机电系统计算机控制-第10章

10.1啤酒发酵计算机过程控制系统10.1.1啤酒发酵工艺及控制要求1.啤酒发酵工艺简介啤酒发酵是在发酵罐中静态进行的，要使酵母的繁殖和衰减、麦汁中糖度的消耗和双乙酰等杂质含量达到最佳状态，必须严格按着工艺曲线进行，否则就会影响啤酒质量。图10−1是啤酒发酵过程典型的温度控制曲线，其中ab段为自然升温段，无须外部控制；bc段为主发酵阶段，典型温度控制点为12℃；cd段为降温逐渐进入后酵阶段，典型降温速度为0.3℃/h；de段为后酵阶段，典型控制点为5℃；ef段为降温进入贮酒阶段，典型降温速度为0.15℃/h；fg段为贮酒阶段，典型控制温度为−1℃。下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统啤酒发酵罐由罐体、冷却带、保温层等部件组成。发酵罐的形状一般为圆锥形，容积较大，大部分在100m3（我国的啤酒发酵罐容积在120～500m3）以上。啤酒发酵控制系统如图10−2所示。为了有利于热量的散发，在发酵罐的外壁设置了上、中、下三段冷却套，相应设立上、中、下三个测温点和三个偏心气动阀，通过阀门开度调节冷却套内的冰水流量以实现对酒体温度的控制。以阀门开度为控制量，酒体温度为被控量，相应有3个冷却液阀门，通过控制流过冷却带的冷却液流量，控制发酵罐的温度。在发酵的过程中，温度在不断地升高，当达到上限温度时，要打开制冷设备，通过酒精在冷却管内循环，使罐内的温度降下来。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统当发酵温度低于工艺要求的温度时，关闭冷媒，则啤酒按工艺要求继续发酵，整个发酵过程大约20多天完成。因此，控制好啤酒发酵过程中温度及其升降速率是决定啤酒质量和生产效率的关键。另外，在发酵过程中，还需在各段工艺中实行保压，即要求发酵罐顶部气体压力恒定，以保证发酵过程的正确进行。2.控制对象特点①大时滞性。②时变性。③开环不稳定性。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统3.系统的控制要求①该系统对12个啤酒发酵罐的参数测量以及8个清酒罐的参数测量。系统对每个发酵罐测5个参数，即发酵罐的上、中、下3段温度，罐内上部气体的压力和罐内发酵液（麦汁）的高度，共有36个温度测量点、12个压力测量点、12个液位测量点，因此共需检测60个参数。系统同时根据实际测量的信号对发酵温度和压力实施控制。发酵罐内的温度是通过改变调节阀开度调节流经冷却套的冷却液流量来控制，没有外部加温措施和搅拌装置，罐内压力是通过排放CO2

来控制。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统对于8个清酒罐，主要实现各罐的液位、压力和上下两点温度的测量，共需检测32个参数。②自动控制各个发酵罐中的上、中、下3段温度，使其按图10−1所示的工艺曲线运行，温度控制误差不大于±0.5℃。共有36个控制点。③系统具有自动控制、现场手动控制、控制室遥控3种工作方式。④系统具有掉电保护、报警、参数设置和工艺曲线修改设置功能。⑤系统具有表格、图形、曲线等显示和打印功能。10.1.2系统总体方案设计①确定系统的总线类型：ISA总线。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统②选择主机机型：IPC−8500工业控制计算机。③模拟量输入通道选型：32路A/D板PCL−813B、32路I/V板CMB5419。④模拟量输出通道选型：6路D/A板PCL−726。⑤温度检测元器件（包括传感器和变送器）选型：温度检测采用WZP−231铂热电阻和温度变送器RTTB−EKT。系统硬件框图如图10−3所示。⑥控制规律。被控对象可视为纯滞后的一阶惯性：a.在恒温段，采用增量型PI控制算法。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统b.在升温和降温段，采用增量型PID控制算式。c.考虑被控对象为纯滞后的一阶惯性，还要采用施密斯（Smith）预估计控制算法。