（测试计量技术及仪器专业论文）蛋粉喷雾干燥智能控制器设计及系统仿真.pdf

中文摘要 在蛋粉生产过程中，先进、可靠、安全、稳定的蛋粉加工自 动检测控制系 统对蛋粉质量、高附加值有着决定性意义。随着我国干蛋品生产企业生产规模 的日益扩大，以及生产过程自 动化水平的不断提高，喷雾干燥已成为提升蛋粉 质量、增加出粉率、降低能耗的重要环节。 论文在分析国内外连续过程控制理论、方法研究成果的基础上，结合蛋粉 加工过程的控制要求，针对喷雾干燥系统的组成和蛋粉形成工艺流程的特点， 对系统温度控制方法进行了多方案比较分析及仿真研究。以一种采用国际先进 蛋粉加工工艺的密闭连续式喷雾干燥系统为研究对象，设计并实现了 采用复合 p i d 模糊控制方法的智能温度控制系统。 系统通过检测进风口、 干燥箱内和出风 口 三处的时变温度，以在线自 动修整装置内部参数的方式对蛋粉雾化喷嘴中蛋 粉的喷量进行控制，从而保证系统即使在加热器温度等因素不可控的复杂工况 下，蛋液水分蒸发所吸收的热量和进风口空气也能通过热分配器补充进的热能 有效地保持收支平衡，最终实现模糊控制方法在蛋品加工过程自 动控制中的实 际应用，控制效果良好。 基 于 研 究 工 作的 进 展 和 实 际 工 程 需 要， 建 立了 喷 雾 干 燥 过 程 的 模 糊 控 制 模 型;提出了基于此模型对蛋粉加工过程进行动态预测的方法，进而为实现加工 过程智能化程度更高的控制提供了理论模型和有效的控制方法。 这一关键技术 填补了我国在蛋粉加工业中喷雾干燥实现自动控制的空白，为更新国外同类设 备提供了技术保证。 关键词:蛋粉加工;喷雾干燥;串 级控制; 温度检测;p i d模糊控制 abs tract d u r i n g e g g p o w d e r p r o c e s s in g , t h e s y s t e m o f a u t o m a t ic d e t e c t i o n a n d c o n t r o l i s r e q u i r e d t o b e a d v a n c e d , d e p e n d a b l e , s a f e t y a n d s t a b l e i n o r d e r t o o b t a i n h i g h q u a l i t y a n d h i g h a d d e d v a l u e o f e g g p o w d e r . wi t h t h e i n c r e a s i n g l y e n la r g i n g t h e p r o d u c t i o n c a p a c i t y i n t h e d r y e g g p r o d u c t i n d u s t r y i n o u r c o u n t ry , a n d t h e c o n t i n u a l l y i n c r e a s i n g o f a u t o m a t i o n d e g r e e i n p r o d u c t i o n p r o c e s s , s p r a y d r y i n g b e c o m e s a n i m p o r t a n t s t e p o f i n c r e a s i n g e g g p o w d e r q u a l i t y a n d o u t p u t , a n d r e d u c i n g e n e r g y l o s s t h e r e s e a r c h e s a b o u t t h e t h e o r y a n d m e t h o d o f p r o c e s s c o n t r o l i n t h e w o r l d a r e a n a l y z e d i n t h i s p a p e r . m e a n w h i l e , i n v i e w o f c o n t r o l d e m a n d d u r i n g e g g p o w d e r p r o c e s s i n g , t e m p e r a t u r e c o n t r o l m e t h o d i s a n a l y z e d m u l t i v a r i a t e l y a n d s i m u l a t e d a c c o r d i n g t o t h e c o m p o s i t i o n o f s p r a y d r y i n g s y s t e m a n d t h e p r o c e s s fl o w f e a t u r e s o f e g g p o w d e r f o r m a t i o n . o n t h e s t r u c t u r e o f c l o s e d c o n t i n u o u s s p r a y d r y i n g s y