畢業(yè)設(shè)計(jì)-單片機(jī)控制啤酒發(fā)酵系統(tǒng)

1、<p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的來源、目的及意義 </p><p>　　我國(guó)的啤酒市場(chǎng)非常巨大，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)啤酒的企業(yè)數(shù)以百計(jì)，但與國(guó)外的主要啤酒生產(chǎn)廠家相比大部分企業(yè)技術(shù)落后，大部分處于手動(dòng)控制階段，只有極少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化。由于啤酒生產(chǎn)是一個(gè)利用生物加工進(jìn)行生產(chǎn)的過程，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，過程參數(shù)分散性大，傳統(tǒng)

2、操作方式難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。近年來，國(guó)外的各大啤酒生產(chǎn)廠家紛紛進(jìn)軍中國(guó)市場(chǎng)，憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)與國(guó)內(nèi)的啤酒生產(chǎn)廠家爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)的啤酒行業(yè)迫切要求進(jìn)行技術(shù)改造，提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以確保在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。</p><p>　　啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)中最重要的一道工序，是決定啤酒質(zhì)量的最關(guān)鍵的一步。按現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)周期一般在十五天左右，要求發(fā)酵液的溫度嚴(yán)格按照一定的工藝曲線變化。溫度控制精度在士

3、0. 5℃范圍內(nèi)，這樣的控制精度單憑傳統(tǒng)的熱工儀表加上手工操作方式是完全不能滿足要求的，但目前國(guó)內(nèi)的不少生產(chǎn)廠家都是采用這種生產(chǎn)方式。這就要求生產(chǎn)工人24小時(shí)中監(jiān)視啤酒發(fā)酵的溫度變化，根據(jù)偏差去調(diào)節(jié)冷媒的流量閥。這種方式，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且質(zhì)量難以控制。國(guó)外的著名啤酒生產(chǎn)廠家大部分都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)縮短了生產(chǎn)周期。為此，在國(guó)內(nèi)啤酒行業(yè)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)是十分迫切的。啤酒的發(fā)酵過程能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度將大大

4、地減小，同時(shí)啤酒的質(zhì)量與生產(chǎn)都有望升上一個(gè)新的臺(tái)階，企業(yè)通過技術(shù)改造增加了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。另一方面，不少化工生產(chǎn)過程都具有相似性，因此我們研制的這一套控制系統(tǒng)性價(jià)比高，以后還可以推廣到其他很多化工廠生產(chǎn)的場(chǎng)合。應(yīng)用前景樂觀，能產(chǎn)生較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)過程控制概況</p><p>　　我國(guó)啤酒的產(chǎn)量已逐步發(fā)展，但產(chǎn)品質(zhì)量必須達(dá)較高水平，花色品種也必須趕上

5、去，才能適應(yīng)日益變化的消費(fèi)者的需求，這就要求國(guó)內(nèi)的啤酒生產(chǎn)廠家改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝，更新生產(chǎn)設(shè)備以滿足市場(chǎng)的需求。主要有以下幾方面：</p><p>　　1. 引進(jìn)國(guó)外控制技術(shù)</p><p>　　例如：福建惠泉啤酒廠創(chuàng)下“十五”啤酒釀造技術(shù)新亮點(diǎn)—無菌釀造技術(shù)，并進(jìn)口德國(guó)Thiemt公司的各種先進(jìn)儀器和德國(guó)著名的高德曼(Kottermann)實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)造了世界一流的現(xiàn)代化啤酒控制系統(tǒng)；北

6、京燕京啤酒廠引進(jìn)德國(guó)施密特公司專用的先進(jìn)設(shè)備；北京華爾森啤酒廠從捷克全套引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備；北京華都啤酒廠從丹麥引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備；上海華光啤酒廠從瑞士引進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備等。引進(jìn)設(shè)備的最大特點(diǎn)是自動(dòng)化水平比較高，從而能嚴(yán)格滿足啤酒生產(chǎn)工藝的要求，因此產(chǎn)量較高，質(zhì)量較穩(wěn)定。但是引進(jìn)設(shè)備價(jià)格昂貴，使一般小廠望塵莫及。</p><p>　　2. 國(guó)內(nèi)科研院所、專業(yè)公司根據(jù)國(guó)情自行研究的技術(shù)</p><p>　　

7、由于引進(jìn)設(shè)備的成本非常高，因此，盡快地研制出自動(dòng)化水平較高的啤酒生產(chǎn)設(shè)備，以適應(yīng)國(guó)內(nèi)啤酒生產(chǎn)的需要，也成為國(guó)內(nèi)一些科研部門的熱點(diǎn)。1988年北京核工程研究院研制的“PRS-80型啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)”在伊春啤酒廠投入使用，其硬件配置分上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)工作站兩層，控制方案采用單變量溫度控制:1993年國(guó)家輕工業(yè)部自動(dòng)化研究所研制的“PW-40啤酒發(fā)酵微機(jī)控制系統(tǒng)”在廈門華僑啤酒廠投入使用，其控制方案也是采用單變量溫度控制；1994年北京科海測(cè)控工

8、程部研制的“CMCM啤酒發(fā)酵微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)”在無錫市太湖水啤酒廠投入使用，其硬件配置上位機(jī)采用80386，配合了一個(gè)小型局域網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)控制機(jī)采用Z80單板機(jī)，控制方案采用單變量控制，并設(shè)有液位檢測(cè)；合肥廉泉啤酒(集團(tuán))公司為了增強(qiáng)企業(yè)的整體實(shí)力，提高產(chǎn)品檔次，在1999年3月竣工完成糖化及發(fā)酵自控系統(tǒng)，從而使擴(kuò)建6萬噸啤酒生產(chǎn)系統(tǒng)的技改工作勝利完成。</p><p>　　3. 廠內(nèi)自行研究</p>

9、<p>　　國(guó)內(nèi)中小企業(yè)結(jié)合本廠生產(chǎn)實(shí)際自行研究的自動(dòng)化儀表加手動(dòng)的生產(chǎn)控制技術(shù)，造價(jià)低，效果一般，符合企業(yè)目前的狀況，但不能滿足企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的需求。</p><p>　　從上述情況看，我國(guó)的啤酒生產(chǎn)設(shè)備與發(fā)達(dá)國(guó)家相比有較大的差距，還處于起步階段。</p><p>　　1.3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在發(fā)酵過程中的應(yīng)用 </p><p>　　發(fā)酵過程計(jì)算機(jī)上控

10、制，特別是微機(jī)控制，己經(jīng)在我國(guó)發(fā)酵工業(yè)中推廣應(yīng)用，我國(guó)大型的發(fā)酵罐有7000多臺(tái)，若都能用微機(jī)控制，發(fā)酵效益的提高是十分可觀的。發(fā)酵過程中微機(jī)控制應(yīng)用，早期的有多STD總線的微機(jī)系統(tǒng)，最近的有工業(yè)PC機(jī)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，使用靈活方便，但是軟件開發(fā)的工作量較大，用戶修改控制方案較麻煩，近來，有各種不同改進(jìn)型的微機(jī)系統(tǒng)供發(fā)酵過程控制應(yīng)用。</p><p>　　隨著的小型集散控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)

11、用，在發(fā)酵工業(yè)上現(xiàn)已采用先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)來控制發(fā)酵過程。例如，用YEWPAK, N-90, 11L, JX, FOCUS等中小型集散控系統(tǒng)控制青霉素發(fā)酵，谷氨酸發(fā)酵等。隨著微機(jī)在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用不斷發(fā)展，各種測(cè)量傳感器、二次儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的完善，發(fā)酵罐系統(tǒng)完全自動(dòng)化操作和控制的目的就可以實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　1.4 發(fā)酵過程控制方法概述</p><p>　　微生物的發(fā)酵過程，

12、機(jī)理十分復(fù)雜，影響微生物生長(zhǎng)的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述這一發(fā)酵過程。發(fā)酵試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性較差，這對(duì)數(shù)學(xué)模型的建立也帶來了許多困難。</p><p>　　然而，人們借用微機(jī)這一先進(jìn)的科學(xué)工具，為解決發(fā)酵過程參數(shù)的測(cè)量。數(shù)據(jù)管理與分析，發(fā)酵過程優(yōu)化控制開創(chuàng)了新局面。</p><p>　　1.5 發(fā)酵過程直接數(shù)字控制(DDC)</p><p>　　使

