畢業(yè)設計-單片機控制啤酒發(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>　　我國的啤酒市場非常巨大，國內生產啤酒的企業(yè)數以百計，但與國外的主要啤酒生產廠家相比大部分企業(yè)技術落后，大部分處于手動控制階段，只有極少數企業(yè)實現(xiàn)半自動化。由于啤酒生產是一個利用生物加工進行生產的過程，生產周期長，過程參數分散性大，傳統(tǒng)

2、操作方式難以保證產品的質量。近年來，國外的各大啤酒生產廠家紛紛進軍中國市場，憑借技術優(yōu)勢與國內的啤酒生產廠家爭奪市場份額。國內的啤酒行業(yè)迫切要求進行技術改造，提高生產率，保證產品質量，以確保在激烈的市場競爭中立于不敗之地。</p><p>　　啤酒發(fā)酵是啤酒生產中最重要的一道工序，是決定啤酒質量的最關鍵的一步。按現(xiàn)在的生產工藝，生產周期一般在十五天左右，要求發(fā)酵液的溫度嚴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，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，但目前國內的不少生產廠家都是采用這種生產方式。這就要求生產工人24小時中監(jiān)視啤酒發(fā)酵的溫度變化，根據偏差去調節(jié)冷媒的流量閥。這種方式，工人的勞動強度大，而且質量難以控制。國外的著名啤酒生產廠家大部分都實現(xiàn)了自動化控制在保證產品質量的同時縮短了生產周期。為此，在國內啤酒行業(yè)中實現(xiàn)自動化生產是十分迫切的。啤酒的發(fā)酵過程能實現(xiàn)自動化后，工人的勞動強度將大大

4、地減小，同時啤酒的質量與生產都有望升上一個新的臺階，企業(yè)通過技術改造增加了市場競爭。另一方面，不少化工生產過程都具有相似性，因此我們研制的這一套控制系統(tǒng)性價比高，以后還可以推廣到其他很多化工廠生產的場合。應用前景樂觀，能產生較大的社會經濟效益。</p><p>　　1.2 國內啤酒生產過程控制概況</p><p>　　我國啤酒的產量已逐步發(fā)展，但產品質量必須達較高水平，花色品種也必須趕上

5、去，才能適應日益變化的消費者的需求，這就要求國內的啤酒生產廠家改變傳統(tǒng)的生產工藝，更新生產設備以滿足市場的需求。主要有以下幾方面：</p><p>　　1. 引進國外控制技術</p><p>　　例如：福建惠泉啤酒廠創(chuàng)下“十五”啤酒釀造技術新亮點—無菌釀造技術，并進口德國Thiemt公司的各種先進儀器和德國著名的高德曼(Kottermann)實驗室，創(chuàng)造了世界一流的現(xiàn)代化啤酒控制系統(tǒng)；北

6、京燕京啤酒廠引進德國施密特公司專用的先進設備；北京華爾森啤酒廠從捷克全套引進生產設備；北京華都啤酒廠從丹麥引進生產設備；上海華光啤酒廠從瑞士引進生產設備等。引進設備的最大特點是自動化水平比較高，從而能嚴格滿足啤酒生產工藝的要求，因此產量較高，質量較穩(wěn)定。但是引進設備價格昂貴，使一般小廠望塵莫及。</p><p>　　2. 國內科研院所、專業(yè)公司根據國情自行研究的技術</p><p>　　

7、由于引進設備的成本非常高，因此，盡快地研制出自動化水平較高的啤酒生產設備，以適應國內啤酒生產的需要，也成為國內一些科研部門的熱點。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和現(xiàn)場工作站兩層，控制方案采用單變量溫度控制:1993年國家輕工業(yè)部自動化研究所研制的“PW-40啤酒發(fā)酵微機控制系統(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年北京科海測控工

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

9、<p>　　國內中小企業(yè)結合本廠生產實際自行研究的自動化儀表加手動的生產控制技術，造價低，效果一般，符合企業(yè)目前的狀況，但不能滿足企業(yè)長遠發(fā)展的需求。</p><p>　　從上述情況看，我國的啤酒生產設備與發(fā)達國家相比有較大的差距，還處于起步階段。</p><p>　　1.3 計算機控制系統(tǒng)在發(fā)酵過程中的應用 </p><p>　　發(fā)酵過程計算機上控

10、制，特別是微機控制，己經在我國發(fā)酵工業(yè)中推廣應用，我國大型的發(fā)酵罐有7000多臺，若都能用微機控制，發(fā)酵效益的提高是十分可觀的。發(fā)酵過程中微機控制應用，早期的有多STD總線的微機系統(tǒng)，最近的有工業(yè)PC機系統(tǒng)，這些系統(tǒng)比較簡單，價格便宜，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，有各種不同改進型的微機系統(tǒng)供發(fā)酵過程控制應用。</p><p>　　隨著的小型集散控制系統(tǒng)在工業(yè)生產過程中的應