s t e m w i t h i n t e r n a t i o n a l a d v a n c e d e g g p o w d e r p r o c e s s i n g t e c h n i c s , i n t e l l i g e n t t e m p e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m i s d e s i g n e d w i th c o m p l e x f u z z y p i d c o n t r o l m e t h o d . f u r t h e r m o r e , t h e s y s t e m i s a b l e t o a u t o m a t i c a l l y m o d i f y t h e i n t e rn a l p a r a m e t e r s o n l i n e t o c o n t r o l t h e e g g p o w d e r o u t p u t i n th e s p r a y d r y in g m o u t h a c c o r d i n g t o t h e i n t e g r a t e d t e m p e r a t u r e d e t e c t i o n o f a i r i n l e t , d r y b o x a n d a i r o u t . u n d e r th e c o m p l e x c o n d i t i o n , s u c h a s u n c o n t r o l l a b l e h e a t e r t e m p e r a t u r e , t h e h e a t a m o u n t a b s o r b e d b y e g g l i q u i d b e c a u s e o f e v a p o r i z a t i o n i s k e p t b a l a n c e b e t w e e n i n c o m e a n d e x p e n d i t u r e w i t h t h e h e a t a m o u n t s u p p l i e d i n t o a i r i n l e t b y h e a t d i s t r i b u t o r . i n c o n c l u s i o n , f u z z y c o n t r o l m e t h o d i s a p p l i e d t o a u t o m a t i c c o n t ro l o f e g g p o w d e r p r o c e s s i n g , a n d t h e c o n t r o l r e s u l t i s v e r y g o o d b a s e d o n p re c e d i n g r e s e a r c h w o r k a n d p r a c t i c a l p r o j e c t a p p l i c a t i o n , t h e m e t h o d o f d y n a m i c p r e d i c t i o n i s p u t f o r w a r d b y e s t a b l i s h i n g th e f u z z y c o n t r o l m o d e l o f s p r a y d r y i n g p r o c e s s i n g , w h i c h o ff e r s t h e o r y m o d e l a n d e ff e c t i v e c o n t r o l m e t h o d f o r r e a l i z i n g m o r e i n t e l l i g e n t c o n tr o l o f p r o c e s s i n g . t h e k e y t e c h n o lo g y f i l l s u p t h e b l a n k o n t h e f i e l d o f s p r a y d 中n g a u t o m a t i c c o n t r o l s y s t e m i n e g g p o w d e r p r o c e s s i n g i n d u s t r y i n o u r c o u n t ry , a n d p r o v i d e s t e c h n i c a l a s s u r a n c e f o r u p d a t i n g o v e r s e a s l i k e e q u i p m e n t s k e y w o r d s : e g g p o w d e r p r o c e s s i n g , s p r a