啤酒发酵设计

1、摘 要 啤酒是现在人们生活中不能缺少的饮料之一，而啤酒的发酵是影响啤酒口感的关键工艺。啤酒发酵是酵母的作用下将小麦麦芽汁到啤酒的过程新的取代旧的。,控制发酵的温度在啤酒发酵过程是一个关键的过程来确定啤酒的味道,啤酒发酵过程是复杂和非线性和时变,因此,传统温度测量的温度控制精度低,控制效果不理想,导致啤酒质量不稳定。因此,研究如何改进和优化啤酒发酵过程检测和控制策略的现实意义。 深入研究分析了解我国目前啤酒行业啤酒发酵温度控制的工艺现状，详细讨论啤酒发酵温度控制系统的功能需求和结构。对啤酒发酵的温度控制过程建立数学模型进行分析。对结构以及常见控制策略进行总结。 本文结合知识通过使用模糊控制器使用

2、仿真软件,模糊控制器来控制发酵的温度在发酵罐,用MATLAB模拟。实验结果表明,在此系统中,模糊控制器来控制温度具有明显的优势,稳定的质量控制系统,优于传统的PID。关键词 ： MATLAB软件；Simulink模糊控制器；啤酒发酵ABSTRACT Beer is one of the indispensable in the life of people drink now, but the beer fermentation is the key technology of beer taste. Beer yeast fermentation is theprocess of wheat

3、 malt wort into beer the new replacing the old. , control the temperature of fermentation in beer fermentation process is a key process to determine the thetaste beer, beer fermentation process is a complex and nonlinear and time-varying, the traditional temperature measurement,temperature control p

4、recision is low, the control effect is not ideal, leading tounstable quality of beer. Therefore, research on how to improve and optimize thepractical significance of beer fermentation process detection and control strategy. In-depth research and analysis to understand Chinas current beer industry pr

5、ocess of beer fermentation temperature control, a detailed discussion of the demand of the function of the beer fermentation temperature control system and structure.Set up the process of beer fermentation temperature control mathematical model is analyzed.To summarize structure and common control s

6、trategy. Based on the knowledge through the use of fuzzycontroller using the principle of simulation software, the fuzzy controller to control the temperature of the fermented in fermentation tank, by MATLAB simulation.The experimental results show that in this system, the fuzzy controller to contro

7、l the temperature controlmethod has obvious advantages, stable quality control system, than the traditional PID.HYPERLINK /translate#HYPERLINK /translate#Key words :MATLAB Simulation；Simulink；Beer fermentation目录 TOC o 1-3 h z HYPERLINK l _Toc201224841 摘要 PAGEREF _Toc201224841 h 1 HYPERLINK l _Toc201

8、224842 Abstract PAGEREF _Toc201224842 h 2 HYPERLINK l _Toc201224843 引言 PAGEREF _Toc201224843 h 1 HYPERLINK l _Toc201224844 1 概述 PAGEREF _Toc201224844 h 2 HYPERLINK l _Toc201224845 1.1课题的来源、目的及意义 PAGEREF _Toc201224845 h 2 HYPERLINK l _Toc201224846 1.2计算机控制系统在发酵过程中的应用 PAGEREF _Toc201224846 h 3 HYPERLI

9、NK l _Toc201224847 1.3发酵过程模糊控制应用 PAGEREF _Toc201224847 h 4 HYPERLINK l _Toc201224848 1.4本章小结 PAGEREF _Toc201224848 h 4 HYPERLINK l _Toc201224849 2 啤酒发酵过程工艺及控制方案 PAGEREF _Toc201224849 h 5 HYPERLINK l _Toc201224850 2.1啤酒生产工艺简介 PAGEREF _Toc201224850 h 5 HYPERLINK l _Toc201224851 2.2啤酒发酵过程的温度控制工艺要求 PAGE

10、REF _Toc201224851 h 6 HYPERLINK l _Toc201224852 2.3啤酒发酵过程的温度控制系统特点与要求 PAGEREF _Toc201224852 h 8 HYPERLINK l _Toc201224853 2.3.1啤酒发酵过程温控对象的特点 PAGEREF _Toc201224853 h 8 HYPERLINK l _Toc201224854 2.3.2啤酒发酵温控系统的基本控制要求 PAGEREF _Toc201224854 h 9 HYPERLINK l _Toc201224855 2.4啤酒发酵温度控制系统的数学模型分析 PAGEREF _Toc2

11、01224855 h 10 HYPERLINK l _Toc201224856 2.4.1发酵罐内发热与散热过程 PAGEREF _Toc201224856 h 10 HYPERLINK l _Toc201224857 2.4.2发酵罐内反应热的传递函数 PAGEREF _Toc201224857 h 10 HYPERLINK l _Toc201224858 2.4.3发酵罐内发热与制冷的温度控制过程 PAGEREF _Toc201224858 h 11 HYPERLINK l _Toc201224859 2.5啤酒发酵过程温度控制策略 PAGEREF _Toc201224859 h 11 H

