况，可将发酵过程分成两大阶段：第一阶段是主发酵阶段和升温 阶段；第二阶段是还原双乙酞阶段和降温阶段。在第一阶段发酵过程的放热对发酵液温 8 沈阳工业人学硕士学位论文 度的影响可被看作一个外部扰动，在充分利用现场采集数据的基础上可以得出结论：该 阶段的对象对扰动的动态特性可以近似地以一个积分加纯滞后环节来表示，即： 唧；币1 e 式中：乃一积分时间常数； t 一纯滞后时间； 而第二阶段的动态特性可近似以一个一阶惯性加纯滞后环节来表示，即： 式中：昂惯性时间常数； t 纯滞后时间； g 邢，= 丢南e ( 2 1 ) ( 2 2 ) 晒一开环放大倍数。 ( 2 ) 控制方法的选择 1 ) 控制变量的选择 冷却夹套属于有导热壁隔离的热交换器。发酵液与冷媒进行热交换时，其温度由五 下降到疋，冷媒的温度由ht 升至u t 2 。在冷媒进出口处，发酵液与冷媒之间的温度差为 a t l = 五一t 2 及出2 = 乃一l 。根据牛顿冷却公式，发酵液与冷媒在单位时间内的传热量q 与两流体之间温度差的平均值4 。和传热阻力( 热导率) 有关，郎： 式中；k 。流体的热导率； 椭交换面积。 q - - k t a a m 刎。：掣 9 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 沈刚1 业人学硕十学位论文 另一方面，冷媒在单位时间内吸收的热量可表示为 q 2 w c p ( t 2 一n ) ( 2 5 ) 式中：缈一冷媒的质量流量； c 。一冷流体的热容。 联立式( 2 4 ) 式( 2 5 ) 可求得传热量q d 一! 1 2 二至二堡 ( 2 6 ) 1 ( 2 w c 口) 一1 ( k t 一) 由此可见传热量q 与冷媒体的质量流囊关系是非线性的a 改变流体流量以控制 传热量在相当大的范围内是无效的。在现场实验过程中，使用原有的气动薄膜蝶阀来进 行温度控制时，蝶阀的内漏( 泄漏量) 一般为2 - - 5 ，这样的量足以使发酵液温度下 降，而且在同一发酵阶段阀门全开与阀门半开比较，温度下降速度变化不大，也就是冷 媒在小流量的情况下温度就开始下降，当流量增大到一定程度时，对温度的影响就会逐 步减小，这与上面分析是一致的。 所以，采用控制冷媒阀开度的方式来控制发酵液的温度，得不到良好的控制效果。 经反复论证，将冷媒阀的启闭时间作为调节量对温度进行调节，可以满足在各种工况下 实现控制目标。基于这种特点，系统中选用价廉可靠的两位式阀门即可满足要求，不需 配置昂贵的调节阀。 如果在系统中采用两位式阀门作为执行机构。其控制方式是以位式的控制方法对模 拟量进行控制的，即通常的上、下限控制方法。该方法控制规律简单，但控制精度不 高，且执行机构的动作过于频繁，往往不能满足工艺要求。 为了解决这一问题，只要对系统的控制规律进行修改就可达到目的。本系统采用时 i 剐比例的控制方式。设计思想是这样的：采用p w m 控制方式，将控制过程的时间以t 为周期进行划分。根据控制器对偏差的运算结果，确定p w m 波的脉冲宽度。从每一个 周期起点开始，让阀门开启p w m 波的脉冲宽度对应的时间，然后让阀门关闭，直到周 期终点。下一个周期再重复上述过程。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 2 ) 调节规律的选择 p 1 d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，可靠性高，被广泛应 用于工业控制。在工业生产过程中，由于工业被控对象的动态特性很难被完全掌握，得 不到精确的数学模型，难以满足控制理论的分析要求。由于这种原因，在整定系统的参 数时往往要借助现场调试及经验。随着对p i d 算法的不断研究，根据被控对象的要 求，改进算的法越来越多。在实际生产过程中，为获得较好的控制指标，参数的整定方 法就比较复杂，常规p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行环境的适应性较 差。针对上述问题，长期以来，人们一直在寻求p i d 控制器参数的自整定技术，以适应 复杂的工况和高指标的控制要求。