10.1.3计算机测控管理系统硬件设计计算机测控管理系统是由以PC总线为基础的集中型计算机硬件系统和针对该硬件开发的应用软件所组成，该系统实现啤酒发酵罐压力、温度、液位、进出物料流量等参数的测量以及对罐压和发酵温度的控制。硬件系统可划分为：上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统检测装置和执行机构：检测装置包括测量啤酒发酵罐的发酵温度、压力、液位、流量参数的各种变送器；执行机构包括电磁阀和电动调节阀，其中电动调节阀配有操作器DFQ−2100。控制主机：工业控制PC机，包括CPU、硬盘、软盘驱动器、RAM、CRT、打印机、键盘、鼠标、不间断电源等。接口部分：这一部分有A/D板、D/A板以及各种输入/输出信号的调理板。输入信号经输入信号调理和A/D转换送入计算机，而计算机的输出信号经D/A转换和输出信号调理送至控制设备。电源检测：为了确保系统的安全，进行在线停电检测，并实现停电自动保护。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统1.系统的硬件配置整个系统的硬件配置如图10−4所示。（1）模拟量输入通道设计本系统检测12个啤酒发酵罐以及8个清酒罐的温度、压力及液位参数。此外，为了提高整套系统的可靠性，还配备了电动调节阀的阀位反馈测量的模拟信号输入以及在线停电检测的模拟信号输入。在信号输入过程中，传感器和变送器首先把对象的温度、压力等实际物理参数转变为标准电流信号I（4～20mA），经过输入信号调理板进行信号转换、滤波、放大、隔离以及A/D转换，把I转化为相应的数字量送入计算机进行处理。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统（2）模拟量输出通道设计本系统的温度参数是通过调节阀连续地调节阀门开度，从而调节冷却液（淡酒精）流量，达到控制发酵温度的目的，所以控制调节阀的信号是连续变化的模拟量信号。在模拟输出通道中，采用12位D/A转换板，将计算机输出的控制量转换成4～20mADC信号，该信号送至操作器DFQ−2100，DFQ−2100具有自动和手动切换功能，DFQ−2100输出4～20mADC信号送至电动调节阀，从而控制调节阀，达到控制温度的目的。（3）开关量输出通道设计上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统在啤酒发酵过程中，罐内压力是通过电磁阀排放CO2来控制的，所以，在控制时只需要控制电磁阀的开和关两种状态。计算机控制系统开关量输出如图10−5所示。从CPU输出的控制信号经过数据总线和数字量输出板输出，一般为TTL逻辑电平，逻辑“1”高电平的电压范围2.4～5V，逻辑“0”低电平的电压小于0.4V，它们的负载能力都很小，大多数灌电流和拉电流的负载能力都小于20mA，一般只能驱动小于100mV的开关，因此，要用TTL电平来驱动大功率执行结构，在数字量输出端口必须加一个中间驱动环节，从而解决执行机构所需要的驱动功率。中间驱动环节可以是光电耦合器、可控硅、机械式继电器等。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统本系统选用的是普通的SPST（SinglePoleSingleThrow）常开型继电器板，继电器可控制直流或交流电源，负载能力可达到几千瓦，同时这种结构还具有良好的隔离效果。另外，系统中的压力报警、清酒罐的接点输出以及系统的停电保护等信号的输出也都通过这种形式实现。2.电源检测和停电自动保护系统熟悉啤酒生产的人都清楚，一旦计算机系统投入运行，在一批发酵罐中总有部分罐处于生产状态，这也就要求计算机系统具有连续运行的能力。然而，在系统运行时出现中途停电的现象是难以避免的，为了减小因停电现象对系统造成的影响，计算机控制系统一般都配有不间断后备电源（UPS）。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统该计算机控制系统为了提高整套系统的完整性和可靠性，专门设计了电源的在线检测和停电自动保护系统：通过A/D通道在线测量220VAC电源信号，如果发现外部停电，计算机将保护好各种信息并自动关闭包括UPS开关在内的整套系统，待来电以后再恢复系统继续运行。