11、用，在發(fā)酵工業(yè)上現(xiàn)已采用先進的集散控制系統(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。隨著微機在發(fā)酵過程控制中的應用不斷發(fā)展，各種測量傳感器、二次儀表和執(zhí)行機構的完善，發(fā)酵罐系統(tǒng)完全自動化操作和控制的目的就可以實現(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、機理十分復雜，影響微生物生長的因素錯綜復雜，很難用精確的數學模型來描述這一發(fā)酵過程。發(fā)酵試驗的實驗數據重復性較差，這對數學模型的建立也帶來了許多困難。</p><p>　　然而，人們借用微機這一先進的科學工具，為解決發(fā)酵過程參數的測量。數據管理與分析，發(fā)酵過程優(yōu)化控制開創(chuàng)了新局面。</p><p>　　1.5 發(fā)酵過程直接數字控制(DDC)</p><p>　　使

13、用微機可以取代各種控制儀表，實現(xiàn)多回路PID及各種高級控制功能。同時，也可以省去各種顯示，記錄，報警儀表。利用微機的功能，對發(fā)酵過程的各種后參數，狀態(tài)和數據，可以進行實時在線的優(yōu)化管理。如報表打印，各種參數的趨勢顯示圖，操作工藝流程圖，報警信息圖等。這對于發(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 啤酒生產工藝簡介</p><p>　　啤酒生產過程主要包括糖化、發(fā)酵以及過濾分裝三個環(huán)節(jié)。</p><p><b>　　(1) 糖化</b></p><p>　　糖化過程是把生產啤酒的主要原料與溫水混合，利用麥芽的水解酶把淀粉、蛋白質等分解成可溶性低分子糖類、氨基酸、脈、膚等物質，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)酵溫度工藝設定曲線</p><p>　　啤酒發(fā)酵是一個微生物代謝過程，簡單的說是把糖化麥汁經酵母發(fā)酵分解成C2H5OH， CO2， H2O的過程，同時還會產生種類繁多的中間代謝物雙乙酞、脂肪酸、高級醇、酮等，這些代謝產物的含量雖然極少，但它們對啤酒的質量和口味的影響很大，它們的產生

16、主要取決于發(fā)酵溫度。一般認為，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，提高生產效率和經濟效益。總之，如何掌握好啤酒發(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質量的核心內容。啤酒發(fā)酵是個放熱過程，如不加以控制，罐內的溫度會隨著發(fā)酵生成熱的產生而逐漸上升，目前大多數對象是采用往冷卻夾套內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。整個發(fā)酵

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

18、再經過2～3天，糖度進一步降低，降糖速度變慢，酵母開始沉淀，當罐內發(fā)酵糖度達標后進行降溫轉入后酵階段。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>　　當罐內溫度從前酵的12℃降到5℃左右時后酵階段開始，這一階段最重要的是進行雙乙酞還原，此外，后酵階段還完成了殘

19、糖發(fā)酵，充分沉淀蛋白質，降低氧含量，提高啤酒穩(wěn)定性。一旦雙乙酞指標合格，發(fā)酵罐進入第二個降溫過程，以0.150C/h的降溫速率把罐內發(fā)酵溫度從5℃降到0～-1℃左右進行貯酒，以提高啤酒的風味和質量。經過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結束。</p><p>　　通常發(fā)酵液溫度在不同的發(fā)酵階段，對罐內發(fā)酵液的溫度場要有相應的要求：在前酵階段希望發(fā)酵罐內從罐頂到罐底有一正的溫度梯度，即從控制上層溫度為主，以利于發(fā)酵液

20、對流和酵母在罐內的均勻混合；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、后酵結束以后，啤酒將通過過濾機和高溫瞬時殺菌進行生物以及膠體穩(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胞和其它混濁物從啤酒中分離出去，否則這些物質會在以后的時

21、間里從啤酒中析出，導致啤酒混濁，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，導致啤酒混濁，其排泄的代謝產物甚至使啤酒不能飲用。殺菌就是啤酒在灌裝之前對其進行生物穩(wěn)定性處理的最后一個環(huán)節(jié)。</p><p>　　至此，一個啤酒和生產周期結束。</p><p>　　2.2 啤酒發(fā)酵過程溫控對象的特點</p><p>　　發(fā)酵罐

