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1、 内蒙古科技大学控制系统仿真课程设计报告题 目：啤酒厂发酵罐温度控制系统仿真 学生姓名：学 号：专 业：班 级：指导教师： 内蒙古科技大学MATLAB课程设计报告目 录目 录1前言2第1章 概述 啤酒发酵工艺概述41.1啤酒工艺的背景41.2啤酒发酵工艺概述5 1.2.1温度对发酵的影响5 1.2.2发酵对温度控制的要求6第2章 总体方案设计72.1控制系统的选择72.2控制系统的方框图72.3控制参数的选择82.4调节规律的选择82.5调节器作用方式选择10第3章 simulink建模113.1MATLAB简介113.2控制系统Simulink建模113.2.1发酵罐温度数学模型的建立113
2、.2.2执行器及温度检测变送器建模123.2.3主、副回路控制器建模123.3系统Simulink建模方框图13第4章 simulink仿真与优化设计144.1系统Simulink仿真结果144.2系统优化稳定性分析15第5章总结16参考文献17前言 仿真技术是一门利用物理模型或数学模型模拟实际环境进行科学实验的技术，它具有经济、可靠、实用、安全、灵活和可多次重复使用的优点，目前已经被广泛地应用于几乎所有的科学技术领域，成为分析、综合各种复杂系统的一种强有力的工具和手段。在工业自动化领域，控制系统的分析、设计和系统调试、改造，大量采用仿真技术，本次控制系统仿真课程设计就是在我们所学过程控制系统
3、课程设计的基础上，结合生产工艺实际状况，对所设计的生产工艺流程控制系统的参数（温度、压力、流量、物位、成分），采用MATLAB仿真软件，进行安全性、经济性以及进行实验研究的可能性专业仿真，使我们能获得系统最优品质和性能，在现场调试时，可以迅速完成调试任务，在系统运行时，预防事故发生，以提高系统的性能和运行效率。同时，能将其熟练的应用于实际生产工艺的过程中。因而本次控制系统仿真课程设计对于测控技术与仪器专业来说是一个非常重要的实践环节。有利于提高我们遇到问题该如何思考、处理问题的能力，也有利于提高我们的实践能力为以备以后工作中的应用。也让我们对现代企业的运行，生产工艺流程，质量保证体系有了较系统
4、，较专业的认识。在积累许多工作经验的同时，让我们熟悉自己专业所在企业从事的工作方向。本文控制系统仿真课程设计题目是啤酒厂发酵罐温度控制系统仿真 ，要求了解发酵工艺背景，分析发酵罐温度的变化特性及控制系统，并以此来制定系统总体方案设计，绘出工艺方框图、参数设置控制规律及建模方框图完成系统系统的仿真。第1章 概述 啤酒发酵工艺概述1.1啤酒工艺的背景 啤酒是人类最古老的酒精饮料，是水和茶之后世界上消耗量排名第三的饮料。啤酒的酒精含量低，营养十分丰富的特点深受广大消费者的喜爱。特别是在欧洲和北美的一些国家的居民，对啤酒的喜爱更超出了其他国。然而进入20世纪，啤酒在中国的发展十分迅速，很快普及了人们日
5、常生活的饭桌。同时也成为居于美国之后的第二的销量国。面对中国13亿人这么大的需求，因而啤酒的生产成为人们所要研究的课题。对于啤酒引入中国，是在19世纪，俄国的输入，在哈尔滨建啤酒厂，当时我国对啤酒的生产工艺完全依赖于国外的技术。而且相对以美国为首的其他国家，我国的生产设备和生产工艺技术都处于落后的的水平。随着我国的改革开放，经济的快速发展，属于中国制造的啤酒逐渐出现在人们的视野中。啤酒工业得到了突飞猛进的发展，到现在中国已成为世界第一啤酒生产大国。目前，我国啤酒的生产厂家主要有：华润雪花啤酒、燕京啤酒、金星啤酒、哈尔滨啤酒、珠江啤酒、中华啤酒等。其中燕京啤酒是中国最大啤酒企业集团之一。在北京和