12、YPERLINK l _Toc201224860 2.6本章小结 PAGEREF _Toc201224860 h 13 HYPERLINK l _Toc201224861 3 模糊控制器的设计 PAGEREF _Toc201224861 h 14 HYPERLINK l _Toc201224862 3.1模糊控制的特点 PAGEREF _Toc201224862 h 14 HYPERLINK l _Toc201224863 3.2模糊控制理论 PAGEREF _Toc201224863 h 15 HYPERLINK l _Toc201224864 3.2.1 模糊理论 PAGEREF _Toc

13、201224864 h 15 HYPERLINK l _Toc201224865 3.2.2模糊控制系统的基本组成 PAGEREF _Toc201224865 h 17 HYPERLINK l _Toc201224866 3.3模糊控制器的设计内容 PAGEREF _Toc201224866 h 18 HYPERLINK l _Toc201224867 3.3.1模糊控制的输入输出语言变量及其隶属度函数 PAGEREF _Toc201224867 h 18 HYPERLINK l _Toc201224868 3.3.2模糊控制规则的设计 PAGEREF _Toc201224868 h 20 H

14、YPERLINK l _Toc201224869 3.3.3精确量的模糊化方法和去模糊化方法 PAGEREF _Toc201224869 h 21 HYPERLINK l _Toc201224870 3.3.4论域、量化因子、比例因子的选择 PAGEREF _Toc201224870 h 22 HYPERLINK l _Toc201224871 3.4本章小结 PAGEREF _Toc201224871 h 23 HYPERLINK l _Toc201224872 4 模糊控制器的设计及仿真 PAGEREF _Toc201224872 h 24 HYPERLINK l _Toc20122487

15、3 4.1模糊控制器的设计 PAGEREF _Toc201224873 h 24 HYPERLINK l _Toc201224874 4.2 MATLAB仿真 PAGEREF _Toc201224874 h 24 HYPERLINK l _Toc201224875 4.3本章小结 PAGEREF _Toc201224875 h 29 HYPERLINK l _Toc201224876 结论 PAGEREF _Toc201224876 h 30 HYPERLINK l _Toc201224877 参 考 文 献 PAGEREF _Toc201224877 h 31绪论啤酒发酵是一个复杂的生物化学

16、反应过程。发酵期间，根据酵母的活动能力，生长繁殖快慢，确定发酵给定的温度。因此啤酒发酵过程,除了生产技术水平,生产过程控制指标的好坏,将直接影响啤酒生产的质量,必须严格控制。目前,中国每年的啤酒生产规模不断扩大,然而,大多数啤酒制造商仍然使用传统工具的生产监控,依靠人工监测参数的因素。因此,手动控制模式将很难确保啤酒生产工艺的正确实施,导致质量不稳定,波动,很难提高产品质量,生产能力,扩大生产规模。 为此，我们对啤酒生产的发酵过程提出采用计算机监控，以适应当前啤酒现代化生产的需求，使企业的技术进步，生产管理以及市场竞争能力达到一个新的水平概述1.1课题的来源、目的及意义中国啤酒市场非常大,国内

17、啤酒制造商数以百计,但相比之下，国内大多数啤酒制造商技术落后,生产仍停留在手动控制的时期,只有少数企业实现半自动化。啤酒生产是一种生产的生物过程,生产周期长,分散的工艺参数,传统的经营方式很难保证产品的质量。也有一些厂家更新了设备，有了自动控制应用，仍有存在着不少问题，主要是：（1）多数企业仍采用仪表控制。仪表控制技术已经成熟，但技术老旧，没有太大改进空间。无法适应现代化生产管理和进一步技术升级需求。（2）有些采用DCS控制系统。但生产成本高，不适应新的技术发展。市场竞争力差。（3）国内自行研制开发的一些控制设备采用不同的控制器，通用性差、易用性差，不适应啤酒厂的生产环境。 （4）采用进口设备

18、还需同时采购其它设备配套，且学习使用成本高，后期维修难等问题。在控制方法上，针对啤酒发酵过程的研究比较多，开始大多数是采用传统的PID方法，但难以解决大惯性系统超调、控制精度问题及多变量耦合问题。随着市场竞争的加剧，产品质量要求的提高，要求采用的控制方法更先进，于是引入了灰色预估算法的PID方法、实验建模的多变量控制等方法，并取得了较好的控制效果。而在啤酒酵母扩培过程控制方面，国内多数厂家是对不同工段分别进行自动化控制的，对啤酒酵母扩培过程的自动化控制技改进行的较晚，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PID控制方法。1.2计算机控制系统在发酵过程中的

19、应用发酵过程的计算机控制,特别是微型计算机机控制,在发酵行业在中国得到了广泛的应用。发酵罐是中国大规模的有7000台,如果可以使用微机控制,非常可观的发酵效率。应用计算机控制发酵过程,早期STD总线微机系统,最近工业PC系统,系统相对简单,便宜,灵活和方便使用,但软件开发工作量较大,用户修改控制方案更麻烦,最近,微机系统各种改善了发酵过程控制应用程序。发酵过程控制中的微机应用的不断发展,各种测量传感器,二次仪表和执行机制完善,发酵罐系统完全可以实现自动操作和控制的目的。1.3发酵过程模糊控制应用 发酵过程的控制流程优化,获得最佳的生产,确保微生物的生长,必须按照增长轨迹,为了实现这一目标,一个