y d r y i n g , c a s c a d e c o n t r o l , t e m p e r a t u r e m e a s u r e me n t , f u z z y p i d c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是木人在导师指导下进行的研究_ 作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表 或 撰 写 过的 研究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 一 k % 丛 r 色或 其 他 教 育 机 构的 学 位 或ii 叫l 而使川过的材料。与我一同_ _ 作的同志对本0 1 究1j i 做的任何贡献均已在 论文， ， 作了明确的说明井表示了谢愈。 学位论文作者签名: 签 字 i i !9 1 : - - 年s月习一 学位论文版权使用授权书 本 学 位沦 文 作 者 完 全 了 解一 玉逮丝有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 k, 二 叁 .生 一 可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门 或机构送交论文的复印 件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导 师 签 名 :“ 私， 四 日 71 签 字 日 期 : 沁牙 年夕 月 / 日签 字日 期:加歼 年了 月 天津大学顿士 学位论文第一章绪论 第一章绪论 l 世纪 8 0年代以来，我国养禽业迅速发展，到 1 4 9 2 年禽蛋年产量就突破 1 0 0 0 万吨大关，跃居世界首位，至今一直位居世界第一。目 前全国禽蛋年产量 己 达2 4 0 0 多万吨，占 全世界总产量的4 5 %，蛋业产值超过1 4 5 0 亿元:中国 人 均蛋品 消费己 超过世界平均水平， 与美国、 法国 等发达国家接近门 。 这一串 数字 充分莫定了蛋制品加工在中国具有深远的前景。 蛋制品的种类主要有冰蛋品、液蛋品和干蛋品，其中干蛋品以蛋粉为主， 分为全蛋粉、蛋黄粉和蛋白 ( 清) 粉。蛋粉是指鲜蛋经过拣蛋、洗蛋、消毒、 喷淋、吹干、打蛋、分离、过滤、巴氏灭菌、发酵、均质、喷雾干燥等十多道 工序制成的干蛋制品 圈 。 蛋粉作为鲜蛋的替代品， 有着更为突出的 优越性， 其最 大优点是便于大批量运输和储存，一般在干燥通风的条件下，保鲜期可长达 一年，解决了蛋品季节性问题;蛋白粉和蛋黄粉可适应不同人的不同需要。 如，蛋白 粉是高蛋白 、 低热量的食品， 特别适合中、老年人食用:蛋黄粉则一 般适合青少年食用;最大限度地为食品加工厂提供安全又健康的最新功能配 料，如制作糕点、 冰淇淋、方便面等:从蛋粉中精炼提取的蛋白质可作为药 品 或美容品的原材料， 对人体有保健和治疗作用。我们会看到国内蛋业加工将 翻开崭新的篇章，蛋制品的应用定会进入全新的局面;食品加工业、餐饮业、 休闲零售业也将面临简易的创新选择，这种选择不仅使消费者得到更加安全、 健康的保证，而且使食品加工企业得到更为卫生、便捷、质优、经济的蛋制品 原料。 目 前，我国人民生活在总体上己经达到小康水平， 对食品的需求正在向营 养、多样、安全转变。食品工业己成为国民经济中相对旺盛的增长点，同时， 我国蛋业加工也进入了新的时代，通过上规模、上档次来不断提高产品质量， 满足消费者的需求。如今，蛋粉生产企业在蛋品加工过程中越来越多地应用先 进的全自 动生产方式， 一些大的生产厂家在蛋壳清洗、磕蛋分离、巴氏灭菌、 发酵脱糖、喷雾干燥、自 动蒸煮剥皮和灌装等工段实现了全套的自 动控制，配 以先进的全程检测一起，专业生产巴氏灭菌液蛋、干蛋以及熟蛋系列产品，日 处理新鲜鸡蛋达百万枚3 夭津大学硕士学位论文第一章绪论 1 . 1 蛋粉加工自动化技术国内外发展状况 我国蛋品工业同国外发展情况相比，在多个方面差距仍较大。首先，在蛋 品研究方面， 缺乏对关键性技术和新产品、新工艺的重点研究;其次，深加工 品种少，主要产品仍是鲜蛋、皮蛋和咸蛋。据估计，我国深加工蛋品的比例只 占 禽蛋总量的0 .2 5 % 至0 .7 %左右， 远远落后于发达国 家的2 5 %， 同我国禽蛋产 量大国的身份极不协调。第三，目 前没有一项禽蛋领域国家级重点攻关项目， 地方禽蛋加工攻关课题也只有一两个城市有。 第四，蛋品产业高科技未引起人 们足够的 重视，工业化程度普及率不高， 加工设备还很落后e4 1 目 前，我国八九成的蛋品生产企业还是作坊式生产，这和我国传统蛋品的 生产方式有关，如皮蛋、咸蛋等几个品种的蛋制品基本上是属于这种作坊式的 生产，这就很难做到大规模机械化生产，导 致企业回报率很低。尽管国内一些 企业看好蛋品的深加工市场，调整了产品和产业结构，开始专业生产干蛋品， 但其多数在蛋粉加工过程中，仍完全采用手动操作的电气控制方式，不仅产品 产量低，而且伴随着质量差、能耗高、污染严重、劳动强度大等弊端，一直处 于半开工、半停产的状态。 先进、可靠、安全、 稳定的蛋粉加工自 动检测控制系统对蛋粉质量、高附 加值有着决定性意义。 