6、内蒙的呼和浩特、包头都有生产基地。全国市场占有率达到12%以上，华北市场45%，北京市场在85%以上。并且燕京啤酒被指定为“人民大会堂国宴特供酒”、中国国际航空公司等四家航空公司配餐用酒。可见啤酒的发展对我国的国民经济有很大的促进作用。据最新数据显示，我国2002年以后的几年里，我国的啤酒销量一直处于世界第一。虽然我国啤酒产销量都位于世界领先水平，但是和国外相比，由于我国啤酒产业起步比较晚，自动化程度低，尤其是成套的过程控制设备和国外的差距较大，因此导致了产品生产效率比较低，生产质量也不高，啤酒能耗较大，这都是我国啤酒工业所面临的问题。鉴于以上原因，提高我国啤酒设备的自动化水平和完善过程控制系
7、统将会是一个非常重要的问题。在啤酒生产的过程控制中，温度是一个非常重要的参数，因此对于啤酒发酵罐温度的控制是过程控制的一个重要研究方面，所以在啤酒的生产工艺上实现“自动化”和“过程控制系统”，对提高啤酒生产效率和质量保证有重大意义。1.2啤酒发酵工艺概述 啤酒发酵是啤酒生产过程中的关键工序，也是一个极其复杂的生化放热反应过程。啤酒的发酵过程是否能按照工艺严格控制，以及其控制的效果，将会直接决定啤酒的质量。啤酒发酵过程是啤酒酵母在一定的条件下，利用麦汁中的可发酵性物质而进行的一个微生物代谢过程，简单的说是把糖化麦汁经酵母发酵分解成C2H5OH， CO2， H2O的过程，同时还会产生种类繁多的中间
8、代谢物双乙酞、脂肪酸、高级醇、酮等，这些代谢产物的含量虽然极少，但它们对啤酒的质量和口味的影响很大，这就是我们所要最终产品-啤酒。啤酒发酵一般可分为传统发酵和现代发酵。传统发酵工艺采用两段发酵，前发酵采用开放式的池，发酵时间为7-8 天，温度为8 摄氏度左右，前酵结束后，将上层酒输入密闭的储槽内，保持低温，贮藏60-90 天左右，称为后酵。这种生产方式设备周转慢，要使用庞大的冷库，效率低下，耗能也很大。而现代发酵的整个发酵过程在一个大的锥形发酵罐内完成，前后酵集中在一个罐内进行，罐壁设有冷却套，以便控制发酵过程中各阶段的温度，既取消了庞大的冷库建筑，又降低了能耗，又便于控制不同阶段罐内发酵液所
9、需的温度，所以酒龄缩短，设备利用率提高，而酒质与传统发酵相似。目前，由于传统的发酵以满足不了生产的需要，所以啤酒发酵通常采用现代发酵，即前酵和后酵两个阶段以及储酒等阶段均在同一大罐中进行。前酵过程中，酵母通过有氧呼吸大量繁殖，大部分发酵糖类分解。后酵是前酵的延续，进一步使残留的糖分解成二氧化碳溶于酒内达到饱和，再降温到-10摄氏度，使其低温陈酿促进酒的成熟和澄清。 啤酒发酵过程是一个生化放热过程，发酵产生热量直接影响着啤酒的风味、品质和产量，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。1.2.1温度对发酵的影响由于啤酒发酵过程放热，热量就会使发酵罐内的温度上升，
10、因而影响啤酒的发酵。温度对啤酒发酵过程的影响是多方面的，温度的高低主要影响的是酵母的活性，进而影响生产效率和啤酒质量。温度过低将影响反应速率，温度太高将会产生不需要的代谢产物。除此之外，温度还影响发酵液的理化性质； 影响微生物细胞生长，随着温度的上升，细胞的生长繁殖加快。这是由于生长代谢以及繁殖都是酶参加的。但随着温度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利的；影响产物的生成量；还影响微生物的代谢调控机制；总之，发酵罐内的温度是啤酒厂家最为关注的问题，温度提供的是生化反应环境，是过程控制参数；调节的是反应速度。这就是温度在啤酒发酵工艺流程中的作用。1.2.2