22、是啤酒生產的主要設備，圖2.2為圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖，酵母在罐內發(fā)生反應而產生熱量，使麥汁溫度升高，因此在罐壁設置有上、中、下三段冷卻套，相應的設立上、中、下三個測溫點和三個調節(jié)閥，通過閥門調節(jié)冷卻套內冷卻液的流量來實現(xiàn)對酒體溫度的控制。以閥門開度為控制量，酒體溫度為被控量。該廣義對象是一個三輸入、三輸出的多變量系統(tǒng)，機理分析和實驗表明啤酒發(fā)酵罐的溫控對象不同于一般的工業(yè)對象，主要有以下幾個方面的特點：</p><p

23、><b>　　(1) 時滯很大</b></p><p>　　圖2.2 圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖</p><p>　　在整個發(fā)酵過程中，由于生化反作用產生的生化反應熱導致罐內發(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)酵罐冷卻夾套內通入酒精水或液態(tài)氨，來帶走多余的反應熱。由于罐內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進行熱量交換，發(fā)酵液內部存在一

24、定的對流，影響到測溫點，這就使得控制量的變化后，要經過一段時間，被控量才發(fā)生變化，因此這類系統(tǒng)會表現(xiàn)出很大的時滯效應。例如一個120m3啤酒發(fā)酵罐溫度響應的滯后時間一般在5～30min之內變化。</p><p><b>　　(2) 時變性</b></p><p>　　發(fā)酵罐的溫控特性主要取決于發(fā)酵液內生化反應的劇烈程度。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，因此對象特性具有明顯的時變性。</p><p>　　(3) 大時間常數</p><p>　　發(fā)酵罐體積大，發(fā)酵液體通過罐壁與冷卻水進行熱交換的過程比較慢。</p><p><b>　　(4) 強關聯(lián)</b></p><p>　　因為罐內酒體的對流，所

26、以在任一控制量的變化均會引起三個被控量的變化。</p><p>　　在分析對象特性的時候，由于受到認識上的限制，往往也不能確切掌握工業(yè)過程中各種物理、化學變化的本質特征，這也必然會導致獲取的對象特性與實際特性存在難以確定的偏差。例如啤酒生產過程酵母特性、原料特性等許多因素的變化都會引起被控系統(tǒng)特性參數的變化和攝動，而這些因素在實際系統(tǒng)中都是很難在線或實時獲取的。</p><p><b

27、>　　硬件電路設計</b></p><p><b>　　3.1 概述</b></p><p>　　根據總體設計要求，控制系統(tǒng)得結構框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)結構框圖</p><p>　　在系統(tǒng)總體構思時，主要遵從以下幾點原則：</p><p>　

28、　1. 可靠性設計原則</p><p>　　設計過程的首要考慮的因素是可靠性，由于啤酒發(fā)酵是一個連續(xù)生產過程，要求設備長時間運行，正常情況下一年才停機大修一次，因此，對硬件可靠性提出較高的要求。</p><p>　　為了達到可靠性要求，在設計時采取了以下措施：</p><p>　　a. 盡量采用標準的元器件和電路；</p><p><

29、;b>　　b. 簡化設計；</b></p><p>　　此外，設計中盡量使用集成度高的元件或模塊，減少元件的數量。這既符合抗干擾需要也符合可靠性原則。當然，也不能盲目地追求新奇器件，還要考慮其性能價格比、貨源等問題，以便于投入生產。</p><p>　　2. 技術先進、生命周期長</p><p>　　3. 性能/價格比高</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構形式</p><p>　　1. 單路模擬量輸入通道的結構</p><p><b>　　(1) 傳感器</b></p><p>　　其作用是把工業(yè)現(xiàn)場的各種非電量檢測出來，并轉換成相應得電信號。如熱電偶能把溫度的

31、高低轉換成相應的熱電動勢、應變橋式荷重傳感器能把受力的大小轉換位相應得電位差。</p><p>　　(2) 信號調理電路</p><p>　　信號調理電路的作用是將傳感器輸出的信號作適當的處理，使之成為適合A/D轉換得電壓信號。主要包括信號的濾波、放大、隔離、變換以及線形化處理內容，其中有些環(huán)節(jié)如濾波、線形化處理等可通過軟件實現(xiàn)。</p><p>　　(3) 采

32、樣保持器（S/H）</p><p>　　一般來講，要輸入的模擬信號都是變化的。計算機在對模擬信號進行離散采樣時，需要得到它某一時刻的瞬時值，并能將這一瞬時值保持到A/D轉換結束。采樣保持器就是實現(xiàn)這一功能的電路。當輸入的模擬量信號變化緩慢時，也可省去采樣保持器。</p><p>　　(4) A/D轉換器</p><p>　　A/D轉換器的作用是將輸入的模擬信號的采