微处理机技术的发展和数字智能式控制器的实际应 用，以及近年来各种先进算法的不断涌现，为控制复杂系统开辟了新途径。 微机用于控制以后，把模拟p i d 算法进行离散后得到数字式p i d 算法。数字式p i d 的应用是有条件的，应符合香农定理可知，系统的采用频率s 应大于对象固有频率口 的两倍，即系统的时间常数应远大于采样周期。当系统的时间常数远大于采样周期时， 应用数字p i d 能取得良好的控制效果。但如果系统的时间常数与系统的采样周期相似则 不宜采用数字p i d ，需要寻找其他途径。对本系统来说，数字p i d 控制算法是合适的选 择盼f 6 j 。 3 ) 控制参数的整定方法 模拟p i d 控制系统原理框图如图2 5 所示，系统主要由p i d 控制器和被控对象组 成。 图2 5 模拟p i b 控制系统原理冒 沈刚】：业人学硕十学何论文 作为一种线性控制器，它是对给定值和实际输出值之间的偏差，按比例、积分和微 分进行线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称为p i d 控制器。其控制规律 为： m p i e ( t ) + i _ t il e ( t ) d t + 汜s ， 式中：e ( t ) - - r ( o - 必o ，陆为比例系数、t l 为积分时间常数、t d 为微分时间常数。以 上是我们在各种文献中最经常看到的形式。各种控制作用的实现方式在函数表达式中表 达的非常清楚，对应的控制参数包括比例增益岛，积分时间常数t l 和微分时间常数 t d 。 在实际应用中，要根据对象的特性和控制要求，可灵活地改变其结构，取其中一部 分环节构成控制不同规律。例如，比例( p ) 调节器、比例积分( p i ) 调节器、比例微 分( p d ) 调节器等。另方面，出于p i d 调节器中p 、i 、d 控制规律是一种线性的纵 合，很难同时兼顾动态与静态性能，而且其参数往往是在某一特定的工况下整定的。当 工况发生较大范围的变化时，传统的p i d 调节器往往不能取得良好的控制效果。m 如上 面所分析的，发酵过程每一个阶段被控对象的特性是不一样的，而且每一个发酵周期由 于原料和酵母的分散性很大，加上冷媒参数的波动、环境温度的变化等因素都会使被控 对象的特性有较大的变化，即使在相同的工艺情况下，生产周期往往可以相差2 - 3 天。 针对这种情况，使用参数在线自整定p i d 控制器，往往会得到较好的控制效果l l ”。 目前，这种p i d 控制器也称为智能自整定p i d 调节器，主要有两类：一类是基于系 统辨识的方法，通过对过程参数进行在线辨识实行在线自整定；一类运用专家系统和 模式识别的方法，对系统的控制性能进行在线测定，然后根据知识库进行推理、判决得 出p i d 控制器的整定值。这两类控制器现在已经产品化了。对于前一类控制，在参数整 定时，一个m 序列的测试信号被迭加在调节器的输出端，测量此时被控过程的输入、 输出值，利用闭环最小二乘法将被控对象数学模型辨识出来，计算机根据辨识的结果进 行参数设计，重新整定p i d 调节器的参数。这种自整定方法的最大优点是不需要事先建 立一个精确的对象数学模型。这种辩识方法的缺点是计算量大，用低成本的计算机实现 一1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 这种控制器有一定的困难；另外，这种方法要附加脉冲信号，对系统是有干扰的；再有 按这种方法整定的p i d 参数，往往考虑到系统辨识参数的正确性和可靠性以及系统的稳 定性等因素，而把参数置于有较大余地的“保守状态”，使生产过程的经济性达不到最 佳状态。第二类系统是将波形分析法与人工智能的专家思想结合起来，当调节回路的给 定值或负荷( 干扰) 发生变化时，以调节偏差对时间的响应特性作为调节品质的性能指 标，作出是否要修改现行p i d 调节器参数的判断。 根据常规p i d 控制器的构成和智能自整定p i d 调节器的工作原理，设计了模糊自整 定p i d 调节器。