20、是确保优化微生物生长的环境条件,另一方面,以确保最佳生长的微生物的代谢过程。对于前者,相对容易做到。目前,发酵过程控制的研究工作都集中在这个焦点。为了实现工业生产的生产流程优化,通常有一个数学过程模型准确,然后使用优化方法,最优条件和控制方法和策略。发酵过程是复杂的,很难有一个描述实际发酵过程的数学模型。这样，通常只能基于人们的经验和一些模糊的关系来确定，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 工程技术人员和经验丰富的专家知识发酵过程优化控制,总结一个知识库,一些规则来描述。然后根据发酵过程的参数可以测量使用控制方法来推断。例如,根据专家知识预测反应速率,生产

21、计划指导工人复杂操作,智能控制的实现方案。（2）模糊控制系统 对于非线性复杂系统，现代控制理论难以适用。它不仅算法极其复杂，而且无望获得满意的结果。专家控制系统知识库庞大，设计十分困难。模糊控制不仅适用于小范围线性单变量系统,并逐步扩展到大规模的非线性复杂系统。很容易熟悉,输出连续,可靠性高的优点,可以起到良好的专家操作自动化效果等。 发酵过程的参数与微生物代谢和微生物生长有关，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，即可用隶属函数来描述。然后，用这些模糊关系的结果来指导发酵过程的操作与控制。1.4本章小结本章阐述了该课题研究的来源、目的和意义以及计算机和模糊控制在发酵过程中的应

22、用。啤酒发酵过程工艺及控制方案2.1啤酒生产工艺简介啤酒生产过程主要包括糖化、发酵、过滤灌装三个环节。（1）糖化糖化过程的啤酒生产的主要原料与水混合,麦芽淀粉、可溶性蛋白质水解酶分解成低分子糖类、氨基酸、蛋白胨、多肽和其他物质,啤酒发酵液体,麦芽汁的形成。 （2）发酵 啤酒发酵是微生物代谢的过程,仅仅是由酵母发酵麦芽汁的二氧化碳分解,C2H5OH的过程中,水,也会产生各种各样的中间代谢物:双乙酰、脂肪酸、醇、酮,这些代谢物含量虽然很少,但其影响啤酒的质量和品味,其生产主要取决于发酵温度。一般来说,低温发酵可以降低双乙酰的含量、脂质代谢产物,改善啤酒颜色和味道;高温发酵可以加速发酵,提高生产效率

23、和经济效益。简而言之,如何掌握发酵温度、良好的啤酒发酵过程的提升速度,良好的温度控制是核心,以确定啤酒生产的质量。啤酒发酵过程是一个放热过程,如果不加以控制,发酵生产的水箱温度将增加热量生成和逐渐增加,大多数当前的对象用于冷却外套充满了冷却醇水混合物或液氨吸收发酵过程的持续释放的热量,以维持发酵温度。整个发酵过程分前酵和后酵两个阶段，发酵温度的工艺设定典型曲线如图2.1所示。不同品种、不同工艺所要求的温度控制曲线会有所不同。图2.1 发酵温度工艺设定典型曲线前酵这一阶段也称为主要的发酵。接种酵母发酵麦芽汁进入发酵酵母的接种之前,开始几小时后,麦芽汁糖减少,二氧化碳和生化反应热量的释放,这样整个

24、水箱温度升高。2 3天后到发酵高泡沫最旺盛的时期。2 3天后,进一步减少糖糖,起步缓慢,酵母沉降,当水箱发酵程度标准冷却后进入后发酵阶段。普通啤酒发酵阶段之前,一般要求控制在12,冷却速度控制在0.3/小时。 后酵 当罐内温度12发酵后降至5发酵阶段,这个阶段是最重要的对于双乙酰还原,此外,还完成了剩余糖分发酵发酵后期阶段,完整的沉淀蛋白质,降低氧气的含量,改善啤酒的稳定性。一旦合格双乙酰指数,发酵罐在0.15/小时,第二冷却过程的冷却速率罐发酵温度从5降到0 1,为啤酒存储和提高啤酒的质量和味道。啤酒贮存一段时间后,整个发酵过程基本结束。通常在不同发酵阶段发酵温度在槽内,发酵温度场必须有相应

25、的需求的初级阶段希望:在发酵罐顶部水箱的底部有一个积极的温度梯度,即从上层温度的控制,为了混合对流和酵母发酵液体槽;在后发酵阶段,需要发酵的液体从顶部向底部负温度梯度,控制温度、降水和排除酵母。（3）啤酒的过滤和灌装 前、后发酵结束后,啤酒将通过生物过滤和高温灭菌和胶体稳定性处理和填充。啤酒过滤是一个分离的过程,其主要目的是将酵母细胞留在啤酒和其他浊度与啤酒,否则这些物质会从啤酒在稍后的时间沉淀,导致啤酒浊度,目前使用硅藻土过滤。如果仍然包含在啤酒微生物(细菌),微生物可以在啤酒迅速繁殖,导致啤酒浊度,排出代谢产物甚至不能喝啤酒。杀菌的啤酒最后一步填充之前处理的生物稳定性。至此，一个啤酒生产周