伴随工艺技术不断革新，蛋粉加工已 从传统敞开耗能式 向卫生封闭节能式方向发展，从单一手动控制改造成为全自 动检测控制系统， 如今， 加工蛋粉的先进自 动化生产和开发技术备受关注。 采用全自 动检测控制， 对保证工艺准确性和提高产品质量稳定性方面有重要作用。新技术新工艺的应 用，已 成为蛋粉加工企业提高市场竞争力，降 低消耗的重要手段。 国外发达国家蛋粉生产企业中，己基本实现了蛋粉生产过程全自 动化 ( 所 有连接配管、 无手动连接， 通过自 动阀连接) ， 整个生产线中有消毒、喷淋、吹 千、磕蛋分离、定位清洗 ( c i p ) 、巴氏灭菌、发酵脱糖、喷雾干燥、自 动灌装 等工艺过程， 其中各种变化量的测量和参数的控制完全按步骤进行，系统由中 央控制室的上位机、经理级管理工作站和现场下位机组成，整个过程由 若干台 下位控制机实现数据采集、处理及状态显示等功能，其数据通过局域网传送到 监控级的中央控制室内的上位机中，上位机接收整个加工过程各工段、各车间 天寻 拳 大学diyl 十学位论文第丫 章绪论 下位机传递来的数据， 进行汇总处理和监控，并发送到各经理级管理工作站， 经理级管理工作站可对其所能访问 及接收到的数据进行统计、编辑， 并进行报 表的制作，同时与企业的物资管理系统相融合，进行物流管理。相比之下，国 外的蛋品企业，其产品多是液态蛋、蛋粉等产品，工业化程度相当高，产品的 附 加值大， 企业利润也很丰厚， 带来更多的科研经费投人， 这是一种良 性循环， 我们应当学习国外的先进经验。 随着科学技术的不断进步， 我国 对蛋品的深加工要求也逐渐提高， 个别厂 家从国外引进了全套蛋品加工设备，如世界蛋业加工行业中 久负盛名的丹麦的 赛诺威 ( s a n o v o ) 设备， 基本实 现了 加工 过程自 动化w ， 其自 动 化程 度较高 的主要环节有装蛋、清洗、打蛋、分离等。 一些厂家实行部分引进，同时根据 自 身的实际情况进行自 动控制系统改造，而改造不仅要设计控制系统，而且以 往的工艺设备、检测仪表，甚至管道阀门等设各都需要更换，如果要实现高可 靠性的控制， 高价格是制约自 动化改造的主要问 题。因 此， 这些厂家采取了 不 同工段逐步实现自 动控制的办法，首先从巴氏灭菌、定位清洗工段开始，逐渐 对发酵脱糖、 喷雾干燥等工段进行， 然后再对其它工段进行自 动控制。 尽管部 分厂家在原来的设备基础上进行了技术改造， 有了一些设备的 更新，也有了自 动控制应用，但仍存在着不少问题，特别是在蛋液喷雾千燥环节， 主要有: i 、 多数企业仍采用仪表控制。 虽然仪表控制技术比较成熟， 但在特殊情况 下， 控制效果不能满足产品要求， 无法适应进一步技术升级的需要。 2 . 国内开发的一些设备采用不同的控制器， 没有考虑现代化生产管理和降 低能源消耗等因素， 通用性不高，易用性差， 难于适应各蛋粉加1的生产环境。 3 、 有些企业在蛋粉加工的子系统上采用分布控制系统 ( d c s ) 。 但该工序 控制系统属于蛋品加工d c s 控制系统的一部分， 这样就造成控制设备 成本高， 不适应新的工艺技术发展。 4 、 全部引进的设备不仅费用太高， 设备配套繁琐难度大，而且，目 前国外 设备在蛋粉加工的喷雾干燥工序仍采用手工操作或简单的p i d控制， 缺乏智能 的测控系统，如丹麦的 (c s a n o v q )设备。 总之， 蛋品 加工行业中， 在蛋粉加工控制方法上， 大多数是采用常规的p i d 方法圈 ， 难以 解决大惯性系统超调、控制精度等问 题，更谈不上充分利用能源。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 . 2 控制策略的发展状况 从2 0 世纪4 0 年代开始，以经典控制理论为基础，采用频域分析方法进行 分析的单输入单输出 ( s i s o ) p i d控制方法为连续过程控制的主要方法，至今 仍广泛使用。从5 0 年代开始，逐渐发展起来的串级、比值、前馈和s m it h 预估 计控制为单变量复杂过程提供了较好的适用于各种系统不同特点的控制方法。 5 0 年代末发展起来的以 状态空间方法为主体的现代控制理论，为过程控制提供 了 状态反馈、输出反馈、解祸控制等一系列多变量过程设计方法，7 0 年代后人 们除了 加强对过程的建模、系统辩识、自 适应控制、鲁棒性等的 研究外，开始 面向工业过程的特点，寻找各种对模型要求低、在线计算方便、控制综合效果 好的算法， 建立在非参数模型脉冲响应基础上的模型预测启发式控制 ( w h o 和建立在非参数模型阶跃响 应基础上的 动态矩阵 控制 ( d m c ) 17 , 8 1 的研究， 为解 决实时动态环境下带约束多变量祸合系统控制问题提供了有效的控制方法，这 类算法用直接从生产现场检测得到的过程响应来描述过程动态行为，不需事先 知道过程模型结构和参数，也不必通过复杂的辩识来建立过程的数学模型，即 可根据某一优化指标设计系统，确定一个控制量的序列，使未来一段时间内被 控量与经过柔化后的期望轨迹之问的误差平方和为最小。