10.1.4计算机测控管理系统软件设计控制系统的软件主要包括：采样、滤波、标度变换、控制计算、控制输出、中断、计时、打印、显示、报警、调节参数修改、温度给定曲线设定及修改、报表、图形、曲线显示等功能。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统1.数据采集程序按顺序依次采集温度信号、压力信号、液位信号、电源检测信号，这些信号共采集5遍并存储起来，采样周期T=2s。2.数字滤波程序将每个信号的5次测量值排序，去掉一个最大值和一个最小值，剩余3个求平均值即为该信号的测量结果，即采用中位值滤波法与平均值滤波法相结合来实现数字滤波。3.给定工艺曲线的实时插补计算给定工艺曲线由多段折线组成，每一段都是直线（图10−1），故采用直线插补算法来计算各个采样周期的给定值r(k)：上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统4.控制算法在考虑系统控制策略时，必须注意到啤酒发酵过程中不同发酵阶段特性参数变化很大，具有大惯性和纯滞后特性的特点，这是确定控制算法的依据。为适应温度给定值为折线的情况，在恒温段采用增量型PI控制算法，在升温、降温段采用PID控制算法，考虑到被控对象大惯性和纯滞后的特点，在控制软件设计中提供了施密斯（Smith）预估控制算法。上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统（1）PID算式加特殊处理采用增量型PID控制算式：式中上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统根据被控对象的特点，在PID算式的基础上，进行以下特殊处理：在保温段，r(k)不变，采用PI控制算式；降温段采用PID控制算式；为了减小被控对象纯滞后的影响，在给定温度曲线转折处做特殊处理，即由保温段转至降温段时提前开大调节阀，而在降温段至保温段时提前关小调节阀，其目的是使温度转折时平滑过渡。另外，需对控制量Δu(k)和阀位输出进行限幅。（2）施密斯（Smith）预估控制算式根据施密斯预估控制算法，如果被控对象视为纯滞后的一阶惯性环节，即上一页下一页返回10.1啤酒发酵计算机过程控制系统其相应的差分方程为最后利用算法步骤，即可求出控制量。5.应用程序除以上测控程序外，还有计时、打印、显示、报警、调节参数修改、报表、图形、曲线显示等功能程序，这里不再讨论。上一页返回10.2磁盘驱动器读写计算机控制系统10.2.1磁盘驱动器读写系统简介及控制要求1.磁盘驱动器读写系统简介磁盘驱动器由磁头驱动机构（包括永磁直流电动机、悬架、磁头、轴承）、硬盘碟片和主轴组成，如图10−6所示。系统采用永磁直流电动机驱动读写手臂的转动。磁头安装在一个与手臂相连的簧片上，磁头读取磁盘上各点处不同的磁通量，并将信号提供给放大器，弹性金属制成的簧片保证磁头以小于100mm的间隙悬浮于磁盘之上。硬盘驱动读写系统的目标是将磁头准确定位，以便准确读取磁盘上磁道的信息，因此需要进行精确控制的变量是安装在滑动簧片上的磁头位置。下一页返回10.2磁盘驱动器读写计算机控制系统磁头位置精度要求为1μm，且磁头由磁道a移动到磁道b的时间小于50ms。2.控制要求①控制臂的位置使得磁头沿一个给定的磁道运动，而且可以迅速地转到另一条磁道上，即过渡过程时间要小。②超调量要小，最好是无超调。10.2.2方案分析图10−7所示为磁盘驱动读写系统的控制方案原理图。上一页下一页返回10.2磁盘驱动器读写计算机控制系统为了滤掉测量噪声，在反馈通道上采用超前滞后滤波器，以滤掉高于Nyquist频率的干扰，则滤波器频率设定为0～ω0，其传递函数为臂的传递函数为k1为放大器的放大倍数，即把放大器看成一个比例环节；k2为被控对象的一个常系数，则图10−7变成图10−8（a）和（b）所示的控制臂的控制系统图。上一页下一页返回10.2磁盘驱动器读写计算机控制系统则闭环传递函数为上一页下一页返回10.2磁盘驱动器读写计算机控制系统令

，则所以控制器的传递函数为对信号输入端简化，则上一页下一页返回10.2磁盘驱动器读写计算机控制系统对于连续时间函数，其控制规律为由于所以10.2.3控制方案为了使该系统过渡过程时间短并无超调和