26、期结束。2.2啤酒发酵过程的温度控制工艺要求 温度控制,三个制冷剂冷却。所使用的制冷剂包括醇、乙二醇、甘油等。根据不同的发酵过程,发酵过程分为主要的发酵周期,双乙酰还原阶段,冷却阶段,啤酒贮藏期四个阶段。在这几个阶段中，对温度的控制有不同的要求:（1）主发酵及双乙酞还原期 这一阶段发酵是活跃的,大量的二氧化碳,由于上述发酵二氧化碳低梯度,从而形成对流二氧化碳气体混合效果,使罐发酵液体流动从下到上。所以这个阶段温度应高于部分,锥顶部温度低于锥底部温度控制,即低高,而上下0.5 1温差,对流加速啤酒酵母,充分悬浮发酵成酒,以促进发酵的顺利进展。在工艺规划,对数期应该使酵母细胞繁殖和双乙酰形成正值旺

27、季,使早期形成的双乙酰,恢复快。因为主要发酵阶段的最后生产的双乙酰还原温度,如果时间控制不当,容易引起新时期的双乙酰的形成。 （2）降温期 双乙酞含量是啤酒是否成熟的重要指标。当双乙酞含量0.13mg/kg时，即可对发酵液进行降温。在冷却阶段,应该以下部分,温度控制锥顶部温度大于锥底部温度控制,即低端,为了促进和解和酵母酵母复苏和啤酒的稳定性。在冷却阶段,冷却速度必须缓慢,制服,并经常行酵母排出。这是因为温度计插入水箱的酒液体舱壁,有一定距离。如果冷却冷却速度过快,冷不能及时反馈,可能使罐壁的热,冷转移更慢,当温度计的数据不能准确反映酒温度,因此,当制造商仍然盲目冷却,会让罐壁越来越冰,形成一

28、个恶性循环,不利于温度的精确控制。同时,温度下降5到啤酒酵母放电期间,酵母数量存入锥底,如果不及时排出,温度计插入酵母泥,导致温度计是酵母泥温度而不是酒的温度。由于酵母泥很厚,传热性能差,事实上,很难降至0和1。操作员如果根据温度计的数据来操作,也很容易导致发酵液体结冰。此外,温度控制是一个提前量。开始和结束的冷却降温,应该打开或关闭冷却水。提前量一般为0.5左右，这样才能保证温度的准确控制。（3）贮酒阶段 当酒液温度降至0后，即进入贮酒阶段。贮酒的目的是为了澄清酒液、饱和CO2、改善啤酒的胶体稳定性。所以应该三段温度平衡,以保持酒的身体稳定。生产低,高酒精控制温度禁令将进入啤酒贮藏期,这样的

29、啤酒酵母悬浮沉降的再保险,形成一个与“逆对流”的技术要求,否则将导致酵母自溶,不仅难以过滤,但也使啤酒酵母味道重,严重影响酒的质量。温度控制在发酵过程中除了冷却罐的正确使用,冷却水的控制也是非常重要的。如果制冷剂温度太低,冷不能及时热交换,当温度达到啤酒低于冰点时,很容易导致发酵液体结冰。一般来说,如果制冷剂使用酒精,考虑到啤酒冻结和冷转移和其他因素,制冷剂的温度在4。一些制造商发酵麦芽汁的液体冷却和冷却共享一个冷冻柜,这是非常不科学的,因为麦芽汁冷却制冷剂温度是8,如发酵液体冷却的温度容易导致发酵液体结冰,所以我们应该独立。温度控制系统的特点和要求。2.3啤酒发酵过程的温度控制系统特点与要求

30、2.3.1啤酒发酵过程温控对象的特点发酵罐是啤酒生产的主要设备,图2.2是缸筒底部发酵的原理图,酵母发生在罐内反应引起的热量,麦芽汁的温度上升,如此安排,三个阶段冷却槽上设置的墙,相应的建立,三个测温点和三个调节阀,调节冷却水套冷却剂流经阀门的控制来实现白酒体温。阀门开度控制酒的量体温,植物。广义对象是一个多变量系统有三个输入三输出,机理分析和实验结果表明,啤酒发酵罐的温度不同于一般的工业对象,主要有以下特点: （1）时滞很大图2.2 圆筒锥底发酵罐示意图在整个发酵过程中,生化反应热量产生生化反应导致罐发酵温度,为了保持发酵温度适当,发酵罐冷却套通常是充满了酒精或液氨去除多余热量的反应。由于不

31、是搅拌装置和加热装置,制冷剂液体发酵主要取决于换热的导热,罐内存在对流,影响测温点,这使得控制量的变化,一段时间后,控制体积的变化,因此,系统将显示大的延迟效应。例如,响应120m啤酒发酵罐温度滞后时间在5 30分钟。 （2）时变性 发酵罐温度控制性能的严重程度主要取决于液体发酵的生化反应。而啤酒发酵是从起酵、旺盛、衰减到停止不断变化的间歇生产过程。在不同发酵阶段,不同酵母活力,由温度变化引起的啤酒变化的特点,所以它具有明显的时变对象的特征。（3）大时间常数 发酵罐的体积很大,发酵液体通过舱壁与冷却水换热的慢。（4）强关联 因为罐内对流,因此任何控制体积的变化可能导致三个控制变化。在分析对象的