13、用微機(jī)可以取代各種控制儀表，實(shí)現(xiàn)多回路PID及各種高級(jí)控制功能。同時(shí)，也可以省去各種顯示，記錄，報(bào)警儀表。利用微機(jī)的功能，對(duì)發(fā)酵過程的各種后參數(shù)，狀態(tài)和數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的優(yōu)化管理。如報(bào)表打印，各種參數(shù)的趨勢(shì)顯示圖，操作工藝流程圖，報(bào)警信息圖等。這對(duì)于發(fā)酵過程的操作監(jiān)控即直觀又方便，也大大減輕了工人的工作量，提高了效率。</p><p>　　第二章 啤酒發(fā)酵工藝概述</p><p>

14、　　2.1 啤酒生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介</p><p>　　啤酒生產(chǎn)過程主要包括糖化、發(fā)酵以及過濾分裝三個(gè)環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　(1) 糖化</b></p><p>　　糖化過程是把生產(chǎn)啤酒的主要原料與溫水混合，利用麥芽的水解酶把淀粉、蛋白質(zhì)等分解成可溶性低分子糖類、氨基酸、脈、膚等物質(zhì)，形成啤酒發(fā)酵原液─麥汁。</p>

15、<p><b>　　(2) 發(fā)酵</b></p><p>　　圖2.1 發(fā)酵溫度工藝設(shè)定曲線</p><p>　　啤酒發(fā)酵是一個(gè)微生物代謝過程，簡(jiǎn)單的說是把糖化麥汁經(jīng)酵母發(fā)酵分解成C2H5OH， CO2， H2O的過程，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生種類繁多的中間代謝物雙乙酞、脂肪酸、高級(jí)醇、酮等，這些代謝產(chǎn)物的含量雖然極少，但它們對(duì)啤酒的質(zhì)量和口味的影響很大，它們的產(chǎn)生

16、主要取決于發(fā)酵溫度。一般認(rèn)為，低溫發(fā)酵可以降低雙乙酞、脂類等代謝物的含量，提高啤酒的色澤和口味；高溫發(fā)酵可以加快發(fā)酵速度，提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益?？傊绾握莆蘸闷【瓢l(fā)酵過程中的發(fā)酵溫度，控制好溫度的升降速率是決定啤酒生產(chǎn)質(zhì)量的核心內(nèi)容。啤酒發(fā)酵是個(gè)放熱過程，如不加以控制，罐內(nèi)的溫度會(huì)隨著發(fā)酵生成熱的產(chǎn)生而逐漸上升，目前大多數(shù)對(duì)象是采用往冷卻夾套內(nèi)通入制冷酒精水混合物或液氨來吸收發(fā)酵過程中不斷放出的熱量，從而維持適宜的發(fā)酵溫度。整個(gè)發(fā)酵

17、過程分前酵和后酵兩個(gè)階段，發(fā)酵溫度的工藝設(shè)定典型曲線如圖2.1所示。不同品種、不同工藝所要求的溫度控制曲線會(huì)有所不同。</p><p><b>　　(1) 前酵</b></p><p>　　這個(gè)階段又稱為主發(fā)酵。麥汁接種酵母進(jìn)入前酵，接種酵母幾小時(shí)以后開始發(fā)酵，麥汁糖度下降，產(chǎn)生CO2并釋放生化反應(yīng)熱，使整個(gè)罐內(nèi)的溫度逐漸上升。經(jīng)過2～3天后進(jìn)入發(fā)酵最為旺盛的高泡期

18、再經(jīng)過2～3天，糖度進(jìn)一步降低，降糖速度變慢，酵母開始沉淀，當(dāng)罐內(nèi)發(fā)酵糖度達(dá)標(biāo)后進(jìn)行降溫轉(zhuǎn)入后酵階段。普通啤酒在前酵階段，一般要求控制在12℃左右，降溫速率要求控制在0.3 0C /h。</p><p><b>　　(2) 后酵</b></p><p>　　當(dāng)罐內(nèi)溫度從前酵的12℃降到5℃左右時(shí)后酵階段開始，這一階段最重要的是進(jìn)行雙乙酞還原，此外，后酵階段還完成了殘

19、糖發(fā)酵，充分沉淀蛋白質(zhì)，降低氧含量，提高啤酒穩(wěn)定性。一旦雙乙酞指標(biāo)合格，發(fā)酵罐進(jìn)入第二個(gè)降溫過程，以0.150C/h的降溫速率把罐內(nèi)發(fā)酵溫度從5℃降到0～-1℃左右進(jìn)行貯酒，以提高啤酒的風(fēng)味和質(zhì)量。經(jīng)過一段時(shí)間的貯酒，整個(gè)發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。</p><p>　　通常發(fā)酵液溫度在不同的發(fā)酵階段，對(duì)罐內(nèi)發(fā)酵液的溫度場(chǎng)要有相應(yīng)的要求：在前酵階段希望發(fā)酵罐內(nèi)從罐頂?shù)焦薜子幸徽臏囟忍荻?，即從控制上層溫度為主，以利于發(fā)酵液

20、對(duì)流和酵母在罐內(nèi)的均勻混合；在后酵階段，則要求發(fā)酵液由卜到下有一定的負(fù)溫度梯度，即控制以下層溫度為主，便于酵母的沉淀和排除。</p><p>　　(3) 啤酒的過濾和灌裝</p><p>　　前、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過過濾機(jī)和高溫瞬時(shí)殺菌進(jìn)行生物以及膠體穩(wěn)定處理然后灌裝。啤酒過濾是一種分離過程，其主要目的是把啤酒中仍然存在的酵母細(xì)胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質(zhì)會(huì)在以后的時(shí)

21、間里從啤酒中析出，導(dǎo)致啤酒混濁，目前多采用硅藻土過濾方式。如果啤酒中仍含有微生物(雜菌)，則微生物可以在啤酒中迅速繁殖，導(dǎo)致啤酒混濁，其排泄的代謝產(chǎn)物甚至使啤酒不能飲用。殺菌就是啤酒在灌裝之前對(duì)其進(jìn)行生物穩(wěn)定性處理的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。</p><p>　　至此，一個(gè)啤酒和生產(chǎn)周期結(jié)束。</p><p>　　2.2 啤酒發(fā)酵過程溫控對(duì)象的特點(diǎn)</p><p>　　發(fā)酵罐

22、是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備，圖2.2為圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖，酵母在罐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生熱量，使麥汁溫度升高，因此在罐壁設(shè)置有上、中、下三段冷卻套，相應(yīng)的設(shè)立上、中、下三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和三個(gè)調(diào)節(jié)閥，通過閥門調(diào)節(jié)冷卻套內(nèi)冷卻液的流量來實(shí)現(xiàn)對(duì)酒體溫度的控制。以閥門開度為控制量，酒體溫度為被控量。該廣義對(duì)象是一個(gè)三輸入、三輸出的多變量系統(tǒng)，機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)表明啤酒發(fā)酵罐的溫控對(duì)象不同于一般的工業(yè)對(duì)象，主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：</p><p

23、><b>　　(1) 時(shí)滯很大</b></p><p>　　圖2.2 圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖</p><p>　　在整個(gè)發(fā)酵過程中，由于生化反作用產(chǎn)生的生化反應(yīng)熱導(dǎo)致罐內(nèi)發(fā)酵溫度的升高，為了維持適宜的發(fā)酵溫度，通常是往發(fā)酵罐冷卻夾套內(nèi)通入酒精水或液態(tài)氨，來帶走多余的反應(yīng)熱。由于罐內(nèi)沒有攪拌裝置和加熱裝置，冷媒發(fā)酵液間主要依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱量交換，發(fā)酵液內(nèi)部存在一

24、定的對(duì)流，影響到測(cè)溫點(diǎn)，這就使得控制量的變化后，要經(jīng)過一段時(shí)間，被控量才發(fā)生變化，因此這類系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出很大的時(shí)滯效應(yīng)。例如一個(gè)120m3啤酒發(fā)酵罐溫度響應(yīng)的滯后時(shí)間一般在5～30min之內(nèi)變化。</p><p><b>　　(2) 時(shí)變性</b></p><p>　　發(fā)酵罐的溫控特性主要取決于發(fā)酵液內(nèi)生化反應(yīng)的劇烈程度。而啤酒發(fā)酵是從起酵、旺盛、衰減到停止不斷變化的

