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1、推南评紐爭院专业课程设计报告题目：发酵罐温度控制课程：MATLAB学生姓名：任晨曦学生学号：1714010117年级：17级专业：自动化班级：1班指导教师：贾文晶机械与电气工程学院制2020 年 5 月目录1、概述 31.1 温度对发酵的影响 31.2 发酵对温度的控制要求 32、设计任务与要求 42.1 设计任务 42.2 设计要求 43、控制方案设计 53.1 控制系统的选择 53.2 控制参数的选择 53.3 控制系统的方框图 53.4 调节规律的选择 63.5 调节器作用方式的选择 74、simulink 建模及仿真实验 74.1Matlab 简介 74.2 控制系统 simulink
2、 建模 74.2.1 发酵罐温度数学模型的建立 74.2.2 执行器与温度检测变送器建立 84.2.3 主、副回路控制器建模 84.3 系统 simulink 仿真结果 94.4 系统优化及稳定性分析 105、总结与体会 10六、参考文献 111、概述1.1温度对发酵的影响 微生物的生长繁殖及合成代谢产物都需要在合适的温度下才能进行。温度的变化影 响各种酶反应的速率和蛋白质的性质。温度对菌体生长的酶反应和代谢产物合成的酶反 应的影响往往是不同的。温度能改变菌体合成代谢产物的方向。并且发酵液的粘度、基 质和氧气在发酵液中的溶解度和传递速率、某些机制的分解吸收速率等都受温度变化的 影响，进而影响发
3、酵动力学特性和产物的生物合成。而温度的变化是发酵过程热能产生 和散失的综合效应。产生的因素有生物热、搅拌热，散热的因素有蒸发热、辐射热 向大气辐射的热、以及显热水的蒸汽热和废弃因温度差异排放时所带走的热量。1.2 发酵对温度的控制要求开始可适当升高温度，以利于孢子萌发和菌体的生长繁殖，待发酵温度开始上升后， 应保持在菌体的最适生长温度，到主发酵旺盛阶段，温度应控制在比最适生长温度低一 些，既代谢产物合成的最适温度，到发酵后期，温度下降，此时适当升温可提高产量。 而温度的选择是相对的，要考虑成分、浓度、溶氧、生长阶段和发酵条件。最适发酵温 度是指既适合菌体的生长又适合代谢产物合成的温度。菌体生长
4、的最适温度和产物合成 的最适温度往往是不一致的，最适发酵温度随菌种，成分、条件、菌体生长条件而改变 而且发酵温度的确定从理论上讲整个发酵过程中不应只选择一个温度。以啤酒厂发酵工艺为例，在啤酒生产的控制过程中，温度是一个非常重要的参数。 温度的高低主要影响的是酶的活性，进而影响生产效率和啤酒质量。而且啤酒发酵的全 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。发酵罐是啤酒生产的主要设备。我国采用的是室 外圆柱体锥形罐发酵法，由于锥形罐内发酵液的流体力学特性和现代啤酒发酵技术，锥 形罐发酵法发酵周期短、发酵速度快。罐法发酵的操作步骤
5、有：接种一一选择已培养好的0代酵母或生产中发酵降糖正 常，双乙酰还原快、微生物指标合格的发酵罐酵母作为种子，后者可采用罐罐的方式 进行串种。接种量以满罐后酵母数在（1.21.5）X10个/ml为准；满罐时间正 常情况下，要求满罐时间不超过24h，扩培时可根据启发情况而定。满罐后每隔1天排 放一次冷凝固物，共排3次；主发酵一一温度10C，普通酒100.5C，优质酒 90.5C，旺季可以升高0.5C。当外观糖度降至3.8%4.2%时可封罐升压。发酵罐压 力控制在0.100.15MPa；双乙酰还原主发酵结束后，关闭冷媒升温至12C进行 双乙酰还原。双乙酰含量降至0.lOmg/L以下时，开始降温；降温
6、一一双乙酰还原结束后降温，24h内使温度由12C降至5C,停留1天进行酵母回收。亦可在12C发酵过 程中回收酵母，以保证更多的高活性酵母。旺季或酵母不够用时可在主发酵结束后直接回收酵母；贮酒一一回收酵母后，锥形罐继续降温，24h内使温度降至-1C-1.5C, 并在此温度下贮酒。贮酒时间：淡季7天以上，旺季3天以上。此次仅降到1摄氏度肌由图可知啤酒的温度发酵过程是时变的，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。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货液氨来吸收发酵过程中不 断放出的热量，从而维持发酵温度。2、
7、设计任务与要求2.1设计任务设计一个控制系统，根据发酵罐发酵温度要求实现发酵罐发酵过程的自动监控。控 制发酵罐的温度应当保持相对稳定，避免忽高忽低，温度控制应采用自动控制为好。并 且要用MATLAB进行仿真优化。体会在工程实践中的PID仿真的优点和不足，思考在 工程实践中如何进行工程的仿真与建模，以及优化系统。2.2设计要求采用 MATLAB 仿真，并且进行系统优化，说明优化的方法和好处。并且仿真结果 要做出以下结果：超调量；峰值时间；过渡过程时间；余差；第一个波峰值；第二个波 峰值；衰减比；衰减率；振荡频率；全部P、I、D的参数和PID的模型。3、控制方案设计3.1控制系统的选择 啤酒发酵对
8、象具有时变性、时滞性及其不确定性。根据啤酒发酵工艺温度控制系统 各种工艺参数的要求，本次设计采用串级控制系统实现主要控制锥形发酵罐的中部温 度，采用常规自动化仪表及装置来实现温度及其他参数的检测、控制与显示3出料图3.1锥形发酵罐温度串级控制系统3.2控制参数的选择 设计被控系统时，选取的参数要能有效的反映工艺状况。根据工艺，主参数为发酵 罐中麦汁的温度。而副参数的选取是串级控制系统的关键所在，副回路设计的合理与否决定了串级控制的特点能否发挥。副回路包含被控对象所受的主要干扰，当对象具有较 长纯滞后时间时，应尽量将纯滞后部分包含在主对象中。因此，选取冷却套的温度作为 副被控参数，主副回路的变送
9、器采用温度变送器，执行器采用气动调节阀。3.3控制系统的方框图图 3.2 发酵罐温度控制系统方框图3.4调节规律的选择在串级控制系统中，根据工艺参数的要求进行调节规律的选择：主回路控制规律： 由于发酵罐串级控制系统的主回路是发酵罐内麦汁的温度，具有很大的的滞后，为了克 服滞后，选择PI控制规律；副回路控制规律：副回路的被控参数是冷却套的温度，根 据副回路先调、快调、粗调的控制特点，选取PID控制规律。而主回路控制特点是后调、 慢调、细调7。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。其输入e (t) 与输出u (t)的关系为： U C) =kpl e C)+1/Ti 11