33、樣值轉換為相應得數字信號。</p><p>　　2. 多路模擬量輸入通道的結構</p><p>　　(1) 多通道并聯(lián)輸入</p><p>　　由若干個單路模擬量輸入通道組成。常用于高速系統(tǒng)中，可對各個模擬信號同時進行A/D轉換。</p><p>　　(2) 多通道共用A/D轉換器</p><p>　　在系統(tǒng)中增

34、加一個多路開關，這種形式的A/D轉換器可對各路模擬信號依次進行A/D轉換，由于轉換時分時進行的，故工作速度較慢。多路開關的作用事當多路輸入時，能按要求切換多路模擬信號，確保要求的某一路模擬信號引入A/D轉換器。</p><p>　　3.2.2 模擬量輸入通道設計中應考慮的問題</p><p>　　模擬量輸入通道是計算機控制系統(tǒng)的信號采集通道，在設計中必須考慮到信號的拾取方式、信號的調理、

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

36、數變化。一般來講，敏感元件體積小，可以隨擁護要求及環(huán)境特點做成各種形狀的探頭。如果被測環(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。對于R、L、C參量型敏感元件，要設計相應的電路，使這類參數變換成電流或電壓量。</p><p>　　(2) 通過傳感器失去被測信號。這是計算機控制系統(tǒng)中使用最多的一種信號拾取方式。它將敏感元件、測量電路、傳輸構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，無需再通過A/D轉換即可輸入計算機。</p><p>　　(3) 通過測量儀表拾取被測信號。目前有許多測量儀表，如熱工、化工行業(yè)的各種調節(jié)儀表、市售的各種測量儀表，它們的測量電路配置較完善，一般都是大信號輸出，有的還直接輸出數字量，可大大簡化模擬量輸入通道的結構。但其售價遠高于一個傳感器的價格。</p><p><b>　

38、　2. 信號的調理</b></p><p>　　在模擬量輸入通道中，信號調理的任務是將傳感器輸出的電信號或R、L、C參數的變化轉換為滿足A/D轉換要求的電壓信號。</p><p>　　在一般的測控系統(tǒng)中，信號調理的任務較復雜，除了信號放大和濾波外，還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正、量程切換等。但在計算機控制系統(tǒng)中，許多環(huán)節(jié)都可以通過軟件來實現(xiàn)。因此，模擬量輸入

39、通道中信號調理的重點為小信號放大、變換及信號的濾波等。</p><p>　　3. A/D轉換器</p><p><b>　　4. 電源配置</b></p><p>　　模擬量輸入通道中要完成信號的拾取、調理、轉換等復雜任務。在信號拾取時，要考慮對傳感器的供電。在信號的調理、轉換電路個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、道靠近被測對象，而且傳感器輸出的常常是小信號，因此，模擬量輸入通道是干擾侵入的主要渠道，在電源配置時要充分考慮到干擾的隔離與抑制。</p><p>　　3.2.3 A/D轉換器</p><p>　　3.2.3.1 A/D轉換的基本概念</p><p>　　A/D轉換的功能是把模擬量電壓轉換為N位數字量電壓。</p><p>　　1. A

41、/D轉換器的模擬量電壓是連續(xù)的。由于A/D轉換器完成依次轉換需要一定的時間，A/D轉換只能間斷地進行，因此輸出的數字量電壓是不連續(xù)的，稱為離散量。采樣之后，A/D轉換所得的結果是一個個孤立的點。每個點的縱坐標代表某個數字量，其值與采樣時刻的模擬量相對應。如果在相鄰兩次采樣時刻之間，A/D轉換輸出的數字量保持前一時刻的值，那么A/D轉換的輸出就是一條階梯形的曲線。</p><p>　　2. 兩次采樣的時隔時間稱為

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

43、.2 A/D轉換的主要性能指標</p><p><b>　　1. 分辨率 </b></p><p>　　習慣上以輸出的二進制位數或BCD碼位數表示。如一個輸出為8位二進制的A/D轉換器，稱其分辨率為8位。或者用對應于1LSB的輸入模擬電壓來表示。分辨率也可以用百分數來表示，例如8位A/D轉換器的分辨率百分數位（1/256）*100%=0.39%。</p>

44、;<p><b>　　2. 量化誤差</b></p><p>　　A/D轉換是用數字量對模擬量進行量化。由于存在著最小量化單位，在轉換中就會出現(xiàn)誤差。</p><p><b>　　3. 轉換精度</b></p><p>　　這是指一個實際的A/D轉換器與理想的A/D轉換器相比的轉換誤差。絕對精度一般以LS