25、間歇生產(chǎn)過程，在不同的發(fā)酵階段，酵母活力不同，造成酒體溫度特性變化，因此對(duì)象特性具有明顯的時(shí)變性。</p><p>　　(3) 大時(shí)間常數(shù)</p><p>　　發(fā)酵罐體積大，發(fā)酵液體通過罐壁與冷卻水進(jìn)行熱交換的過程比較慢。</p><p><b>　　(4) 強(qiáng)關(guān)聯(lián)</b></p><p>　　因?yàn)楣迌?nèi)酒體的對(duì)流，所

26、以在任一控制量的變化均會(huì)引起三個(gè)被控量的變化。</p><p>　　在分析對(duì)象特性的時(shí)候，由于受到認(rèn)識(shí)上的限制，往往也不能確切掌握工業(yè)過程中各種物理、化學(xué)變化的本質(zhì)特征，這也必然會(huì)導(dǎo)致獲取的對(duì)象特性與實(shí)際特性存在難以確定的偏差。例如啤酒生產(chǎn)過程酵母特性、原料特性等許多因素的變化都會(huì)引起被控系統(tǒng)特性參數(shù)的變化和攝動(dòng)，而這些因素在實(shí)際系統(tǒng)中都是很難在線或?qū)崟r(shí)獲取的。</p><p><b

27、>　　硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1 概述</b></p><p>　　根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，控制系統(tǒng)得結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　在系統(tǒng)總體構(gòu)思時(shí)，主要遵從以下幾點(diǎn)原則：</p><p>　

28、　1. 可靠性設(shè)計(jì)原則</p><p>　　設(shè)計(jì)過程的首要考慮的因素是可靠性，由于啤酒發(fā)酵是一個(gè)連續(xù)生產(chǎn)過程，要求設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，正常情況下一年才停機(jī)大修一次，因此，對(duì)硬件可靠性提出較高的要求。</p><p>　　為了達(dá)到可靠性要求，在設(shè)計(jì)時(shí)采取了以下措施：</p><p>　　a. 盡量采用標(biāo)準(zhǔn)的元器件和電路；</p><p><

29、;b>　　b. 簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)；</b></p><p>　　此外，設(shè)計(jì)中盡量使用集成度高的元件或模塊，減少元件的數(shù)量。這既符合抗干擾需要也符合可靠性原則。當(dāng)然，也不能盲目地追求新奇器件，還要考慮其性能價(jià)格比、貨源等問題，以便于投入生產(chǎn)。</p><p>　　2. 技術(shù)先進(jìn)、生命周期長(zhǎng)</p><p>　　3. 性能/價(jià)格比高</p>

30、<p>　　3.2 模擬量輸入通道</p><p>　　3.2.1 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　1. 單路模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　(1) 傳感器</b></p><p>　　其作用是把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種非電量檢測(cè)出來，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)得電信號(hào)。如熱電偶能把溫度的

31、高低轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的熱電動(dòng)勢(shì)、應(yīng)變橋式荷重傳感器能把受力的大小轉(zhuǎn)換位相應(yīng)得電位差。</p><p>　　(2) 信號(hào)調(diào)理電路</p><p>　　信號(hào)調(diào)理電路的作用是將傳感器輸出的信號(hào)作適當(dāng)?shù)奶幚?，使之成為適合A/D轉(zhuǎn)換得電壓信號(hào)。主要包括信號(hào)的濾波、放大、隔離、變換以及線形化處理內(nèi)容，其中有些環(huán)節(jié)如濾波、線形化處理等可通過軟件實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　(3) 采

32、樣保持器（S/H）</p><p>　　一般來講，要輸入的模擬信號(hào)都是變化的。計(jì)算機(jī)在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散采樣時(shí)，需要得到它某一時(shí)刻的瞬時(shí)值，并能將這一瞬時(shí)值保持到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。采樣保持器就是實(shí)現(xiàn)這一功能的電路。當(dāng)輸入的模擬量信號(hào)變化緩慢時(shí)，也可省去采樣保持器。</p><p>　　(4) A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的模擬信號(hào)的采

33、樣值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)得數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　2. 多路模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)</p><p>　　(1) 多通道并聯(lián)輸入</p><p>　　由若干個(gè)單路模擬量輸入通道組成。常用于高速系統(tǒng)中，可對(duì)各個(gè)模擬信號(hào)同時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　(2) 多通道共用A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　在系統(tǒng)中增

34、加一個(gè)多路開關(guān)，這種形式的A/D轉(zhuǎn)換器可對(duì)各路模擬信號(hào)依次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由于轉(zhuǎn)換時(shí)分時(shí)進(jìn)行的，故工作速度較慢。多路開關(guān)的作用事當(dāng)多路輸入時(shí)，能按要求切換多路模擬信號(hào)，確保要求的某一路模擬信號(hào)引入A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　3.2.2 模擬量輸入通道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題</p><p>　　模擬量輸入通道是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信號(hào)采集通道，在設(shè)計(jì)中必須考慮到信號(hào)的拾取方式、信號(hào)的調(diào)理、

35、A/D轉(zhuǎn)換以及電源的配置等問題。</p><p>　　1. 信號(hào)的拾取方式</p><p>　　在模擬量輸入通道中，首先要將工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種非電物理量，如壓力、溫度、液位、流量等轉(zhuǎn)換成電量。根據(jù)這一要求，信號(hào)的拾取可以通過敏感元件、傳感器及測(cè)量?jī)x表來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　(1) 通過敏感元件拾取被測(cè)信號(hào)。敏感元件能將被測(cè)的物理量變換成電流、電壓或R、L、C參

36、數(shù)變化。一般來講，敏感元件體積小，可以隨擁護(hù)要求及環(huán)境特點(diǎn)做成各種形狀的探頭。如果被測(cè)環(huán)境較特殊，而無現(xiàn)成的傳感器可用，只能選擇合適的敏感元件。對(duì)于R、L、C參量型敏感元件，要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路，使這類參數(shù)變換成電流或電壓量。</p><p>　　(2) 通過傳感器失去被測(cè)信號(hào)。這是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中使用最多的一種信號(hào)拾取方式。它將敏感元件、測(cè)量電路、傳輸構(gòu)件等配以合適的外殼做成各種外形，以滿足不同的要求。一般傳感器

37、均為電量輸出，可以是電壓或電流，有的還直接輸出頻率信號(hào)，無需再通過A/D轉(zhuǎn)換即可輸入計(jì)算機(jī)。</p><p>　　(3) 通過測(cè)量?jī)x表拾取被測(cè)信號(hào)。目前有許多測(cè)量?jī)x表，如熱工、化工行業(yè)的各種調(diào)節(jié)儀表、市售的各種測(cè)量?jī)x表，它們的測(cè)量電路配置較完善，一般都是大信號(hào)輸出，有的還直接輸出數(shù)字量，可大大簡(jiǎn)化模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)。但其售價(jià)遠(yuǎn)高于一個(gè)傳感器的價(jià)格。</p><p><b>　

38、　2. 信號(hào)的調(diào)理</b></p><p>　　在模擬量輸入通道中，信號(hào)調(diào)理的任務(wù)是將傳感器輸出的電信號(hào)或R、L、C參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為滿足A/D轉(zhuǎn)換要求的電壓信號(hào)。</p><p>　　在一般的測(cè)控系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了信號(hào)放大和濾波外，還有諸如零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正、量程切換等。但在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，許多環(huán)節(jié)都可以通過軟件來實(shí)現(xiàn)。因此，模擬量輸入

39、通道中信號(hào)調(diào)理的重點(diǎn)為小信號(hào)放大、變換及信號(hào)的濾波等。</p><p>　　3. A/D轉(zhuǎn)換器</p><p><b>　　4. 電源配置</b></p><p>　　模擬量輸入通道中要完成信號(hào)的拾取、調(diào)理、轉(zhuǎn)換等復(fù)雜任務(wù)。在信號(hào)拾取時(shí)，要考慮對(duì)傳感器的供電。在信號(hào)的調(diào)理、轉(zhuǎn)換電路個(gè)可能回有一些特殊的期間要求特殊的供電。因此，在模擬量輸入通