预测控制算法采用的 是不断在线滚动优化，而且在优化过程中不断通过实测系统输出与预测模型输 出的误差来进行反馈校正，所以能在一定程度上克服模型误差和某些不确定性 干扰等的影响，使系统的鲁棒性得到增强， 8 0 年代出 现的另一类基于离散参数 模型的预测控制算法， 主要有c l a r k e 的 广义预测控制 ( g p c ) , l e l i c 的广义极 点 配置控制 g p p ) 等19 1 l101 川 。 这些预测控制算法的 预测模型采用具有一定结构 和参数的离散受控自 回归积分滑动平均模型 ( c a r ma d ) ，或受控自 回归滑动 平均模型 ( c a r ma) 。由于参数模型是最小化模型，需要己知模型结构，但需 要确定的参数远较非参数模型要少， 减少了 预测控制算法的计算量。 这些基于 辨识过程参数模型，并带有自 校正机制、在线修正模型参数的预测控制算法， 使系统的控制性能和模型匹配的鲁棒性有所提高，对系统的动态性能也有所改 善，从而广泛应用于工业过程控制中。与此同时在线辩识、优化算法、控制结 构分析、参数整定和系统稳定性、鲁棒性的研究，使基于模型的控制理论体系 天津大学硕士李位论文 第一章绪论 基本形成。 特别是近些年随着计 算机技术的发展， p i d自 整定软件的出 现为p i d 控制方法的应用提供了 有力的支持。 随着工业过程规模的不断扩大，控制过程复杂程度的不断增加，以及控制 质量要求的不断提高，对强祸合、大滞后、非线性等特征的被控过程来讲，采 用通过变增益控制或针对特定过程基于传统的p i d调节和系统模型的控制策略 很难奏效。近年来， 人工智能技术的 研究与发展， 为解决许多科学.与 工程领域 的复杂问 题提供了 有效可行的理论和方法，专家系统、 神经两 络、模锥控制是 最有潜力的 三种工具 14 119 。 专家系统 在过程诊断、 监督控制、 仪 表检测等方面 具有很多 有效的 应用: 神经网络可为 复杂非 线性系统的 建模提供了有效豹方法， 进而可用于过程软测量和控制系统的设计; 由 于实4l 业过程往往具有非线性、 时变性和不确定性， 而且多数过程是多变量的， 所以 难以建立精确的数学模型， 即 便一些对象能够建立起精确的数学模型， 其结构往往也是十分复杂的难以设 计井实现有效的 控制。自 适应、自 校正控制虽然能在一定程度上解决不确定问 题，但算法复杂计算量大，且对过程未建模动态和扰动的适应能力差，系统的 鲁律性问 题尚 待 进一 步 解决， 应用受 到限 制(i41 。 模 糊 控制 可 有效 表达 确定 性 经 验 和不确定 性经验并 提炼 这些经验使 之成为 知识， 从 而改善了 采用 传统方法难 以 解决的 控制问 题， 成为目 前过程控制中 应用最多的 控 制策略， 并取得了 较好 豹控制效果。 1 . 3 课题的来源和研究意义 天津艾格生化有限 公司是蛋品加工企业， 根据该公司蛋粉生成t - 艺的 特殊 要求， 我们通过立项的形式对蛋粉加工电 气控系统进行 研制， 制造了巴氏 灭菌、 定位清洗、发酵脱糖、 喷雾千燥等工段的设备，特别是设计出了喷雾干燥智能 控v i 装置， 其解决的核心问 题是， 在复杂的工况下克服各种扰动不确定因素， 完成提升蛋粉质量、 增加出 粉率、 降 低能耗的三元性能指标， 它采用对进风口 、 干燥箱内 和f风口 三处时变a度的综合检测，在线自 动修整装置内 部参数的方 式来控制蛋粉雾化喷嘴中蛋粉的喷量，使蛋液水分蒸发所吸收m热量和进风m 空气通过热分配器补充进的热能合理地保持收支平衡， 提高产品质嫩，实现高 天津大学硕士李位论文 第一章绪论 基本形成。 特别是近些年随着计 算机技术的发展， p i d自 整定软件的出 现为p i d 控制方法的应用提供了 有力的支持。 随着工业过程规模的不断扩大，控制过程复杂程度的不断增加，以及控制 质量要求的不断提高，对强祸合、大滞后、非线性等特征的被控过程来讲，采 用通过变增益控制或针对特定过程基于传统的p i d调节和系统模型的控制策略 很难奏效。近年来， 人工智能技术的 研究与发展， 为解决许多科学.与 工程领域 的复杂问 题提供了 有效可行的理论和方法，专家系统、 神经两 络、模锥控制是 最有潜力的 三种工具 14 119 。 专家系统 在过程诊断、 监督控制、 仪 表检测等方面 具有很多 有效的 应用: 神经网络可为 复杂非 线性系统的 建模提供了有效豹方法， 进而可用于过程软测量和控制系统的设计; 由 于实4l 业过程往往具有非线性、 时变性和不确定性， 而且多数过程是多变量的， 所以 难以建立精确的数学模型， 即 便一些对象能够建立起精确的数学模型， 其结构往往也是十分复杂的难以设 计井实现有效的 控制。自 适应、自 校正控制虽然能在一定程度上解决不确定问 题，但算法复杂计算量大，且对过程未建模动态和扰动的适应能力差，系统的 鲁律性问 题尚 待 进一 步 解决， 应用受 到限 制(i41 。 模 糊 控制 可 有效 表达 确定 性 经 验 和不确定 性经验并 提炼 这些经验使 之成为 知识， 从 而改善了 采用 传统方法难 以 解决的 控制问 题， 成为目 前过程控制中 应用最多的 控 制策略， 并取得了 较好 豹控制效果。 1 . 