45、B為單位給出。性隊精度則是絕對精度與滿量程的比值。不同廠家（公司）生產的A/D轉換器6其轉換精度指標的表達方式可能不同。有的給出綜合誤差指標；有的給出分項誤差指標，有失調誤差（零點誤差）、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) 失調誤差</b></p><p>　　又稱為零點誤差，這是指當輸入模擬量從0逐漸增長使輸出

46、數字量從0…0跳至0…1 時，輸入模擬量實際數值與理想的模擬量數值（即1LSB的對應值）之差。這反映了A/D轉換器零點的偏差。一定溫度下的失調誤差可以通過電路調整來消除。</p><p><b>　　(2) 增益誤差</b></p><p>　　當輸入數字量達到滿量程時，所對應的輸入模擬量與理想的模擬量數值之差，稱為增益誤差或滿量程誤差。計算此項誤差時應將失調誤差除

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

48、上，實際臺階幅度與理想臺階幅度（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，就會出現(xiàn)丟失某個數字碼的現(xiàn)象。</p><p>　　在上述幾項誤差中，如果失調誤差和增益誤差能得到完全補償，那么只需考慮后兩項非線性誤差。</p><p>　　需要指出的是精度所對應的誤差指標中未包括量化誤差，因此實際的總誤差還要把量化誤差考慮在內。</p><p>

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

50、gt;<p>　　3.2.3.3 A/D轉換器的選擇</p><p>　　A/D轉換器的選擇應依系統(tǒng)要求，從轉換精度、轉換速度、通道數量、價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轉換器電路簡單，抗干擾性能好，精度高，價格便宜但速度慢，在速度要求不高的系統(tǒng)中宜選用雙積分型A/D轉換器。</p><p>　　逐次逼近型

51、A/D轉換器的電點是轉換速度快，轉換時間不隨輸入信號的高低變化，精度有高有低，抗干擾能力差，性能不同時價格差別較大，適用于速度較高的系統(tǒng)中。</p><p>　　此外，常用的還有V/F轉換器，它可將電壓信號轉換成頻率信號，其特點是分辨率高，對工頻干擾有一定的抑制能力，頻率信號易于傳輸，且容易實現(xiàn)隔離，但速度慢。由于其有一系列的優(yōu)點，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，是每個設計者必須認真考慮的問題。一般可按照下列原則選擇A/D轉換器：</p><p>　　1. 根據前向通道的總誤差，選擇A/D轉換器的精度及分辨率。擁護提出的數據采集精度要求是綜合精度要求，它包括傳感器精度、信號條理電路精度和A/D轉換精度。應將綜合精度在各個環(huán)節(jié)上進行分配，以確定A/D轉換器的精度要求，據次確定A/D轉換器的位數。</p><p

53、>　　2. 根據嬉鬧對象的變化率及轉換精度要求，確定A/D轉換速度，以保證系統(tǒng)的實時性要求。</p><p>　　3. 根據環(huán)境條件選擇A/D轉換器的一些環(huán)境參考要求，如工作溫度、功耗、可靠性等級等性能。</p><p>　　4. 根據計算機借口特征，考慮如何選擇A/D轉換器的輸出狀態(tài)。例如，A/D轉換器是并行輸出還是串行輸出；是二進制還是BCD碼輸出；是用外部時鐘還是內部時鐘

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

55、阻30支和RTTB-EKT溫度變送器30只進行溫度測量和變送，即將-20～50C變換成4～20mA(DC)信號，送至32路I/V變換板CMB5419-1B，把4～20 mA(DC)信號變換成1～5V（DC）信號，最后把1～5V（DC）信號送至32路12位光電隔離A/D板IPC5488，從而實現(xiàn)溫度的數據采集。對于壓力，選用10臺電容式壓力變送器CECY-150G，進行壓力測量變送，即將0～0.25mPa壓力變換成4～20mA(DC)信號

56、，同樣經過I/V板送至A/D板。對于液位，選用10臺電容式液位變送器CECU-341G（實際上是法蘭差壓變送器），進行液位測量和變送，即將0～0.2mPa的差壓轉換成4～20mA(DC)信號，同樣經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 模擬量輸出通道設計</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構</p><p><b>　　(1) 寄存器</b></p><p>　　用于保存計算機輸出的數字量控制信號。目前的D/A轉換器芯片內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。其作用是將計算機輸出的數字量轉換為模擬量。轉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轉換器輸出的模擬量信號往往無法直接驅動執(zhí)行機構，需要進行適當的放大或變換。例如，常用的電動執(zhí)行器需要0～10mA或4～20mA電流信號來控制，這就需要把D/A轉換器輸出