其构成有两部分：一部分是采用模糊推理的方法，以给定值与被控参数 之间的偏差、偏差的变化量、偏差的变化率作为输入量，以坼、叻、如为输出构 成三个一维的模糊控制器，即p 作用、i 作用、d 作用调节器；另一部分是采用模糊推 理的方法，根据偏差、偏差变化率及专家知识对三种作用的强度系数k p 、k i 、k o 进行 整定1 1 8 - 2 1 1 。 由于是采用三个一维的模糊控制规则，简化了控制器的结构与目口面的两类系统相 比有实时计算工作量小、模型规则表示的物理意义明确等优点，十分适用于在本系统中 应用。 - 1 3 一 沈刚i ：业人学硕十学位论文 3 硬件电路设计 3 1 概述 控制系统中，控制器的硬件是软件实施的一个重要环节，它的性能好坏直接影响到 控制器的性能。因此在系统总体设计时，主要遵从以下几点原则： ( 1 ) 可靠性设计原则 在设计过程中，首要考虑的因素是可靠性。由于啤酒发酵是一个连续生产过程，要 求设备长时间运行，正常情况下一年才停车大修一次，因此，对硬件可靠性提出较高的 要求。为了达到可靠性要求，在设计时采取了以下措施： 1 ) 元器件的降额设计，如：宜流电源的滤波电容的耐压有一倍的冗余； 2 ) 容差与漂移设计，这主要是在信号调理电路中要考虑的； 3 ) 尽量采用标准的元器件和电路； 4 ) 简化设计： 5 ) 抗干扰能力设计，数字电源与模拟电源分开； 此外，设计中尽量使用集成度高的元件或模块，减少元件的数量。这既符合抗干扰 的需要也符合可靠性原则。当然，也不能盲目地追求新奇器件，还要考虑其性能价格 比、货源等问题，以便于投入生产2 1 i 。 ( 2 ) 系统的可扩展性。 除了非常成熟、专用的控制系统，大部分控制系统在研发过程中会碰到控制算法修 改、用户提出新的功能要求等问题。因此在控制器的设计时，应考虑控制器扩展性和适 应性，这就要求在设计控制器时其硬件资源留有一定裕量，且有一定的升级能力，以使 系统功能在总体方案不变的情况可进行调整。例如，在选择单片机型号时选择了 8 9 c 5 1 ，它内部集成4 k b y t e 的f i ，a s 玎淝m o r y ，如果以后用到更复杂的算法或用户要 求增加功能时，程序存储器的容量可能不够。为适应这种要求，采用引脚完全兼容、具 有8 k b y t e 程序存储器的8 9 c 5 2 或具有更大容量片内程序存储器的8 9 c 5 5 。 1 4 沈阳一n 世大学硕士学位论文 虽然本控制器的对象是一个具体的啤酒发酵过程的温度控制，任务需求明确，但作 为产品应有较大的应用范围，因此，设计时考虑到一般工业过程中的温度肘象的特点， 使控制器对一般工业过程的温度对象具有一定适应能力。 此外，为了适应工业过程的管理需要，在控制器中还设计了r s 2 3 2 接口，便于上 位机对下位机的管理，提高自动化水平。 ( 3 ) 工业环境的影响 对于本控制器主要是考虑电磁干扰和环境温度变化对控制器的影响，在设计时采用 了各种抗干扰措施。对受温度影响较大的信号调理部分采用低温度系数部件，通风等措 施，尽量减小温漂。测量电路上尽量采用差动形式，元件布局要合理，以提高抗外界电 磁干扰的能力。 3 2 信号处理及放大电路 在使用铂电阻作为测温元件的测温仪表中，为了克服连接导线电阻随环境温度变化 对温度测量的影响，常采用平衡电桥或不平衡电桥的方法。这两种方法对连接导线电阻 随环境温度变化带来的影响只能在热电阻工作温度范围内的某一点上得到完全补偿，而 在其它点上只能近似补偿。这是由于热电阻所在的支路电流随热电阻的阻值变化而变 化，且连接导线电阻分布在两相邻的桥臂上，这样，虽然相邻桥臂上的连接导线电阻由 环境温度变化引起的变化量相同，但对应的支路电流不同，故仍然存在一定的测量谡 差。另外，由于放大器在工作过程中，由于环境温度的变化，放大器的零点及放大器的 放大倍数也将发生变化，从丽影响温度测量的精度。 为了提高测温精度，研究了比率法( 斜率校雁法) 、差值法。通过实践证明，比率 法只能消除放大器放大倍数变化带来的影响，而不能消除放大器零点漂移带来的影响； 差值法只能消除放大器零点漂移、连接导线电阻变化带来的影响，而不能消除放大器放 大倍数变化带来的影响。在总结了上述方法的优缺点后，提出了差值比率法t 2 32 “。