32、特点,由于理解的局限性,往往不是掌握各种物理特性,化学工业过程的变化,对象属性,将不可避免地导致收购和实际特点来确定存在偏差。例如,改变啤酒酵母的生产工艺特点,材料特性和其他因素将导致系统参数变化和扰动,而这些因素在实际系统中很难获得实时获取。2.3.2啤酒发酵温控系统的基本控制要求 我们知道,控制发酵麦芽发酵的反应温度和时间,以确保正常的发酵过程,提高啤酒的口味和质量，减少工人的劳动强度,节约能源的关键。发酵罐的主要操作参数:温度、压力、液位。温度水平提醒加热时间的长度,以便指导材料存储和材料响应的操作。液面间接反映的材料数量,容量控制材料,实时控制或材料反应等。二氧化碳气体压力反应槽数、压

33、力在一定程度上从顶部排出的二氧化碳减少压力,防止爆炸。所以需要改变液体发酵罐温度实时控制,需要控制水箱的容量和压力是安全生产。啤酒发酵过程控制的要求是:实时测量和控制发酵罐,液体温度;过程曲线控制箱温度在某一特定阶段和标准遵从性;有效的气体的排放控制发酵罐的压力满足不同阶段的需求,控制结果与技术要求不应该冲突,如局部过冷,破坏酵母沉降条件。对于温度控制系统来说，基本的控制要求如下:实时测量和控制发酵罐压力和的冷却液管压阀工作状态;；根据技术曲线发酵罐、温度控制器、持续的升温速率,保温部分和恒速度部分冷却部分三个控制线;；温度测量精度保证在士0.5以内，测量范围为-10100 ；发酵罐中实时显示

34、温度、压力、液位和冷却管阀状态；具有超偏报警功能；与人机对话键,运行结束之后,停止操作,完成任务的参数；具有掉电保护功能。2.4啤酒发酵温度控制系统的数学模型分析随着技术的研发、生产工艺进步，如今的啤酒制造已采用一个大容量的露天发酵槽,将传统的2段发酵同时在一个设备中完成。2.4.1发酵罐内发热与散热过程 发酵的工作是确保啤酒酵母,麦芽汁同时的发酵、发酵过程中产生的生化热反应、逐步释放热温度发酵在稳步增加。发酵过程的整个发酵温度必须根据具体的生产过程中严格控制温度。发酵冷却时通过水流调节的容器内冷却钢管夹具酒精冷却系统,没有外部措施。发酵过程中的一个热量通常由发酵的三个部分产生:微生物分裂释放

35、生长热，维持活力释放的维持热，以及合成释放的翻译热。容器内温度增加,主要原因是释放热量反应的基础上,分析特性时可忽略增长热和维持热。容器内发酵热反应的一部分是发酵槽内上升,一部分消散在容器和冷却环境,而且,在此过程中不考虑到罐壁和麦汁热交换,平衡方程式集合的温度: （2.1）式中Ql发酵过程生产的热量，J/s； Q2散失的热量，J/s； M麦汁总质量，kg；C发酵罐内麦汁的比热容，J/（kg ）； 发酵罐内的混度，。2.4.2发酵罐内反应热的传递函数 高温反应的发酵槽使温度不断攀升的麦芽汁发酵过程,麦芽汁也可以被视为保留的温度、热均衡等式的容器内可以取得的发酵槽传递函数: （2.2）Q为使温度

36、上升反应热量，J/s （Q = Q1-Q2）；Ti积分时间常数，s/ 。因此罐内反应是个积分型的传递函数。2.4.3发酵罐内发热与制冷的温度控制过程 分析上文所示,不加管制的集合的温度上升有利和质量要求各有不同的反应来补充发酵的整个进程,也必须在发酵温度控制进程中麦芽汁。发酵温度控制系统的方框图见图2.3。在控制中要不断的检测罐内温度与设定温度的偏差值，不断的调节酒精的流量来带走多余的热量或者保持温升的速度。因此在控制温度、温度反应是解决输入,在定时监测温度的实际时间每一个部分输出,同样作为闭环反馈之后的监管。罐内反应热Q1可以看作是反应控制的干扰因素。HYPERLINK file:/C:/U

37、sers/gary1_000/Desktop/%E5%B8%AE%E6%88%91%E6%9F%A5%E9%87%8D/full/f8bf61c201af4553a164e61066fe75d4.html温度标准值与反馈量的差值经过PID的运算后，控制量Uc在酒精的流量上体现出来，罐内的反应热Q1减去酒精带走的热量Q2所余热量Q从而使罐内温度升高，控制系统输出罐内温度。图2.3 发酵温度控制系统方框图2.5啤酒发酵过程温度控制策略（1）PID控制典型PID控制系统的框图如图2.4所示。图2.4 典型PID单回路控制系统图中Y是被控参数，X是给定值。PID控制算法原理简明、一个易于使用的、基础广