59、的電壓信號變換成上述范圍地信號。</p><p>　　1. 多路模擬量輸出通道的結構</p><p>　　在計算機控制系統(tǒng)中，被控制的對象往往是多回路的。對于模擬量輸出通道，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不變。保持的方式有2種：數字量保持和模擬量保持。對應的電路結構有兩種形式：各通道自備D/A轉換器形式和通道共用D/A轉換器形式。</p><

60、;p>　　(1) 各通道自備D/A轉換器形式</p><p>　　這種形式各通道之間是相互獨立的，每一通道的結構和單路模擬量輸出通道相同。其優(yōu)點是轉換速度快、工作可靠，即使某一路D/A轉換器出了故障也不會影響其它通道的工作。</p><p>　　(2) 各通道共用D/A轉換器形式</p><p>　　計算機輸出的控制信息都經同一個D/A轉換器轉換成相應得模

61、擬量，再經多路開關傳送到相應的通道，由保持器保持當前的模擬量。其優(yōu)點是節(jié)省了價格較貴的D/A轉換器，但由于各通道是分時工作的，工作速度受到限制。</p><p>　　3.3.2 模擬量輸出通道設計中應考慮的問題</p><p>　　關于模擬量輸出通道的設計,像模擬量輸入通道的實際一樣,基于現(xiàn)代微電子技術的成就,其主要任務是根據通道的技術要求,合理地選擇通道的結構以及按照一定的技術、經濟準

62、則，恰當地選擇所需的集成電路，并把它們與微處理器正確地連接起來。設計中通常不需要進行繁雜的參數計算，而需要清楚地掌握和理解集成電路的功能和特點。</p><p>　　在模擬量輸出通道的設計中，選擇合適的D/A轉換器至關重要，一般來講，對于D/A轉換電路，應考慮以下問題：</p><p>　　(1) 通道技術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，數據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要求。<

64、;/p><p>　　(7) 此外，在硬件設計的同時，還必須考慮通道的驅動程序的設計。合理的軟件設計可以簡化硬件電路。</p><p>　　3.3.3 D/A轉換器</p><p>　　3.3.3.1 D/A轉換得基本知識</p><p>　　D/A轉換的基本原理是應用電阻解碼網絡，將N位數字量逐位轉換為模擬量并求和，從而實現(xiàn)將N位數字量轉換

65、為相應得模擬量。</p><p>　　由于數字量不是連續(xù)的，其轉換后的模擬量自然也不會連續(xù)，同時由于計算機每次輸出數據和D/A轉換器進行轉換需要一定的時間，因此實際上D/A轉換器輸出的模擬量隨時間的變化不是連續(xù)的，而是呈階梯狀。</p><p>　　3.3.3.2 D/A轉換器的主要性能指標</p><p><b>　　1. 分辨率</b>

66、</p><p>　　其定義是當輸出數字量發(fā)生單位數碼變化（即1LSB）時，所對應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—數字量位數）。分辨率也可以用相對值（即1/2N）百分率來表示。在實際使用中，又常用數字量的位數來作為分辨率。</p><p><b>　　2. 轉換精度</b></p><p>　　這是指一個實際的

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

68、度下的失調誤差可以通過外部調整措施進行補償。</p><p>　　(2) 增益誤差（或滿量程誤差）</p><p>　　當輸入數字量為全1碼（即滿量程）時，實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。計算增益誤差時應將失誤誤差除去。一定溫度下的增益誤差也可通過外部調整措施實現(xiàn)補償。</p>

69、<p>　　(3) 非線性誤差</p><p>　　其含義是實際轉換特性曲線與理想轉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轉換器的失調和增益調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>　　這是指任意兩個相鄰數碼所對應得模擬量間隔于理想值之間的偏差。<

70、;/p><p><b>　　3. 建立時間</b></p><p>　　當D/A轉換器的輸入數據發(fā)生變化后，輸出模擬量達到穩(wěn)定數值即進入規(guī)定的精度范圍內所需要的時間。</p><p><b>　　4. 溫度系數</b></p><p>　　以上各項性能指標一般是在環(huán)境溫度為250C下測定的就。環(huán)境溫

71、度的變化會對D/A轉換精度產生影響，這一影響分別用失調溫度系數、增益溫度系數和微分非線性溫度系數來表示。這些系數的含義是環(huán)境溫度變換10C時該項誤差的相對變化率，單位是ppm/c 。</p><p>　　3.3.3.3 D/A轉換器的選擇要點</p><p>　　選擇D/A轉換器時，主要應考慮以下幾個方面：</p><p>　　1. 輸入信號的形式</p&