40、道靠近被測(cè)對(duì)象，而且傳感器輸出的常常是小信號(hào)，因此，模擬量輸入通道是干擾侵入的主要渠道，在電源配置時(shí)要充分考慮到干擾的隔離與抑制。</p><p>　　3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器</p><p>　　3.2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本概念</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換的功能是把模擬量電壓轉(zhuǎn)換為N位數(shù)字量電壓。</p><p>　　1. A

41、/D轉(zhuǎn)換器的模擬量電壓是連續(xù)的。由于A/D轉(zhuǎn)換器完成依次轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，A/D轉(zhuǎn)換只能間斷地進(jìn)行，因此輸出的數(shù)字量電壓是不連續(xù)的，稱為離散量。采樣之后，A/D轉(zhuǎn)換所得的結(jié)果是一個(gè)個(gè)孤立的點(diǎn)。每個(gè)點(diǎn)的縱坐標(biāo)代表某個(gè)數(shù)字量，其值與采樣時(shí)刻的模擬量相對(duì)應(yīng)。如果在相鄰兩次采樣時(shí)刻之間，A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量保持前一時(shí)刻的值，那么A/D轉(zhuǎn)換的輸出就是一條階梯形的曲線。</p><p>　　2. 兩次采樣的時(shí)隔時(shí)間稱為

42、采樣周期。為了使輸出量能充分反映輸入量的變化情況，采樣周期要根據(jù)輸入量變化的快慢來決定。而一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間顯然必須小于采樣周期。</p><p>　　3. 擬量表示為相應(yīng)的數(shù)字量，稱為量化，數(shù)字量的最低位即最小有效位1LSB，與此相對(duì)應(yīng)的模擬電壓值稱為1個(gè)量化單位。如果模擬電壓小于此值，不能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。這表示了這個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨能力。</p><p>　　3.2.3

43、.2 A/D轉(zhuǎn)換的主要性能指標(biāo)</p><p><b>　　1. 分辨率 </b></p><p>　　習(xí)慣上以輸出的二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。如一個(gè)輸出為8位二進(jìn)制的A/D轉(zhuǎn)換器，稱其分辨率為8位?；蛘哂脤?duì)應(yīng)于1LSB的輸入模擬電壓來表示。分辨率也可以用百分?jǐn)?shù)來表示，例如8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率百分?jǐn)?shù)位（1/256）*100%=0.39%。</p>

44、;<p><b>　　2. 量化誤差</b></p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換是用數(shù)字量對(duì)模擬量進(jìn)行量化。由于存在著最小量化單位，在轉(zhuǎn)換中就會(huì)出現(xiàn)誤差。</p><p><b>　　3. 轉(zhuǎn)換精度</b></p><p>　　這是指一個(gè)實(shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器與理想的A/D轉(zhuǎn)換器相比的轉(zhuǎn)換誤差。絕對(duì)精度一般以LS

45、B為單位給出。性隊(duì)精度則是絕對(duì)精度與滿量程的比值。不同廠家（公司）生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器6其轉(zhuǎn)換精度指標(biāo)的表達(dá)方式可能不同。有的給出綜合誤差指標(biāo)；有的給出分項(xiàng)誤差指標(biāo)，有失調(diào)誤差（零點(diǎn)誤差）、增益誤差（滿量程誤差）、非線性誤差和微分非線性誤差。</p><p><b>　　(1) 失調(diào)誤差</b></p><p>　　又稱為零點(diǎn)誤差，這是指當(dāng)輸入模擬量從0逐漸增長(zhǎng)使輸出

46、數(shù)字量從0…0跳至0…1 時(shí)，輸入模擬量實(shí)際數(shù)值與理想的模擬量數(shù)值（即1LSB的對(duì)應(yīng)值）之差。這反映了A/D轉(zhuǎn)換器零點(diǎn)的偏差。一定溫度下的失調(diào)誤差可以通過電路調(diào)整來消除。</p><p><b>　　(2) 增益誤差</b></p><p>　　當(dāng)輸入數(shù)字量達(dá)到滿量程時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輸入模擬量與理想的模擬量數(shù)值之差，稱為增益誤差或滿量程誤差。計(jì)算此項(xiàng)誤差時(shí)應(yīng)將失調(diào)誤差除

47、去。一定溫度下的增益誤差也可以通過電路調(diào)整來消除。</p><p>　　(3) 非線性誤差</p><p>　　這是指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性與理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差，它可能出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換曲線的某處。此項(xiàng)誤差不包括量化誤差、失調(diào)誤差和增益誤差。它不能通過電路調(diào)整來消除。</p><p>　　(4) 微分非線性誤差</p><p>　　在A/D轉(zhuǎn)換曲線

48、上，實(shí)際臺(tái)階幅度與理想臺(tái)階幅度（即理論上的1LSB）之差，稱為微分非線性誤差。如果此誤差超過1LSB，就會(huì)出現(xiàn)丟失某個(gè)數(shù)字碼的現(xiàn)象。</p><p>　　在上述幾項(xiàng)誤差中，如果失調(diào)誤差和增益誤差能得到完全補(bǔ)償，那么只需考慮后兩項(xiàng)非線性誤差。</p><p>　　需要指出的是精度所對(duì)應(yīng)的誤差指標(biāo)中未包括量化誤差，因此實(shí)際的總誤差還要把量化誤差考慮在內(nèi)。</p><p>

49、;<b>　　4. 轉(zhuǎn)換時(shí)間</b></p><p>　　這是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。</p><p><b>　　5. 溫度系數(shù)</b></p><p>　　表示A/D轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度。一般用環(huán)境溫度變化1攝氏度所產(chǎn)生的相對(duì)轉(zhuǎn)換誤差來表示，以PPm/C位單位。</p&

50、gt;<p>　　3.2.3.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器的選擇應(yīng)依系統(tǒng)要求，從轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、通道數(shù)量、價(jià)格及器件來源諸方面綜合考慮。</p><p>　　一般來講，雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路簡(jiǎn)單，抗干擾性能好，精度高，價(jià)格便宜但速度慢，在速度要求不高的系統(tǒng)中宜選用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　逐次逼近型

51、A/D轉(zhuǎn)換器的電點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間不隨輸入信號(hào)的高低變化，精度有高有低，抗干擾能力差，性能不同時(shí)價(jià)格差別較大，適用于速度較高的系統(tǒng)中。</p><p>　　此外，常用的還有V/F轉(zhuǎn)換器，它可將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)，其特點(diǎn)是分辨率高，對(duì)工頻干擾有一定的抑制能力，頻率信號(hào)易于傳輸，且容易實(shí)現(xiàn)隔離，但速度慢。由于其有一系列的優(yōu)點(diǎn)，在一些非快速系統(tǒng)中使用較多。</p><p>　　如何從種

52、類繁多的A/D芯片中選擇出合適的A/D芯片，是每個(gè)設(shè)計(jì)者必須認(rèn)真考慮的問題。一般可按照下列原則選擇A/D轉(zhuǎn)換器：</p><p>　　1. 根據(jù)前向通道的總誤差，選擇A/D轉(zhuǎn)換器的精度及分辨率。擁護(hù)提出的數(shù)據(jù)采集精度要求是綜合精度要求，它包括傳感器精度、信號(hào)條理電路精度和A/D轉(zhuǎn)換精度。應(yīng)將綜合精度在各個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行分配，以確定A/D轉(zhuǎn)換器的精度要求，據(jù)次確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。</p><p

53、>　　2. 根據(jù)嬉鬧對(duì)象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定A/D轉(zhuǎn)換速度，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。</p><p>　　3. 根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D轉(zhuǎn)換器的一些環(huán)境參考要求，如工作溫度、功耗、可靠性等級(jí)等性能。</p><p>　　4. 根據(jù)計(jì)算機(jī)借口特征，考慮如何選擇A/D轉(zhuǎn)換器的輸出狀態(tài)。例如，A/D轉(zhuǎn)換器是并行輸出還是串行輸出；是二進(jìn)制還是BCD碼輸出；是用外部時(shí)鐘還是內(nèi)部時(shí)鐘