3 课题的来源和研究意义 天津艾格生化有限 公司是蛋品加工企业， 根据该公司蛋粉生成t - 艺的 特殊 要求， 我们通过立项的形式对蛋粉加工电 气控系统进行 研制， 制造了巴氏 灭菌、 定位清洗、发酵脱糖、 喷雾千燥等工段的设备，特别是设计出了喷雾干燥智能 控v i 装置， 其解决的核心问 题是， 在复杂的工况下克服各种扰动不确定因素， 完成提升蛋粉质量、 增加出 粉率、 降 低能耗的三元性能指标， 它采用对进风口 、 干燥箱内 和f风口 三处时变a度的综合检测，在线自 动修整装置内 部参数的方 式来控制蛋粉雾化喷嘴中蛋粉的喷量，使蛋液水分蒸发所吸收m热量和进风m 空气通过热分配器补充进的热能合理地保持收支平衡， 提高产品质嫩，实现高 天津大学硕士学位论又第- - 章绪论 效节能(15 本文首先对蛋品tl i3 工过程进行了简单描述，然后针 一对天津艾格生化有re公 司加工蛋粉的过程工艺特点和控制要求，结合测控理论基础及控制策略，对常 规单回路p i d控制、串 级控制、 模糊p i d 控制、 带s m i t h 模糊p i d串级 控制进 行研究和比 较， 分析了多种控制技术，通过对时变系统仿 真对照，从实际应用 的角度出发，选择了 温度控制喷雾压力的最佳协调控制方案，提出了 采用复合 模糊p i d串 级控制的智能温度控制方 法， 研制了 多点温度采集和自 动控制装置r 实现了 精确快速的控制效果， 达到了 蛋粉系列化生产的要求。 这一关键技术更 新了国外同 类设备， 填补了我in在蛋粉加工业中喷雾干燥控制系统上的空自， 具有蛋制品工业化生产的示范性。 通过科技查新， 检索结果显示，有关的研究 较少，基本上是采用简单的逻辑控制方 法以 及p i d控制方法，没有文中 提到的 先进的控制方法。 1 . 4 本文的主要研究内容 i 、 在蛋粉加工控制技米方面进 行了 深入 研究和大胆实践， 结合过程控制工 艺要求， 成功地自 行研制了巴氏灭菌、定位清洗、发酵脱糖、喷雾干燥等工段 的设备。 2 、 实现了 多点 温 度检测， 以 控制理论为 依据， 完成了 温度 控制蛋 粉喷出 量 的目 的，并率先将模糊p i d串 级控制技术引 入蛋品加工领域。 3 、 采用了以 压力调节为副回路、以 a度雀 空 制为主回路的串 级控制系统， 提 出了 在 烘干蒸 汽 温度不可 控的 大扰动复杂 条件影响下，由 主回 路的 模糊p i d控 制器完成 “ 细调” 任务的思想，其输f量作为 副调节器的给定量，准确地调节 压力， 满足喷雾量自 动跟踪温度变化的要求，有效地提高了能源的利用率。 4 、 针对实际工程应用提出了多种控制方案， 通过设计计算进行了 对比 分析 及仿真研究，得出了:常规模糊控制器与p i d控制器相比，对控制对象参数和 模型结 构变 化具 有 更孩的 适 应能力 ， 鲁 棒性 好， 但存 在 静差， 将两 者结 合 组成 复合模糊控制器则可以 较好地消除静差，稳定性好、可靠性高， 达到了更好的 控制效果。 天津大学硕士学位论又第- - 章绪论 效节能(15 本文首先对蛋品tl i3 工过程进行了简单描述，然后针 一对天津艾格生化有re公 司加工蛋粉的过程工艺特点和控制要求，结合测控理论基础及控制策略，对常 规单回路p i d控制、串 级控制、 模糊p i d 控制、 带s m i t h 模糊p i d串级 控制进 行研究和比 较， 分析了多种控制技术，通过对时变系统仿 真对照，从实际应用 的角度出发，选择了 温度控制喷雾压力的最佳协调控制方案，提出了 采用复合 模糊p i d串 级控制的智能温度控制方 法， 研制了 多点温度采集和自 动控制装置r 实现了 精确快速的控制效果， 达到了 蛋粉系列化生产的要求。 这一关键技术更 新了国外同 类设备， 填补了我in在蛋粉加工业中喷雾干燥控制系统上的空自， 具有蛋制品工业化生产的示范性。 通过科技查新， 检索结果显示，有关的研究 较少，基本上是采用简单的逻辑控制方 法以 及p i d控制方法，没有文中 提到的 先进的控制方法。 1 . 4 本文的主要研究内容 i 、 在蛋粉加工控制技米方面进 行了 深入 研究和大胆实践， 结合过程控制工 艺要求， 成功地自 行研制了巴氏灭菌、定位清洗、发酵脱糖、喷雾干燥等工段 的设备。 2 、 实现了 多点 温 度检测， 以 控制理论为 依据， 完成了 温度 控制蛋 粉喷出 量 的目 的，并率先将模糊p i d串 级控制技术引 入蛋品加工领域。 3 、 采用了以 压力调节为副回路、以 a度雀 空 制为主回路的串 级控制系统， 提 出了 在 烘干蒸 汽 温度不可 控的 大扰动复杂 条件影响下，由 主回 路的 模糊p i d控 制器完成 “ 细调” 任务的思想，其输f量作为 副调节器的给定量，准确地调节 压力， 满足喷雾量自 动跟踪温度变化的要求，有效地提高了能源的利用率。 4 、 针对实际工程应用提出了多种控制方案， 通过设计计算进行了 对比 分析 及仿真研究，得出了:常规模糊控制器与p i d控制器相比，对控制对象参数和 模型结 构变 化具 有 更孩的 适 应能力 ， 鲁 棒性 好， 但存 在 静差， 将两 者结 合 组成 复合模糊控制器则可以 较好地消除静差，稳定性好、可靠性高， 达到了更好的 控制效果。