11、发酵对温度控制的要求选择最适温度的控制是一种相对概念，是指在该温度下最适于发酵产物的生成。选择最适温度控制应该考虑微生物生长的最适温度和产物合成的最适温度。最适发酵温度与菌种，培养基成分，培养条件和菌体生长阶段有关。啤酒发酵的全过程分成多个阶段，各个阶段都有对应的温度曲线。为了使啤酒有更好的品质，需要让发酵罐的温度根据工艺温度曲线变化。图2.1 发酵罐温度变化曲线图由图可见啤酒的发酵过程是时变的，并且存在很大的滞后。正是这种时变性和大的时滞性造成了温度控制的难点。发酵温度直接影响着啤酒的风味、品质和产量，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。如不加以控制，
12、罐内的温度会随着发酵生成热的产生而逐渐上升，目前大多数对象是采用往冷却夹套内通入制冷酒精水混合物或液氨来吸收发酵过程中不断放出的热量，从而维持适宜的发酵温度。第2章 总体方案设计2.1控制系统的选择根据发酵罐的结构以及工艺发酵温度控制要求，采用串级控制系统，充分发挥它的优点，高效、快速、准确的控制发酵罐温度。发酵罐中温度串级控制系统图如下所示。图3.1 锥形发酵罐中温度串级控制系统图2.2控制系统的方框图根据啤酒发酵过程中的工艺要求，采用串级控制系统，加上液氨流量、温度、压力对控制系统的干扰。主、副回路采用反作用方式，可构成如图3.2所示的串级温度控制系统方框图。图3.2 发酵罐中温度控制系统
13、方框图 串级控制系统能改善控制品质，主要是由于有一个能快速动作的内回路存在。由图2.1可以看出，当冷却氨自发性扰动时，内回路就立即动作，用副调节器的输出去控制液氨量，使其维持在一定范围内，从而使冷却套的温度基本不变。当罐内麦汁温度偏离给定值时，则由主调节器发出校正信号，通过副调节器及执行器改变减温水量，使主汽温最终恢复到给定值。主调节器的输出信号相当于副调节器的给定值。2.3控制参数的选择 设计被控系统时，选取的参数必须严格按照工艺控制要求。因此主参数为发酵罐中麦汁的温度,发酵罐的温度为12摄氏度。而副参数的选取是串级控制系统的关键所在，同时决定着串级控制的特点能否充分发挥控制效果。根据副回路
14、的先调、快调、粗调的特点，因此，选取冷却套的温度作为副被控参数，主、副回路的变送器采用温度变送器，执行器采用气动阀。2.4调节规律的选择 在发酵罐中温度串级控制系统中，主、副调节器的选择是根据工艺控制要求进行选择的。（1）主调节器调节规律的选择在发酵罐中温度串级控制系统中，主参数温度是生产工艺的主要指标，直接关系着产品质量，及生产效率，工艺要求比较严格。因为主被控参数为发酵罐的温度，对象控制通道容量滞后较大，为了克服容量滞后，所以就要选用PI调节规律。（2）副调节器调节规律的选择由于副回路的被控参数是冷却套的温度，因而在副调节器调节的规律上同主回路的调节规律一样，采用PID调节规律，这样就符合
15、了串级控制系统中主、副回路的调节特点。副回路：先调、快调、粗调；主回路：后调、慢调、细调。PID控制算法具有原理简单、使用方便、适应性广和鲁棒性强的特点，是连续控制系统理论中技术成熟、应用广泛的一种控制方法。只要正确设定参数，PID控制器就能实现系统的控制要求。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值;r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差e(t) = r(t) - c(t)，将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制。PID控制器的算术方程如（公式2.1），传递函数形式如（公式2.2） （公式2.1） （公式2.2） PID控制器各校正环节的作用如下:比例环节：比例控制的优点是反应灵敏，控制及时。偏差越大，控制力度越大。但比例控制存在一个不足之处就是控制结果存在余差，增大比例系数Kp可减少余差，但是随着Kp的增大，控制系统的稳定性会下降，过大Kp甚