72、gt;<p>　　輸入信號有并行和串行兩種形式，根據實際要求選定，在實際應用中大多數為并行輸入。串行輸入節(jié)省數據線，但速度較慢，適用于遠距離數據傳輸。</p><p>　　2. 分辨率和轉換精度</p><p>　　根據對輸出模擬量的精度要求，來確定D/A轉換器的分辨率和轉換精度。常用的分辨率有8位、10位和12位，相應得百分率值為0.392%、0.0978%和0.0244

73、%。在精度指標方面，零點誤差和滿量程誤差可以通過電路調整進行補償，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. 建立時間</b></p><p>　　D/A轉換器的電流建立時間很短，一般為50～500ns。若是輸出電壓形式，加上運算放大器電路，電壓建立時間與半為幾us，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轉換器的輸入部分有不帶輸入鎖存器、帶一級輸入鎖存器和帶兩級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。這可根據對D/A轉換工作方式的要求來選擇。</p><p>　　5. 轉換結果的輸出形式</p><p>　　轉換結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、。這可根據應用系統(tǒng)對模擬量形式的實際要求來確定。其中有的要求可以采用不同房時來實現(xiàn)，例如要發(fā)球輸出為電壓形式，可以選擇內部帶輸出放大器的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 模擬量輸出通道設計</p><p>　　本系統(tǒng)自動控制30個溫度，即使用30個電動調節(jié)閥ZDLP-6B，通過調節(jié)閥自動調節(jié)閥門開度，從而調節(jié)冷卻液（淡酒

76、精）流量，達到控制發(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 轉換板IPC5486，將計算機輸出的控制量轉換成4～20mA(DC)信號，該信號送至操作器DFQ-2100，DFQ-2100具有自動和手動切換功能，DFQ-2100輸出4～20mA(DC)信號送至電動調節(jié)閥，從而實現(xiàn)控制30個調節(jié)閥（TV1～TV30），達到控制溫度的目的。</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，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)軟件的設計</b></p><p>　　4.1 計算機DDC系統(tǒng)的軟件設計的要求</p><p><b>　　1. 實時性<

78、;/b></p><p>　　DDC系統(tǒng)是實時控制系統(tǒng)，所以它的軟件應是實時性控制軟件。計算機必須對生產過程（或裝置）的各種工藝參數及時采集，不能丟失有用的信息；CPU要盡快地進行邏輯判斷或按規(guī)定的控制酸法進行數值運算，完成處理過程，輸出控制信號，以便對生產過程（或裝置）不失時機的加以控制；對突然出現(xiàn)的故障，要即使報警和進行事故處理。因此，實時性的概念對計算機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間范圍內，軟件執(zhí)行無故障的可能性和每次遇到故障時對擁護造成的影響大小。軟件設計的疏忽會削弱軟件的預期能力，降低控制質量，有時還會使執(zhí)行機構錯誤動作，使生產過程（或裝置）不能正常工作，所以設計正確無誤的軟件應該是提高軟件可靠性的重要保證。可靠性高的軟件還應該具有自動容錯、糾錯功能，在誤操作時

80、（如按錯鍵、輸入錯誤參數等）不會造成生產過程（或裝置）的嚴重失調。</p><p>　　3. 人機交往功能</p><p>　　軟件設計應該方便操作人員與計算機系統(tǒng)的“對話”，生產過程的狀態(tài)要在控制面板上隨時顯示，而操作員也能在連機情況下修改程序及調節(jié)參數，變更控制方案。</p><p>　　4. 編制軟件使用的語言、</p><p>　

81、　一般計算機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，可以達到按“位”處理的目的，容易滿足實時性的要，程序結構較緊湊，以節(jié)省存儲空間。在內存容量較大的情況下，軟件中一些沒有實時性要求的管理程序也可用高級語言編制，然后通過一點的編譯程序將其生成目標程序。</p><p><b>　　4.2 數據采集</b></p><p>　　4.2.1 數據采集系統(tǒng)

82、的控制方式</p><p>　　1. 軟件延時定時控制</p><p>　　2. 硬件定時、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 數據采集程序</p><p>　　首先按順序采集30個溫度信號，然后再采集10個壓力信號，最后采集10個液位信號，這些信號共采集5遍存儲起來，采樣周期T=2s。</p><p><b>　　4.3 數字濾波</b></p><p>　　4.3.1 常用的數字濾波方法</p><p>　　數字濾波是計算機通過執(zhí)行

84、程序對輸入的數字信號進行處理，減少干擾在信號中的比重，實質上是一種程序濾波。數字濾波電路與模擬濾波電路相比，主要優(yōu)點有三：</p><p>　　1. 數字濾波用程序實現(xiàn)，不需要增加硬件設備，且可以多通道“共用”一個濾波程序，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. 可以對頻率很低的信號（如0.01HZ）實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的限制。</p><p>　　常用的數字濾波方法：</p><p>　　1. 程序判斷濾波</p><p>　　我們可以從經驗出發(fā)，定出一個最大可能的變化范圍。每次采樣后都和上次的有效值進行比較，如果變化幅度不超過經驗值，本次采樣有效，否則，本次采樣值應視