54、；有無轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)；與TTL、CMOS電路的兼容性；與微機(jī)借口是否易連等輸出功能。</p><p>　　5. 其他還應(yīng)考慮成本、資源、是否是流行芯片等因素。</p><p>　　3.2.4 模擬量輸入通道設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)檢測(cè)30個(gè)溫度（T1～T9）、10個(gè)壓力（P1～P10）、10個(gè)液位（H1～H10）。對(duì)于溫度，我們選用WZP-231鉑熱電

55、阻30支和RTTB-EKT溫度變送器30只進(jìn)行溫度測(cè)量和變送，即將-20～50C變換成4～20mA(DC)信號(hào)，送至32路I/V變換板CMB5419-1B，把4～20 mA(DC)信號(hào)變換成1～5V（DC）信號(hào)，最后把1～5V（DC）信號(hào)送至32路12位光電隔離A/D板IPC5488，從而實(shí)現(xiàn)溫度的數(shù)據(jù)采集。對(duì)于壓力，選用10臺(tái)電容式壓力變送器CECY-150G，進(jìn)行壓力測(cè)量變送，即將0～0.25mPa壓力變換成4～20mA(DC)信號(hào)

56、，同樣經(jīng)過I/V板送至A/D板。對(duì)于液位，選用10臺(tái)電容式液位變送器CECU-341G（實(shí)際上是法蘭差壓變送器），進(jìn)行液位測(cè)量和變送，即將0～0.2mPa的差壓轉(zhuǎn)換成4～20mA(DC)信號(hào)，同樣經(jīng)I/V變換送至A/D板。</p><p>　　3.3 模擬量輸出通道</p><p>　　3.3.1 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)</p><p>　　模擬量輸出通道的一般形式

57、：</p><p>　　1. 單路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　(1) 寄存器</b></p><p>　　用于保存計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量控制信號(hào)。目前的D/A轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)一般都帶有輸入寄存器，因此，在模擬量輸出通道中，一般不需要再安排專門的寄存器電路。</p><p>　　(2) D/A轉(zhuǎn)換器&l

58、t;/p><p>　　它是模擬量輸出通道的核心部件。其作用是將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。轉(zhuǎn)換后的模擬量有電壓和電流兩種形式。</p><p>　　(3) 放大/變換電路</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量信號(hào)往往無法直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蜃儞Q。例如，常用的電動(dòng)執(zhí)行器需要0～10mA或4～20mA電流信號(hào)來控制，這就需要把D/A轉(zhuǎn)換器輸出

59、的電壓信號(hào)變換成上述范圍地信號(hào)。</p><p>　　1. 多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)</p><p>　　在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控制的對(duì)象往往是多回路的。對(duì)于模擬量輸出通道，需要考慮的問題是在每次的控制量更新之前，如何保持本次的信號(hào)不變。保持的方式有2種：數(shù)字量保持和模擬量保持。對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)有兩種形式：各通道自備D/A轉(zhuǎn)換器形式和通道共用D/A轉(zhuǎn)換器形式。</p><

60、;p>　　(1) 各通道自備D/A轉(zhuǎn)換器形式</p><p>　　這種形式各通道之間是相互獨(dú)立的，每一通道的結(jié)構(gòu)和單路模擬量輸出通道相同。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快、工作可靠，即使某一路D/A轉(zhuǎn)換器出了故障也不會(huì)影響其它通道的工作。</p><p>　　(2) 各通道共用D/A轉(zhuǎn)換器形式</p><p>　　計(jì)算機(jī)輸出的控制信息都經(jīng)同一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)得模

61、擬量，再經(jīng)多路開關(guān)傳送到相應(yīng)的通道，由保持器保持當(dāng)前的模擬量。其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了價(jià)格較貴的D/A轉(zhuǎn)換器，但由于各通道是分時(shí)工作的，工作速度受到限制。</p><p>　　3.3.2 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的問題</p><p>　　關(guān)于模擬量輸出通道的設(shè)計(jì),像模擬量輸入通道的實(shí)際一樣,基于現(xiàn)代微電子技術(shù)的成就,其主要任務(wù)是根據(jù)通道的技術(shù)要求,合理地選擇通道的結(jié)構(gòu)以及按照一定的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)

62、則，恰當(dāng)?shù)剡x擇所需的集成電路，并把它們與微處理器正確地連接起來。設(shè)計(jì)中通常不需要進(jìn)行繁雜的參數(shù)計(jì)算，而需要清楚地掌握和理解集成電路的功能和特點(diǎn)。</p><p>　　在模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)中，選擇合適的D/A轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要，一般來講，對(duì)于D/A轉(zhuǎn)換電路，應(yīng)考慮以下問題：</p><p>　　(1) 通道技術(shù)要求所需要的分辨率、精度以及線性度。</p><p>　　

63、(2) 連接電平和CPU能否直接接口，數(shù)據(jù)是串行輸入還是并行輸入。</p><p>　　(3) 輸出是電流形式還是電壓形式，滿刻度值的大小，能否滿足通道的技術(shù)要求等。</p><p>　　(4) 參考電壓類型。</p><p>　　(5) 輸出電壓是單極性的還是雙極性的。</p><p>　　(6) 速度是夠滿足通道技術(shù)要求。<

64、;/p><p>　　(7) 此外，在硬件設(shè)計(jì)的同時(shí)，還必須考慮通道的驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)。合理的軟件設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化硬件電路。</p><p>　　3.3.3 D/A轉(zhuǎn)換器</p><p>　　3.3.3.1 D/A轉(zhuǎn)換得基本知識(shí)</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換的基本原理是應(yīng)用電阻解碼網(wǎng)絡(luò)，將N位數(shù)字量逐位轉(zhuǎn)換為模擬量并求和，從而實(shí)現(xiàn)將N位數(shù)字量轉(zhuǎn)換

65、為相應(yīng)得模擬量。</p><p>　　由于數(shù)字量不是連續(xù)的，其轉(zhuǎn)換后的模擬量自然也不會(huì)連續(xù)，同時(shí)由于計(jì)算機(jī)每次輸出數(shù)據(jù)和D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，因此實(shí)際上D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量隨時(shí)間的變化不是連續(xù)的，而是呈階梯狀。</p><p>　　3.3.3.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)</p><p><b>　　1. 分辨率</b>

66、</p><p>　　其定義是當(dāng)輸出數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化（即1LSB）時(shí)，所對(duì)應(yīng)得輸出模擬量的變化量，即等于：模擬量輸出的滿量程值/2N （N—數(shù)字量位數(shù)）。分辨率也可以用相對(duì)值（即1/2N）百分率來表示。在實(shí)際使用中，又常用數(shù)字量的位數(shù)來作為分辨率。</p><p><b>　　2. 轉(zhuǎn)換精度</b></p><p>　　這是指一個(gè)實(shí)際的

67、D/A轉(zhuǎn)換器與理想的D/A轉(zhuǎn)換器相比較的轉(zhuǎn)換誤差。精度反映D/A轉(zhuǎn)換的總誤差。其主要誤差因素可分為失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。</p><p>　　(1) 失調(diào)誤差（或零點(diǎn)誤差）</p><p>　　其定義是黨輸入數(shù)字量為全0碼時(shí)，其模擬量實(shí)際輸出值與理想輸出值得偏差。對(duì)于單極性D/A轉(zhuǎn)換器，模擬量輸出的理想值是零。對(duì)于雙極性D/A轉(zhuǎn)換，此理想值是負(fù)的滿量程值。一定溫

68、度下的失調(diào)誤差可以通過外部調(diào)整措施進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　(2) 增益誤差（或滿量程誤差）</p><p>　　當(dāng)輸入數(shù)字量為全1碼（即滿量程）時(shí)，實(shí)際輸出電壓值與理想值之間的偏差稱為增益誤差。此誤差是由于D/A轉(zhuǎn)換器的輸出與輸入傳遞特性曲線的斜率（稱為增益）存在誤差所引起的。計(jì)算增益誤差時(shí)應(yīng)將失誤誤差除去。一定溫度下的增益誤差也可通過外部調(diào)整措施實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。</p>