38、泛的适用性和特点的坚固、控制系统不断成熟的技术和工艺。PID控制器的算术方程为: （2.3） 只要正确设定参数，PID控制器就能实现系统的控制要求。但是对于发酵过程，由于模型参数具有慢时变特性，且具有较大的时间特性和非线性，所以采用PID控制对于这样的被控对象是不完全适宜的。（2）前馈反馈控制 系统分析,根据偏移规模可变的被控变量的可变操纵。从改变变量引起被控量改变,需要时间和其他监督职能,而不是及时的,特别是关于迟延的进程更加难控制、质量控制、有时无法实现的要求 前馈控制正是改善反馈控制不及时的一种控制手段。前馈控制系统是根据干扰量变化直接改变操纵变量进行控制的。它直接测量干扰量作为控制器校

39、正的依据，能在被控变量受到影响之前产生控制作用，及时消除扰动对系统的影响。从理论上讲，前馈控制对干扰影响可以完全补偿，使被控变量保持不变。所以，对于惯性和滞后较大、干扰量大而频繁的生产过程有显著的效果。 由于在实际生产过程中有一些扰动是难以测量的，对这些扰动则无法实现前馈控制。另外，过程特性有变化，或难以建立模型的对象，也不能实现前馈控制。 如在前馈控制中引入反馈控制，组成前馈反馈控制系统，如图2.5所示。在动态时前馈控制有效、及时地克服主要干扰，减少被控变量的偏差，而反馈控制则克服其余各种干扰，使系统在稳态时能准确地使控制量等于设定值，从而可以全面提高控制质量。在前馈反馈控制系统中由于有了反

40、馈控制回路，这样就可以降低对前馈控制的要求，在出现较大而频繁的扰动下，仍然具有优良的控制质量。图2.5 前馈-反馈PID系统框图（3）模糊控制 模糊逻辑技术已经成为自动控制技术领域内一项主要分支、模糊逻辑拥有广泛的适用范围,完全由模糊控制的优点所决定。模糊逻辑的设计,以人类语言模拟人类思想,因此容易接受、设计简单、易于维护。基本控制方案包括一台稳压器模糊逻辑为基础的信息系统、模糊控制系统稳定性的稳定性最好,鲁棒性高。在改善系统特性时、模糊逻辑不像传统控制系统只能调整参数。也可通过调整规则,隶属函数，决策方法、推理方法来修正系统。在常规控制算法中，微小的错误和参数漂移都可能引起系统失控，而基于控

41、制规则的模糊控制系统对某一规则的变化敏感很小，系统抗干扰能力很强。2.6本章小结 发酵温度是决定啤酒口感、风味等的一个重要指标，而时间、压力的控制，在一定浓度、酵母数量和活性条件下，也取决于发酵温度。因此，啤酒发酵过程控制尤为重要。 本章在详细阐述了啤酒发酵工艺的基础上，介绍了啤酒发酵温度控制工艺要求、数学模型及控制方法，为下文控制器的设计打下了基础。模糊控制器的设计本章主要介绍了模糊控制系统。和其它控制系统一样，由被控对象、控制器等组成。此外详细阐述了模糊控制器设计包括的主要内容，探讨了模糊控制器的特性。3.1模糊控制的特点模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）简称模糊控制（

42、Fuzzy Control），是以模糊集合理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一个模糊的非线性、智能的。理论的一个重要特点是模糊控制既提供了一个系统,有很多方面有效地执行。模糊控制技术在西方最初是被抵抗;然而在东部地区、特别是在日本,但普遍和迅速实施。在过去20年中,模糊控制或者根据理论或技术方面取得了重大进展,自动控制领域非常活跃在部门和富有成效。模糊控制基本概念是使用电脑进行试验,监督这些经验是非常模糊逻辑规则。模糊逻辑,Fuzzy(FC)说,主要原因是一个巨大的成功在于它的重大特点:1.模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出

43、发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。2.由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。3.基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异。但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。4.模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。5.模糊控制系统

44、的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。模糊控制器主要包含三个功能环节:用于输人信号处理的模糊量化和模糊化环节、模糊控制算法功能单元以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。模糊控制具有良好控制效果的关键是要有一个完善的控制规则。但由于模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳，对高阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程，人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验，这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙，难以适应不同的运行状态，影响了控制效果。常规模糊控制的两个主要问题在于:改进稳态控制精度和提高智能水平与适应能力。在实际应

45、用中，往往是将模糊控制或模糊推理的思想，与其它相对成熟的控制理论或方法结合起来，发挥各自的长处，从而获得理想的控制效果。由于模糊规则和语言很容易被人们广泛接受，加上模糊化技术在微处理器和计算机中能很方便的实现，所以这种结合展现出强大的生命力和良好的效果。3.2模糊控制理论3.2.1 模糊理论模糊理论是在美国柏克莱加州大学电气工程系L.A.Zadeh教授于1965年创立的模糊集合理论的基础上发展起来的，主要包括模糊集合论（Fuzzy Set）、模糊逻辑、模糊推理和模糊控制等方面的内容。（1）模糊集合论普通集合中，一个元素（对象）x，它对于某一个论域U的集合A，要么属于A，要么不属于A，二者必居其