10、 e C)dt + Td * deC)/ dt j，式中积分的上-o-下限分别是0和t,因此它的传递函数为：G(s)= U(s)/E(s)=切1 +1/6i*s)+ Td *s。其 中kp为比例系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数。比例控制的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态 误差。增大比例系数Kp可减少余差，但随着Kp的增大，控制系统的稳定会下降，甚 至会产生振荡，但如果减小Kp,余差会增大，所以比例系数Kp是有一定限度的。为了 消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随 着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积
11、分项也会随着时间的增加而加 大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。积分作用具有鲁棒 性。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。但如果Ki过 大，会使系统超调量大幅增加，甚至引起积分饱和造成系统振荡不稳定。在微分控制中， 控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。自动控制系统在克 服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件(环 节)或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决 的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应 该是零。
12、具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为 负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微 分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。但Kd不宜过大，否则可能造成提 前制动，增大调节时间，和控制阀时而全开时而全关。微分作用由弱到强时，对容量滞 后有明显作用，但是对纯滞后没有效果。而且微分作用对干扰有放大作用，因此过强的 微分作用对系统抗干扰不利1。因此，在工程实践中，经常使用复杂的控制回路获得系 统控制性能的提高。3.5调节器作用方式的选择 要想一个过程控制系统能够正常工作，系统必须采用负反馈。对于一个串级控制系 统来说，主副调节
13、器的正反作用的选择原则是使整个系统构成负反馈，既其主通道的各 环节放大系数极性乘积为正值。副调节器作用方式：根据工艺要求，考虑安全因素，当发生事故时，阀门应处于全 开，所以调节阀应选择气关式，其中Kv为“-”，变送器Km为“ + ”。当调节阀开度 增加时，冷却套温温度下降，则副对象的Ko2为“ + ”。根据组成该系统的各个环节极 性相乘必须为正的原则，所以副调节器的Kp为“-”，所以选择正作用方式。主调节器 的作用方式：主调节器的作用方式只取决于主对象“Koi”的符号。主对象的输入信号 是液氨的供给流量，输出信号是发酵罐内部区域的温度。当液氨流量增大时，罐体对应 区域T下降，因此主对象Koi为
14、“-”，则主调节器Koi为“-”，故主调节器选择正 作用方式44、simulink 建模及仿真实验4.iMatlab 简介MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视 化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和 Simulink两大部分。MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵 实验室）。是由美国MathWorks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序 设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系 统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于
15、使用的视窗环境中，为科学研究、工程 设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大 程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国 际科学计算软件的先进水平。4.2控制系统 simulink 建模4.2.1发酵罐温度数学模型的建立般说来建立数学模型的方法大体上可分为两大类、一类是机理分析方法，一类是 测试分析方法。机理分析是根据对现实对象特性的认识、分析其因果关系，找出反映内 部机理的规律，建立的模型常有明确的物理或现实意义。测试分折将研究对象视为一个 “黑箱”系统，内部机理无法直接寻求，可以测量系统的输人输出数据、并以此为基础 运用统计分析方法，按照事先确定的准则在某一类模型中选出一个与数据拟合得最好的 模型。这种方法称为系统辨识(System Identification)。将这两种方法结合起来也是常 用的建模方法。即用机理分析建立模型的结构，用系统辨识确定模型的参数。发酵罐本身是一个比较复杂的被控对象，它具有非线性、时变性等特点。发酵罐温 度是通过向夹套中通入液氨或冷水进行调节控制的，当通入液氨或冷水后，发酵罐温度 变化存在一定的滞后性；另外，用传感器测量温度时，温度信号转换为电信号具有一定 的纯滞后；其余环节