69、<p>　　(3) 非線性誤差</p><p>　　其含義是實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想轉(zhuǎn)換特性曲線之間的最大偏差。一般要求此誤差不大于1/2LSB。D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)和增益調(diào)整一般不能完全消除非線性誤差，但可以使之顯著減小。</p><p>　　(4) 微分非線性誤差</p><p>　　這是指任意兩個(gè)相鄰數(shù)碼所對(duì)應(yīng)得模擬量間隔于理想值之間的偏差。<

70、;/p><p><b>　　3. 建立時(shí)間</b></p><p>　　當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)據(jù)發(fā)生變化后，輸出模擬量達(dá)到穩(wěn)定數(shù)值即進(jìn)入規(guī)定的精度范圍內(nèi)所需要的時(shí)間。</p><p><b>　　4. 溫度系數(shù)</b></p><p>　　以上各項(xiàng)性能指標(biāo)一般是在環(huán)境溫度為250C下測(cè)定的就。環(huán)境溫

71、度的變化會(huì)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換精度產(chǎn)生影響，這一影響分別用失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)和微分非線性溫度系數(shù)來表示。這些系數(shù)的含義是環(huán)境溫度變換10C時(shí)該項(xiàng)誤差的相對(duì)變化率，單位是ppm/c 。</p><p>　　3.3.3.3 D/A轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)</p><p>　　選擇D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：</p><p>　　1. 輸入信號(hào)的形式</p&

72、gt;<p>　　輸入信號(hào)有并行和串行兩種形式，根據(jù)實(shí)際要求選定，在實(shí)際應(yīng)用中大多數(shù)為并行輸入。串行輸入節(jié)省數(shù)據(jù)線，但速度較慢，適用于遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　2. 分辨率和轉(zhuǎn)換精度</p><p>　　根據(jù)對(duì)輸出模擬量的精度要求，來確定D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率和轉(zhuǎn)換精度。常用的分辨率有8位、10位和12位，相應(yīng)得百分率值為0.392%、0.0978%和0.0244

73、%。在精度指標(biāo)方面，零點(diǎn)誤差和滿量程誤差可以通過電路調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)償，因此主要看芯片的非線性誤差和微分非線性誤差。</p><p><b>　　3. 建立時(shí)間</b></p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器的電流建立時(shí)間很短，一般為50～500ns。若是輸出電壓形式，加上運(yùn)算放大器電路，電壓建立時(shí)間與半為幾u(yù)s，一般都能滿足系統(tǒng)要求。</p><p>

74、　　4. 輸入鎖存器的情況</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器的輸入部分有不帶輸入鎖存器、帶一級(jí)輸入鎖存器和帶兩級(jí)輸入鎖存器三種類型，后兩種能分別工作于單緩沖方式和雙緩沖方式。這可根據(jù)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換工作方式的要求來選擇。</p><p>　　5. 轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出形式</p><p>　　轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出形式有電流或電壓，有單極性或雙極性，有不同量程，還有多通道輸出方式

75、。這可根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)模擬量形式的實(shí)際要求來確定。其中有的要求可以采用不同房時(shí)來實(shí)現(xiàn)，例如要發(fā)球輸出為電壓形式，可以選擇內(nèi)部帶輸出放大器的D/A芯片；也可以兼顧其他性能而選擇輸出為電流形式的，再外加放大器。</p><p>　　3.3.4 模擬量輸出通道設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)自動(dòng)控制30個(gè)溫度，即使用30個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥ZDLP-6B，通過調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度，從而調(diào)節(jié)冷卻液（淡酒

76、精）流量，達(dá)到控制發(fā)酵溫度的目的。</p><p>　　在模擬量輸出通道中，采用8路12位光電隔離D/A 轉(zhuǎn)換板IPC5486，將計(jì)算機(jī)輸出的控制量轉(zhuǎn)換成4～20mA(DC)信號(hào)，該信號(hào)送至操作器DFQ-2100，DFQ-2100具有自動(dòng)和手動(dòng)切換功能，DFQ-2100輸出4～20mA(DC)信號(hào)送至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，從而實(shí)現(xiàn)控制30個(gè)調(diào)節(jié)閥（TV1～TV30），達(dá)到控制溫度的目的。</p><p&

77、gt;　　另外，系統(tǒng)還配有+24V（DC）電源給變送器、操作器供電。因而采用光電隔離技術(shù)，故A/D板和D/A板都采用了DC/DC電源變換模塊，提供光電隔離所需的工作電源。</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 計(jì)算機(jī)DDC系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)的要求</p><p><b>　　1. 實(shí)時(shí)性<

78、;/b></p><p>　　DDC系統(tǒng)是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，所以它的軟件應(yīng)是實(shí)時(shí)性控制軟件。計(jì)算機(jī)必須對(duì)生產(chǎn)過程（或裝置）的各種工藝參數(shù)及時(shí)采集，不能丟失有用的信息；CPU要盡快地進(jìn)行邏輯判斷或按規(guī)定的控制酸法進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，完成處理過程，輸出控制信號(hào)，以便對(duì)生產(chǎn)過程（或裝置）不失時(shí)機(jī)的加以控制；對(duì)突然出現(xiàn)的故障，要即使報(bào)警和進(jìn)行事故處理。因此，實(shí)時(shí)性的概念對(duì)計(jì)算機(jī)DDC系統(tǒng)具有特被重要的意義。</p>

79、;<p><b>　　2. 可靠性</b></p><p>　　軟件的可靠性是指在一定時(shí)間范圍內(nèi)，軟件執(zhí)行無故障的可能性和每次遇到故障時(shí)對(duì)擁護(hù)造成的影響大小。軟件設(shè)計(jì)的疏忽會(huì)削弱軟件的預(yù)期能力，降低控制質(zhì)量，有時(shí)還會(huì)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)錯(cuò)誤動(dòng)作，使生產(chǎn)過程（或裝置）不能正常工作，所以設(shè)計(jì)正確無誤的軟件應(yīng)該是提高軟件可靠性的重要保證?？煽啃愿叩能浖€應(yīng)該具有自動(dòng)容錯(cuò)、糾錯(cuò)功能，在誤操作時(shí)

80、（如按錯(cuò)鍵、輸入錯(cuò)誤參數(shù)等）不會(huì)造成生產(chǎn)過程（或裝置）的嚴(yán)重失調(diào)。</p><p>　　3. 人機(jī)交往功能</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)應(yīng)該方便操作人員與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的“對(duì)話”，生產(chǎn)過程的狀態(tài)要在控制面板上隨時(shí)顯示，而操作員也能在連機(jī)情況下修改程序及調(diào)節(jié)參數(shù)，變更控制方案。</p><p>　　4. 編制軟件使用的語言、</p><p>　

81、　一般計(jì)算機(jī)DDC系統(tǒng)編制軟件要求使用匯編語言。匯編語言編制的軟件，可以達(dá)到按“位”處理的目的，容易滿足實(shí)時(shí)性的要，程序結(jié)構(gòu)較緊湊，以節(jié)省存儲(chǔ)空間。在內(nèi)存容量較大的情況下，軟件中一些沒有實(shí)時(shí)性要求的管理程序也可用高級(jí)語言編制，然后通過一點(diǎn)的編譯程序?qū)⑵渖赡繕?biāo)程序。</p><p><b>　　4.2 數(shù)據(jù)采集</b></p><p>　　4.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

82、的控制方式</p><p>　　1. 軟件延時(shí)定時(shí)控制</p><p>　　2. 硬件定時(shí)、軟件查詢</p><p>　　3. 多中斷控制方式</p><p>　　4. 單中斷控制方式</p><p><b>　　DMA控制方式</b></p><p>　　4.2.