46、一且仅居其一，没有其他选择。但在现实生活中，绝大多数问题都没有明确的概念。例如:对于“很美丽”，某些人是否符合这一概念，很难给出完全肯定或完全否定的回答。也就是说在符合和不符合之间允许存在中间状态，这类概念就叫模糊概念。模糊概念不能有普通的集合来描述，只能用模糊集合来描述。很显然，元素对于模糊集合，不仅存在“属于”和“不属于”这两个概念，而且在一般情况下，元素只是在一定程度上属于模糊集合。在模糊集合中，为了描述元素对模糊集合的从属贴近程度，引入了隶属函数的概念。用0,1中的一个实数去度量元素x属于模糊集合的程度，这个数就称为“隶属度”，用 （x）表示。根据定义，模糊集合的实质是论域U在0 ,1

47、闭区间一个映射: （3.1）对于论域U上的模糊集合A，通常的表示方法有Zadeh记号表示法、向量表示法、单点表示法、序偶表示法、隶属函数的解析式表示法等。例: Zadeh记号表示法A=0.85/x1+0.98/x2+.+0.30/xs这里“/”不代表“除法”，而是表示元素x与其隶属度的对应关系；“+”也不代表加法运算，而是表示论域U上模糊集合A元素x的全体。（2）确定隶属度函数的方法隶属度函数的确定在模糊数学中占有重要的地位，这是因为模糊集合是由隶属度函数刻画的，模糊集合的各种运算都是利用隶属度函数来进行的，因此，在模糊集合的各种应用场合，首先要解决的问题就是确定隶属度函数。确定隶属度函数总是

48、力图尽量符合客观实际，但不同的人对于同一个模糊概念的认识又是有差异的，因此隶属度函数的确定又带有主观性。如何评价隶属度函数是否符合客观实际，到目前为止还没有一个标准。常常用初步确定的一个粗略的隶属度函数，然后通过在实践运用中“学习”和检验，逐步修改和完善。确定隶属函数可以通过“主观”途径和“客观”途径进行，当隶属度无法通过主观途径给出时，往往需要在实验基础上获得。1、模糊统计法对于模糊性事物发生的可能性程度也可以用和随机统计相似的方法进行模糊统计，统计的结果即为隶属度。对于模糊统计，在论域U中给出一个确定元素 x,xU，然后再考虑属于论域U上运动着的边界可变的普通集合A1, n次试验中元素x属

49、于A1的次数，当n足够大时，x属于模糊集合A的隶属度趋于一个稳定值。即: （3.2） 式中，n1为n次试验中xA1的次数，n为试验次数。该方法能比较直观地反映模糊集合的隶属度，只是计算量比较大。2、专家经验法专家经验法是根据某领域专家的实际经验对模糊信息进行处理从而确定隶属度函数的一种方法。此外，确定隶属度函数还有二元对比排序法、相对选择法、可变模型法等等。目前常用的隶属度函数有高斯、三角型函数等。3.2.2模糊控制系统的基本组成模糊控制系统的基本组成如图3.1所示图3.1 模糊控制系统组成框图模糊控制系统一般可以分为四个部分:（1）模糊控制器:这是模糊控制系统的核心部分，它实际上是一台微型计

50、算机，根据系统需要，既可选用系统机，又可选用单板机或单片机。（2）输入/输出接口装置:模糊控制器通过A/D（模/数）转换接口从被控制对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过D/A（数/模）转换接口，将其转换为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。在I/0接口电路中，还包括必要的多路转换开关、采样保持器等电路。（3）广义对象:包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性或非线性的，定常或时变的，也可以时单变量或多变量的，有时滞或无时滞的以及强干扰的多种情况。被控对象缺乏精确的数学模型的情况宜选用模糊控制，但也不排斥有较精确的数学模型的被控对象，也可以采用模糊控制方案。（4）传感器:

51、任何一个计算机反馈控制系统都必须有传感器。传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转化为电信号的一类装置。被控制量往往是非电量，如温度、压力、流量、速度，位移等等。传感器在反馈控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。模糊控制器的控制规律由计算机的程序实现。我们以SISO模糊控制器，及一维模糊控制器为例来说明实现一步模糊控制算法的过程:微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e。一般选误差e作为模糊控制器的一个输入量。把误差e的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差e的模糊量可用相应的模糊语言表示。至此，得到了误差e的模糊语言集合的一个子集E

52、 （E实际上是一个模糊向量）。再由E和模糊控制规则R（模糊关系）根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量U为: （3.3）式中U为一个模糊量。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量U转化为精确量，这一步在图3.1中称为清晰化处理。得到了精确的数字控制量后，经数模转换为精确的模拟量送给执行机构，对被控制对象进行一步控制。然后，中断等待第二次采样，进行第二步控制，这样循环下去，就实现了被控制对象的模糊控制。3.3模糊控制器的设计内容模糊控制器的设计一般包括以下几项内容:（1）确定模糊控制器的输入输出语言变量，包括语言值及其隶属度函数；（2）设计模糊控制器的控制规则；（3）确立模糊化和去

53、模糊化的方法；（4）选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数（如量化因子、比例因子）。3.3.1模糊控制的输入输出语言变量及其隶属度函数由于模糊控制器的控制规则是根据人的手动控制规则提出的，一般说来，人对误差最敏感，其次是误差的变化，再次是误差变化的速率。所以模糊控制器的输入变量也可以有三个，即误差、误差的变化和误差变化的速率，输出量选控制量的变化。通常将模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制的维数。一般情况下，一维模糊控制器用于一阶被控对象，由于这种控制器输入变量只选误差一个，它的动态控制性能不佳。三维模糊控制器实现起来非常复杂，所以，目前被广泛采用的是二维模糊控制器，这