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 5 、 针对天津艾格生化有限公司研制开发的蛋粉喷雾干燥系统， 采用性价比 和集成度高的电子器件，设计了应用于自动测控系统的温度控制蛋液喷量的复 合模糊p i d串级之智能控制器，它取代传统的测量仪表，通用性强，适合于多 种控制场合，创造了经济效益。 6 、 模糊p i d 控制器由a t 8 9 c 5 2为核心的 单片机及基于s p i v ; 变化范围0 -6 0 m v ， 关系表 达式为 v , = v1 7 .1 8 = v一 1 5 0 m v=- 7 5 m v + 7 5 mv i o o d x r t ( 4 - 1 ) 于是， 选用三只a d 6 9 3 组成了三处温度转换电路， 而且针对a d 7 7 0 6 具体特 点，将a d 6 9 3 的负载 ( 或a d 7 7 0 6 的采样)电阻选为1 2 5 6 2 ，对应的电压变化范 围为0 . 5 - 2 . 5 v o 4 . 2 控制器硬件设计 控制器硬件电路主要由单片机和基于 s p i总线的智能接口芯片组成。s p i 总线是m o t o r o l a 公司提出的一个同步串行外设借口， 容许c p u 与各种外围接口 器件 ( a / d , d / a , e 2 p r o m , 键盘显示驱动等)以串 行方式进行通信、 交换信息。 它一般使用 4 条线:串 行时钟 ( s c k )线，主机输入/ 从机输出 ( m 工 s o ) 线，主 机输出/ 从机输入 m o s t )线和低电平有效的使能信号 ( c s)线。由于s p i 系 统只需要4 条数据线和控制线就可扩展具有s p i 接口的各种i / 0 器件， 因此s p i 总线的使用可以简化电路设计，提高系统的可靠性。 1 、基于s p i 技术的主控制器设计 以单片机a t 8 9 c 5 2 为核心构成控制系统， 系列单片机，内部集成有8 k b 的程序存储器。 扩展串 行接口 器件 a d 7 7 0 6 , a d 4 2 0 和 x 2 5 0 4 5 h d 7 2 7 9 o 如图4 - 2 所示。a t 8 9 c 5 2 是8 0 5 1 用单片机 p 1 口模拟 s p i 工作方式 ，p o口 扩展串行键盘及显示器件 天津大学硕士学位论文第四章蛋粉加工过程智能控制系统硬件的设计 根据喷雾干燥系统实际温度变化的情况，采用第 2种接法，对应温度测量 范围是 0 - - + 2 1 1 . 3 2 c ，电阻变化范围 1 0 0 -1 8 0 q v ; 变化范围0 -6 0 m v ， 关系表 达式为 v , = v1 7 .1 8 = v一 1 5 0 m v=- 7 5 m v + 7 5 mv i o o d x r t ( 4 - 1 ) 于是， 选用三只a d 6 9 3 组成了三处温度转换电路， 而且针对a d 7 7 0 6 具体特 点，将a d 6 9 3 的负载 ( 或a d 7 7 0 6 的采样)电阻选为1 2 5 6 2 ，对应的电压变化范 围为0 . 5 - 2 . 5 v o 4 . 2 控制器硬件设计 控制器硬件电路主要由单片机和基于 s p i总线的智能接口芯片组成。s p i 总线是m o t o r o l a 公司提出的一个同步串行外设借口， 容许c p u 与各种外围接口 器件 ( a / d , d / a , e 2 p r o m , 键盘显示驱动等)以串 行方式进行通信、 交换信息。 它一般使用 4 条线:串 行时钟 ( s c k )线，主机输入/ 从机输出 ( m 工 s o ) 线，主 机输出/ 从机输入 m o s t )线和低电平有效的使能信号 ( c s)线。由于s p i 系 统只需要4 条数据线和控制线就可扩展具有s p i 接口的各种i / 0 器件， 因此s p i 总线的使用可以简化电路设计，提高系统的可靠性。 1 、基于s p i 技术的主控制器设计 以单片机a t 8 9 c 5 2 为核心构成控制系统， 系列单片机，内部集成有8 k b 的程序存储器。 扩展串 行接口 器件 a d 7 7 0 6 , a d 4 2 0 和 x 2 5 0 4 5 h d 7 2 7 9 o 如图4 - 2 所示。a t 8 9 c 5 2 是8 0 5 1 用单片机 p 1 口模拟 s p i 工作方式 ，p o口 扩展串行键盘及显示器件 天津大学硕士学位论文第四章蛋粉加工过程智能控制系统硬件的设计 图4 - 2 单片机控制系统构成 a d 7 7 0 6 用于构成采样电路， 具有三个模拟量输入通道， 采集三处的温度值。 a d 4 2 0 用于构成输出控制电路，输出4 -2 o m a d c电流控制信号。 x 2 5 0 4 5 是有5 1 2 字节的e e p r o m ，内部集成了看门狗定时器、 复位电路和电 源电压监控电路，用于备份系统参数和预置的工艺参数。 p o 口 扩展一片h d 7 2 7 9 ， 它是串 行接口的键盘、显示驱动芯片， 可以同时驱 动8 位共阴极l e d 数码管和构成8 x8 矩阵键盘， 主要用于各种参数的设置和显 不 。 p 2 . 0 -p 2 . 