83、2 數(shù)據(jù)采集程序</p><p>　　首先按順序采集30個(gè)溫度信號(hào)，然后再采集10個(gè)壓力信號(hào)，最后采集10個(gè)液位信號(hào)，這些信號(hào)共采集5遍存儲(chǔ)起來，采樣周期T=2s。</p><p><b>　　4.3 數(shù)字濾波</b></p><p>　　4.3.1 常用的數(shù)字濾波方法</p><p>　　數(shù)字濾波是計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行

84、程序?qū)斎氲臄?shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，減少干擾在信號(hào)中的比重，實(shí)質(zhì)上是一種程序?yàn)V波。數(shù)字濾波電路與模擬濾波電路相比，主要優(yōu)點(diǎn)有三：</p><p>　　1. 數(shù)字濾波用程序?qū)崿F(xiàn)，不需要增加硬件設(shè)備，且可以多通道“共用”一個(gè)濾波程序，改變?yōu)V波方法只需改變程序而不需要改變硬件，既靈活又方便。</p><p>　　2. 由于不添加硬件設(shè)備，因而可靠性高，穩(wěn)定性好，也不存在電路阻抗匹配等問題。<

85、/p><p>　　3. 可以對(duì)頻率很低的信號(hào)（如0.01HZ）實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的限制。</p><p>　　常用的數(shù)字濾波方法：</p><p>　　1. 程序判斷濾波</p><p>　　我們可以從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，定出一個(gè)最大可能的變化范圍。每次采樣后都和上次的有效值進(jìn)行比較，如果變化幅度不超過經(jīng)驗(yàn)值，本次采樣有效，否則，本次采樣值應(yīng)視

86、為干擾而放棄，以上次采樣值為準(zhǔn)。</p><p><b>　　2. 中值濾波</b></p><p>　　對(duì)目標(biāo)參數(shù)連續(xù)進(jìn)行若干次采樣，然后將這些采樣程序進(jìn)行排序，選取中間位置的采樣值為有效值。本算法為取中值，采樣次數(shù)應(yīng)為奇數(shù)，常取3次或5次。此方法用于濾去偶然因素引起的采樣值波動(dòng)的脈沖干擾。</p><p>　　3. 算術(shù)平均濾波<

87、/p><p>　　對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采樣，然后求其算術(shù)平均值作為有效采樣值。該算法適用于抑制隨機(jī)干擾和周期干擾。</p><p>　　4. 滑動(dòng)平均濾波</p><p>　　此算法是將本次采樣值和過去的若干次采樣值一起求平均，得到本次有效采樣值即可投入使用。</p><p><b>　　5. 低通濾波</b></p

88、><p>　　在模擬量輸入通道中，常用RC低通濾波器消弱干擾。但對(duì)頻率很低的干擾需要的電容數(shù)值太大而難以實(shí)現(xiàn)。低通濾波法則是用程序來模擬RC濾波器的作用。該方法對(duì)時(shí)間常數(shù)很大的溫度系統(tǒng)很適用。</p><p>　　4.3.2數(shù)字濾波程序</p><p>　　將每個(gè)信號(hào)的5次測(cè)量值排序，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，剩余3個(gè)求平均值即為該信號(hào)的測(cè)量結(jié)果，即采用中位值濾波法與

89、平均值濾波法相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。</p><p>　　4.4 標(biāo)度變換程序</p><p>　　變送器輸出的4～20mA(DC)信號(hào)，經(jīng)I/V變換后產(chǎn)生1～5V（DC）信號(hào)，進(jìn)行12位A/D轉(zhuǎn)換后，即得12位二進(jìn)制x，其對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理量要按下面方法求得（對(duì)于12位A/D轉(zhuǎn)換器，0～5V（DC）時(shí)輸出為000～FFFH）。</p><p>　　1. 溫度的標(biāo)度變

90、換</p><p>　　溫度的量程范圍為-20～+500C，其標(biāo)度變換計(jì)算公式為</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　2. 壓力的標(biāo)度變換</p><p>　　壓力的量程范圍為0～0.25Mpa，其標(biāo)度變換計(jì)算公式為</p><p><b>　　(4-2

91、)</b></p><p>　　3. 液位的標(biāo)度變換</p><p>　　液位的量程范圍（差壓）為0～0.2Mpa，其標(biāo)度變換公式為</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　式中，D為啤酒（麥汁）的密度，單位為Kg/m3; g為重力加速度，單位為m/s2;H的單位為m。</

92、p><p>　　4.5 給定工藝曲線的實(shí)時(shí)插補(bǔ)計(jì)算</p><p>　　給定工藝曲線由多段折線組成，每一段都是直線，故采用直線插補(bǔ)算法來計(jì)算各個(gè)采樣周期的給定值r(k):</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　其中，， 和分別是第n段折線的兩個(gè)端點(diǎn)坐標(biāo)。</p><p>

93、;<b>　　控制算法</b></p><p>　　4.6.1 控制算法的特性分析</p><p>　　在啤酒生產(chǎn)過程中，由于發(fā)酵過程具有大慣性、時(shí)滯和非線性等特點(diǎn)。所以，采用常規(guī)的控制算法難以得到理想的效果。這也是制約啤酒生產(chǎn)質(zhì)量和效率的重要原因。因而為了滿足啤酒生產(chǎn)發(fā)酵過程控制的要求，我們爭(zhēng)取在不增加對(duì)過程模型要求的同時(shí)，使無辨識(shí)自適應(yīng)控制算法同樣適用于大滯后、

94、建模困難的復(fù)雜工業(yè)過程控制。針對(duì)被控對(duì)象的特性，本系統(tǒng)采用兩種控制算式。</p><p>　　4.6.2 常規(guī)PID控制器</p><p>　　常規(guī)的PID調(diào)節(jié)方法，即比例、積分、微分控制規(guī)律。是在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛、研究得最成熟的一種簡(jiǎn)單的自適應(yīng)控制方式，即使在歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，采用現(xiàn)代的高級(jí)控制算法的回路數(shù)也僅占很小的比例，90%以上的控制回路基本上還是采用PID控制算法

95、。其原因主要有以下幾個(gè)方面:</p><p>　　1. PID控制不要求嚴(yán)格掌握被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而現(xiàn)代的控制算法是以精確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的。</p><p>　　2. PID控制算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、物理概念清晰等，容易被現(xiàn)場(chǎng)工程師所接受。</p><p>　　3. 在近半個(gè)世紀(jì)的PID算法發(fā)展過程中，廣大工程技術(shù)人員已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，摸索出了一系列

96、整定PID參數(shù)的方法。</p><p>　　對(duì)于PID控制盡管取得了一系列的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但人們對(duì)PID的認(rèn)識(shí)和改進(jìn)還遠(yuǎn)沒有完成。到目前為止對(duì)PID的機(jī)理、適用范圍、魯棒性等問題還沒有徹底的全面的分析研究。事實(shí)上，PID并非萬能的控制器，在存在多變量禍合、時(shí)變、大時(shí)滯、強(qiáng)干擾等復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性的系統(tǒng)中，PID很難獲得理想的控制效果，甚至產(chǎn)生不穩(wěn)定。因此，有必要對(duì)PID的控制機(jī)理進(jìn)行全面的分析，并對(duì)在上述場(chǎng)合中的

97、應(yīng)用提出改進(jìn)的辦法。</p><p>　　PID控制中的一個(gè)關(guān)鍵問題是PID參數(shù)整定，傳統(tǒng)的整定方法是在獲得被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上按照某種整定原則來進(jìn)行PID參數(shù)值的整定。而實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性，時(shí)變不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用常規(guī)的PID控制不能達(dá)到理想的控制效果。另外，在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中，PID參數(shù)整定與自整定的方法很多，但往往難以實(shí)施或不太理想，常規(guī)PID控制器參數(shù)常常整定不良，性能欠

98、佳，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性差。因此，在PID參數(shù)的整定及自整定方面還有待進(jìn)一步深入研究。</p><p>　　從結(jié)構(gòu)上看PID控制器最簡(jiǎn)單，但并非最優(yōu)，在克服較大擾動(dòng)影響，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)等方面，光靠調(diào)整參數(shù)難以獲得滿意的控制效果。因此，還有必要在全面分析的基礎(chǔ)上，對(duì)PID控制器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。</p><p>　　4.6.3 PID算式加特殊處理</p><p>

99、　　采用增量型PID控制算式</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p><b>　　式中 </b></p><p>　　其中：r(k)為第K個(gè)采樣周期的實(shí)測(cè)溫度值它由式（4-4）確定；</p><p>　　y(k)為第K個(gè)采樣周期的實(shí)測(cè)溫度值，它由式（4-1）確定；<

100、;/p><p>　　T為采樣周期（T=2s）。</p><p>　　根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)，在PID算式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行以下特殊處理：</p><p>　　在保溫段，r(k)不變，采用PI控制算式；降溫段采用PID控制算式；為了減小被控對(duì)象純滯后的影響，在給定溫度曲線轉(zhuǎn)折處作特殊處理，即由保溫段轉(zhuǎn)至降溫段時(shí)提前開大調(diào)節(jié)閥，而在降溫段轉(zhuǎn)至保溫段時(shí)提前關(guān)小調(diào)節(jié)閥，其目的是使溫度轉(zhuǎn)