其 电路如图3 1 所示。 电路由恒流源、测温铂电阻、标准电阻及放大器构成。 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 俄 多 至纠 路 仁= 亡= _ 开 b y 2 关 r l 一瓜 一 。 图3 1 信号处理及放大部分电路 图中置一铂电阻；r 。一连接导线电阻( 三根寻线电阻相同) ；斤妒标准电阻 k 一放大器放大倍数。 3 2 1 恒流源电路 恒流源电路如图3 2 所示，它实质是一个电压电流转换器。在一般的铂电阻测温线 路中，如果需要恒流源的话，往往要求恒流源的恒流特性要好，否则就会影响测量精 度，这样对电路中的器件要求就高。由于在该控制器中采用的是差值比率法，此种方法 能够消除恒流源电流变化对测量的影响，所以对电路中的元件要求不高，即采用一般的 元件即可。 图3 2 恒流源电路 采用铂电阻钡4 温，实际上是通过测量铂电阻的阻值来间接测量温度的，当流过铂电 阻的电流较大时，由于铂电阻消耗一定的能量使其本身发热，从而使其阻值增大，影响 测量精度。如果流过铂电阻的电流较小，其灵敏度不高，对放大器的要求高i i 。综合考 虑后此恒流源输出电流的选择l m a 。 一1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 3 22 放大器 放大器的电路如图3 3 所示。由图中看出它是由三个运放构成的两级放大电路，前 面一级主要是为了提高输入阻抗，它对差模信号进行放大而对共模信号进行跟踪；后级 是由一个放大器构成差动放大器。前级放大倍数稍高些，放大作用主要在这一级完成， 后级放大倍数低一些，主要作用是用来消除共模干扰的。因此其对差模信号的放大作用 主要由前一级放大器完成1 2 引。 圈3 3 放大器电路幽 3 2 3 差值比率法工作原理 如图3 1 所示。此种方法是利用恒流源、标准电阻、铂电阻及多路开关组成不同的 输入方式给放大器提供不同的输入量，结合差值、比率的计算方法来消除放大器零点漂 移、连接导线电阻随环境温度的变化、放大器放大倍数变化带来的影响。 由图中看出，组成这个测量系统用了三个通道，当三个通道由单片机分别选通时， 输入到放大器的信号分别为： k 22 i ( 2 r t + 胄s ) ( 3 1 ) 巧32 l ( 2 r i + 丑r ) ( 3 2 ) 2 l ( 2 r i + r s + r ，) ( 3 3 ) 对应的放大器输出信号分别为： 22 盯( 2 r 1 + r d ( 3 4 ) 1 7 沈阳i ：业人学硕士学位论文 i3 = k ；( 2 r l + r ，) y 。2 3 = 1 ( 2 r l + r s + r f ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 由a d 转换器分别把这三个信号进行模数转换，再由单片机分另把这三个数字 量读出，然后进行差值、比率计算。 ( 1 ) 差值比、率法的计算 差值计算： k 2 3 一r o l 2 = k ( 2 r i + r s + r r k i ( 2 r 1 + r s ) ( 3 7 ) v o 一心1 3 = k i ( 2 r 1 + r s + r ，一k i ( 2 r i + r ，) ( 3 8 1 比率计算： 根据式( 3 7 ) 、( 3 8 ) 可得 v 0 2 3 - v 0 1 2 ：坠2 = 坠 ( 3 9 ) 胄rr j 耻等等 ( 3 1 0 ) 出式( 3 - 1 0 ) 看出足只与、电压的差值比率薏 等等有关。 ( 2 ) 误差分析 1 ) 零点漂移和连接导线电阻对测温的影响 假设：放大器的零点由于温度变化产生的零点漂移为a v 。 由于环境温度变化引起的连接导线电阻阻值的变化量为r ，那么则有： 求差值 r o l 2 = k ( 2 r 1 + 足i + r s ) + a v 1 3 = r d ( 2 9 l + a r l + 墨) + a v v 0 2 3 = k i ( 2 r l + a r i + r s + r 。) + a v 1 8 ( 3 1 1 ) (