5 作为开关量输出，通过发光二极管显示温度上下限报警。 p 3 . 3 -p 3 . 7 作为开关量输入接口， 通过接入几个按钮来进行加工的“ 开始， 、 “ 中止” 、 “ 手动操作” 和 “ 软硬件开关”等。 单片机的u a r t串 行口 扩展成r s - 2 3 2 通信接口 ， 用于将温度数据上载到上 位计算机， 或者接受上位机的数据和指令， 通信波特率由 单片机定时器t 2 产生。 2 、采样电路设计 采样电路的核心为1 6 位s i g m a - d e l t a ( 总和一 增量) 型串 行接口的a / d 转换 器a d 7 7 0 6 。 内 部由多路模拟开关、 缓冲器可编程增益放大器( p g a ) , s i g m a - d e l t a 调制器、 四阶b u t t e r w o r t h 滤波器、 基准电压输入、 时钟电路及串行接口组成。 其中串行接口 包括寄存器组， 它由通信寄存器、 数据输出寄存器、 设置寄存器、 时钟寄存器、零点校正寄存器和满刻度校正寄存器组成。该芯片还包括 3 个输 入通道。 a d 7 7 0 6 的p g a 可通过指令设定，对不同幅度的输入信号实现 1 , 2 , 4 , 8 , 1 6 , 3 2 , 6 4 和1 2 8 倍的 放大， 因此， 它既可以 接受从传感器送来的 低电 平输 入信号， 也可接受高电 平 ( i o v ) 信号。它运用s i g m a - d e l t a 技术可实现1 6 位 无误码，此技术的采样频率大大超过输入信号频率。它以d e l t a调制器的输出 为信号增量，通过误差检测中的求和点s i g m a 被转换为反馈信号， 将此反馈信 号与 采 样信号 相比 较， 其差被输入到积分 器 o a d 7 7 0 6 的 输出 速度同 样可由 指 令设定， 范围从2 0 h z 到5 0 0 h z o a d 7 7 0 6 可通过指令设定对零点和满刻度进行校 正。支持双/ 单极性的模拟信号缓冲/ 无缓冲输入方式以 及8 种数据更新速度。 电路中a / d 转换的参考电压为2 . 5 v ， 由l m 3 3 6 - 2 . 5 提供。 外接2 m h z 晶体振 荡器。三只a d 6 9 3 输出的4 -2 0 m a电流信号，分别经采样电阻r l 转换为0 . 5 - 2 . 5 v电压， 进入a d 7 7 0 6 的a i n i、 a i n 2 和a 工 n 3 。 各自r c电路用来滤除噪声干 天津大学硕士学位论文 扰。 典型接线电路如图4 - 3 所示4 4 7 第四 章蛋粉加工过程智能控制系统硬件的设计 ad 6 9 3 图4 - 3采样电 路 3 、输出控制电路设计 变送器电 路采用美国a d 公司的高性能数模转换器a d 4 2 0 芯片9 5 。 其内 部由 移位寄存器、开关电 流源、 滤波器等组成，d / a转换采用 e 一 a d a c结构，1 6 位分辨率， 标准三线串行数据输入接口， 输出环路电流范围能设置成4 -2 0 m a或 0 -2 0 m a 。典型接线如图4 - 4 所示。 图4 - 4 a d 4 2 0 与单片机接口 电 容c 1 , c 2 与片内d a c 构成滤波器， c p u 可以 在时钟端c l o c k 的上升沿将 数据装入数据端d a t a ，输入至内部移位寄存器，在l a t c h 上升沿锁存到d a c 锁 存器， 从而完成数字信号到4 - 2 0 m a 标准电 流信号的 转换49 4 、看门狗复位电路设计 x 2 5 0 4 5 把三种常用的功能: 看门狗定时器、 电压监视和 e e p r o m 组合在单个 封装内，这种组合降低了系统成本并减少了对控制板空间的要求。另外，它还 天津大学硕士学位论文第四 章蛋粉加工过程智能控制系统硬件的设计 具有e s d 保护功能，数据保存期1 0 0 年，可擦写次数为1 0 万次， 而月 _ 是8 引脚 小型 d i p封装。看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统出现 故障时，在可选的超时周期 ( t i m e -o u t i n t e r v a l )之后，x 2 5 0 4 5 看门狗将以 r e s e t 信号作为响应， 单片机重新启动。 用户可以从三个预置的值( 2 0 0 m s , 6 0 0 m s , 1 . 4 s )中选择看门狗定时时间。 r 75 .1 k 川哑豁 i r e s e t; 一 图4 - 5 x 2 5 0 4 5 与单片机接口 利用x 2 5 0 4 5 低v c c 检测电路，可以保护系统使之免受低电 压状况的影响。 当v c c降低到转换点 ( 2 . 7 v )以下时，系统复位，防止 c p u误动作，复位一直 确保到v c c 返回稳定为止。 x 2 5 0 4 5 的存储器部分是c m o s 的4 0 9 6 位串 行e e p r o m , 它在内部按5 1 2 x 8 来组织。 x 2 5 0 4 5 的特点是具有允许简单的三线总线工作方式 的串行外设接口和软件协议。系统连接如图4 - 5 所示。 5 、键盘及显