101、折時(shí)平滑過渡。</p><p>　　另外，需對(duì)控制量和閥位輸出進(jìn)行限幅。實(shí)際操作時(shí)，必須對(duì)加以限制，即滿足</p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，取；</b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，?。?lt;/b></p><p>　　因采用的調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)為4～20mA(DC) ，且D/A轉(zhuǎn)換為12位，因此取

102、</p><p><b>　　；</b></p><p>　　采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量對(duì)應(yīng)得是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置（如閥門開度）的增量，對(duì)應(yīng)閥門實(shí)際位置的控制量是通過累積歷次控制增量形成的，常用的累積元件有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。</p><p>　　增量式PID在算法上有不少優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1. 計(jì)算機(jī)發(fā)

103、生故障時(shí)，影響范圍小。由于它每次只輸出控制增量，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，輸出變化范圍不大（0～），所以，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程。</p><p>　　2. 手動(dòng)-自動(dòng)切換時(shí)沖擊小。由于它每次輸出的最大幅度為，所以，當(dāng)控制從手動(dòng)切換到自控時(shí)，可做到無擾動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。</p><p>　　計(jì)算工作量小。算式中不需要累加。</p><p>

104、;　　4.6.4 施密斯（Smith）預(yù)估控制算式</p><p>　　根據(jù)施密斯預(yù)估控制算法，如果被控對(duì)象視為純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即</p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　式中，K為對(duì)象放大系數(shù)；T0為對(duì)象等效時(shí)間常數(shù)；為純滯后時(shí)間。</p><p><b>　　則</

105、b></p><p><b>　　相應(yīng)得微分方程為</b></p><p>　　對(duì)上式進(jìn)行離散化處理得</p><p><b>　　經(jīng)整理后得</b></p><p><b>　　(4-7)</b></p><p><b>　　式中，，&

106、lt;/b></p><p>　　需要指出的是，Smith預(yù)估控制的關(guān)鍵是對(duì)象有精確的數(shù)學(xué)模型。因此，對(duì)于一些復(fù)雜而難以用數(shù)學(xué)模型描述的系統(tǒng)，此方法則無能無力。</p><p><b>　　4.7 軟件調(diào)試</b></p><p>　　軟件設(shè)計(jì)的全過程可以分為4個(gè)階段，它們是：分析問題、繪制流程圖、編輯程序（產(chǎn)生程序代碼）、軟件調(diào)試。軟

107、件調(diào)試是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中最重要、最耗時(shí)的一步。</p><p>　　軟件調(diào)試的基本原則是：先分調(diào)，后總調(diào)；先模擬試驗(yàn)，后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。</p><p>　　程序編寫完畢，首先要按模塊和子程序進(jìn)行分段試驗(yàn)，可用一些事先準(zhǔn)備的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或附加一部分程序來產(chǎn)生模擬的外部信號(hào)和狀態(tài)，以檢驗(yàn)這些模塊和子程序的功能和獨(dú)立工作能力。對(duì)于有時(shí)間限制的程序，還要通過計(jì)算或測(cè)試來確定其執(zhí)行速度，以免影響實(shí)時(shí)控制的要求

108、。各部分程序分調(diào)正常則可以裝配成整體進(jìn)行總調(diào)。總調(diào)一般與模擬試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，模擬試驗(yàn)是用生產(chǎn)過程（或裝配）的現(xiàn)場(chǎng)模擬器對(duì)整個(gè)軟件進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)其是否符合預(yù)期效果。一切正常后方可在現(xiàn)場(chǎng)安裝，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。</p><p><b>　　總結(jié) </b></p><p>　　啤灑發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程。發(fā)酵期間，根據(jù)酵母的活動(dòng)能力，繁殖快慢，確定發(fā)酵給定的溫度。

109、要使酵母的繁殖與哀減，麥汁中糖度的消耗和雙乙酞等雜質(zhì)含量達(dá)到最佳狀態(tài)，必須嚴(yán)格控制發(fā)酵各個(gè)階段的溫度。因此，啤灑發(fā)酵過程，除生產(chǎn)工藝水平外，生產(chǎn)工序控制指標(biāo)的優(yōu)劣，將直接影響啤灑生產(chǎn)的質(zhì)量，必須嚴(yán)格加以控制。</p><p>　　目前，我國(guó)啤灑生產(chǎn)規(guī)模逐年擴(kuò)大，但是，大部分啤灑生產(chǎn)廠家仍然采用常規(guī)儀表進(jìn)行生產(chǎn)陳控，依靠人工陳視各個(gè)參數(shù)，人為因素較多。所以，人工控制方式將難以保證生產(chǎn)工藝的正確執(zhí)行，從而導(dǎo)致啤灑質(zhì)量

110、不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)，并且，很難提高生產(chǎn)能力，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。</p><p>　　為此，我們對(duì)啤灑生產(chǎn)的發(fā)酵過程提出采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，使啤灑發(fā)酵生產(chǎn)控制與生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理集于一身，這樣才能適應(yīng)當(dāng)前啤灑現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求，使企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，生產(chǎn)管理以及市場(chǎng)竟?fàn)幠芰_(dá)到一個(gè)新的水平。</p><p>　　啤酒發(fā)酵過程中由于發(fā)酵液自身的生化反應(yīng)、罐內(nèi)的自然對(duì)流以及發(fā)酵液與冷帶以及外界環(huán)境之間的熱交換

111、，使得被控對(duì)象具有時(shí)滯性和時(shí)變性特征，而且發(fā)酵罐內(nèi)的溫度場(chǎng)分布難以精確建模。針對(duì)大時(shí)滯、時(shí)變對(duì)象的控制理論研究備受關(guān)注，基于廣泛的工業(yè)應(yīng)用要求目前已衍生出了現(xiàn)代先進(jìn)控制理論的許多分支。例如:魯棒控制理論的產(chǎn)生和發(fā)展為解決不確定性對(duì)象的控制問題注入了新的內(nèi)容，預(yù)估控制理論的發(fā)展則為解決時(shí)滯對(duì)象的控制問題提供了理論基礎(chǔ)。但遺憾的是，這些新的控制理論在實(shí)際工業(yè)過程中并沒有從根本上解決這類控制所面對(duì)的各種問題，許多研究工作在理論上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)

112、際應(yīng)用所要求的合理性</p><p>　　和完整性，因?yàn)檫@些研究工作通常受到實(shí)驗(yàn)條件的限制而以計(jì)算機(jī)仿真實(shí)現(xiàn)的，而仿真條件下的情況往往與實(shí)際情況不完全符合。此外，由于發(fā)酵過程本身的復(fù)雜性和實(shí)驗(yàn)條件的限制，對(duì)發(fā)酵過程溫度場(chǎng)分布目前還沒有系統(tǒng)研究報(bào)道。上述種種困難和限制導(dǎo)致了發(fā)酵過程的溫度檢測(cè)和控制技術(shù)存在許多不足之處，因此，本文以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)啤酒生產(chǎn)過程的檢測(cè)和控制技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)展開研究。另一方面，工藝曲線參數(shù)直接

113、決定了啤酒質(zhì)量和口味。研究檢測(cè)和控制優(yōu)化的目的也是為了提高檢測(cè)與控制精度，使得發(fā)酵過程嚴(yán)格按照工藝曲線進(jìn)行，減小誤差，由于發(fā)酵的復(fù)雜性，工藝人員根據(jù)工藝手冊(cè)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)定工藝曲線時(shí)往往忽略了一些生產(chǎn)因素，導(dǎo)致發(fā)酵后啤酒質(zhì)量達(dá)不到最佳要求，而且不同生產(chǎn)條件下有不同的工藝曲線，所以有必要對(duì)工藝曲線進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到產(chǎn)品的質(zhì)量要求。因此，本文從理論上展開對(duì)工藝曲線動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題的研究。這兩個(gè)方面的工作對(duì)提高啤酒產(chǎn)業(yè)乃至生化產(chǎn)業(yè)的綜合實(shí)力具有重大的實(shí)際