54、种控制器的误差和误差变化率为输入量，以控制量的变化为输出变量。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精确。但是维数过高，模糊控制器则变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。这或许是目前人们广泛设计和应用二维模糊控制器的原因所在。1.选择描述输入输出变量的词集模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句。在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词汇（如在“正大”、“负小”等）的集合，称为这些变量的词集。一般选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态。由于人的行为在正、负两个方向的判断基本上是对称的。将大、中、小再加上正、负两个方向以及变量为零的状态，共有七个词汇，即负大，负中，

55、负小，零，正小，正中，正大，用英文字母首个字母缩写为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB ,其中N=Negative, P=Positive, B=Big, M=Medium, S=Small, ZO=Zero。选择较多的词汇描述输入、输出变量，可以使制定的控制规则更加具体，但是控制规则相应变得很繁杂，这样会降低模糊控制的优越性。选择词汇过少，使得描述变量变得粗糙，导致控制器的性能变坏。一般情况下，选择上述七个词汇，也可以根据系统需要选择三个或五个语言变量。描述输入、输出变量的词汇都具有模糊特性，可用模糊集合来表示。因此，模糊概念的确定性问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。2.定义

56、各模糊变量的模糊子集定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集的隶属函数。隶属函数有时是以连续函数的形式出现，有时是以离散的量化等级形式出现。将确定的隶属函数曲线离散化，得到了有限各点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。常见的隶属函数类型有:（1）三角型：这种隶属函数的形状和分布由三个参数表示。（2）高斯型：它用两个参数来描述，一般可表述为: （3.4）这种函数的特点是连续且处处可导，比较适合于自适应、自学习模糊控制的隶属度函数修正。在模糊控制器的设计时，如何选择隶属度函数，要根据具体的对象来定。不过从总体上来说，三角型隶属度函数用的最为广泛，由于它的形状仅与直线的形状有关，简单

57、易行，并且适合于有隶属度函数在线调整的自适应模糊控制；高斯型隶属度函数用到的频率其次。其它的在实际的模糊控制器中用到较少。3.3.2模糊控制规则的设计控制规则的设计是设计模糊控制的关键，一般包括三部分设计内容:选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集和建立模糊控制器的控制规则。具体的模糊控制规则的设计方法如下:（1）经验归纳法。所谓经验归纳法，就是根据人的控制经验和直觉推理，经整理、加工和提炼后构成模糊规则系统的方法。模糊控制的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过学习、试验以及长期经验积累而逐渐形成的，存储在操作者头脑中的一种技术集合。手动控制过程一般是通过对被控

58、对象的一些观测，操作者再根据已有的经验和技术知识，进行综合分析并做出控制决策，调整加在被控对象的控制作用，从而使系统达到预期的目标。手动控制的作用同自动控制系统中的控制器的作用是基本相同的，所不同的是手动控制决策是基于人操作系统的经验和技术知识，而自动控制系统的控制决策是基于某种控制算法的数值运算。利用模糊集合理论和语言变量的概念，可以把利用语言归纳的手动控制策略上升为数值运算，于是可以采用计算机完成这个任务以代替人的手动控制，实现模糊自动控制。模糊控制器规则的设计原则是:当误差较大时，控制量的变化应尽力使误差迅速减小。当误差较小时，除了要消除误差外，还要考虑系统的稳定性，防止系统产生不必要的

59、超调，甚至震荡。（2）基于过程的模糊模型过程的动态特性可以用模糊模型来描述，称为过程的模糊模型。基于过程的模糊模型产生一组模糊控制规则来使被控过程到达期望的性能。这种方法存在的困难就是难于获得充分反映被控过程特性的模糊模型及其参数。（3）基于学习的方法。当被控过程存在时变的特性或难以直接构造模糊控制器时，可以通过设计自组织、自学习能力的模糊控制器来自动获得模糊规则。上面介绍的是建立模糊规则的三种主要方法，其中第一种方法是最基本的，也是应用最广泛的方法。在实际应用中，初步建立的模糊规则往往难以到达良好的效果，必须不断加以修正和试凑。在模糊规则的建立修正和试凑过程中，应尽量保证模糊规则的完备性和相

60、容性。所谓模糊规则的完备性即对于控制过程的任一状态，模糊规则能产生有关控制作用。而模糊规则的相容性则反映在输出模糊集合是否是多峰的，如果存在多峰的现象，则说明模糊规则中有相互矛盾的情况存在。3.3.3精确量的模糊化方法和去模糊化方法将精确量转换为模糊量的过程称为模糊化（fuzzification），或称为模糊量化。在模糊控制应用中，检测到的数据一般是精确的，而在模糊控制器中处理的是模糊量，因而模糊化是必要的步骤。它是由观测的输入空间到相应的输入论域上的模糊子集的转换，这种转换通常带有主观性。模糊化应解决两个问题：一个是量程转换；二是选择模糊化方法。量程转换就是把输入信号的物理范围转化为相应的论