86、為干擾而放棄，以上次采樣值為準。</p><p><b>　　2. 中值濾波</b></p><p>　　對目標參數連續(xù)進行若干次采樣，然后將這些采樣程序進行排序，選取中間位置的采樣值為有效值。本算法為取中值，采樣次數應為奇數，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的脈沖干擾。</p><p>　　3. 算術平均濾波<

87、/p><p>　　對目標參數進行連續(xù)采樣，然后求其算術平均值作為有效采樣值。該算法適用于抑制隨機干擾和周期干擾。</p><p>　　4. 滑動平均濾波</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。但對頻率很低的干擾需要的電容數值太大而難以實現(xiàn)。低通濾波法則是用程序來模擬RC濾波器的作用。該方法對時間常數很大的溫度系統(tǒng)很適用。</p><p>　　4.3.2數字濾波程序</p><p>　　將每個信號的5次測量值排序，去掉一個最大值和一個最小值，剩余3個求平均值即為該信號的測量結果，即采用中位值濾波法與

89、平均值濾波法相結合來實現(xiàn)數字濾波。</p><p>　　4.4 標度變換程序</p><p>　　變送器輸出的4～20mA(DC)信號，經I/V變換后產生1～5V（DC）信號，進行12位A/D轉換后，即得12位二進制x，其對應的實際物理量要按下面方法求得（對于12位A/D轉換器，0～5V（DC）時輸出為000～FFFH）。</p><p>　　1. 溫度的標度變

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

91、)</b></p><p>　　3. 液位的標度變換</p><p>　　液位的量程范圍（差壓）為0～0.2Mpa，其標度變換公式為</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 給定工藝曲線的實時插補計算</p><p>　　給定工藝曲線由多段折線組成，每一段都是直線，故采用直線插補算法來計算各個采樣周期的給定值r(k):</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　其中，， 和分別是第n段折線的兩個端點坐標。</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>　　在啤酒生產過程中，由于發(fā)酵過程具有大慣性、時滯和非線性等特點。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質量和效率的重要原因。因而為了滿足啤酒生產發(fā)酵過程控制的要求，我們爭取在不增加對過程模型要求的同時，使無辨識自適應控制算法同樣適用于大滯后、

94、建模困難的復雜工業(yè)過程控制。針對被控對象的特性，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調節(jié)方法，即比例、積分、微分控制規(guī)律。是在工業(yè)生產中應用最廣泛、研究得最成熟的一種簡單的自適應控制方式，即使在歐、美、日等工業(yè)發(fā)達的國家，采用現(xiàn)代的高級控制算法的回路數也僅占很小的比例，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方面:</p><p>　　1. PID控制不要求嚴格掌握被控對象的數學模型，而現(xiàn)代的控制算法是以精確的數學模型為基礎的。</p><p>　　2. PID控制算法結構簡單、穩(wěn)定性好、物理概念清晰等，容易被現(xiàn)場工程師所接受。</p><p>　　3. 在近半個世紀的PID算法發(fā)展過程中，廣大工程技術人員已經積累了豐富的經驗，摸索出了一系列

96、整定PID參數的方法。</p><p>　　對于PID控制盡管取得了一系列的研究成果和應用經驗，但人們對PID的認識和改進還遠沒有完成。到目前為止對PID的機理、適用范圍、魯棒性等問題還沒有徹底的全面的分析研究。事實上，PID并非萬能的控制器，在存在多變量禍合、時變、大時滯、強干擾等復雜動態(tài)特性的系統(tǒng)中，PID很難獲得理想的控制效果，甚至產生不穩(wěn)定。因此，有必要對PID的控制機理進行全面的分析，并對在上述場合中的

97、應用提出改進的辦法。</p><p>　　PID控制中的一個關鍵問題是PID參數整定，傳統(tǒng)的整定方法是在獲得被控對象數學模型的基礎上按照某種整定原則來進行PID參數值的整定。而實際的工業(yè)生產過程往往具有非線性，時變不確定性，難以建立精確的數學模型，應用常規(guī)的PID控制不能達到理想的控制效果。另外，在實際生產現(xiàn)場中，PID參數整定與自整定的方法很多，但往往難以實施或不太理想，常規(guī)PID控制器參數常常整定不良，性能欠

98、佳，對運行工況的適應性差。因此，在PID參數的整定及自整定方面還有待進一步深入研究。</p><p>　　從結構上看PID控制器最簡單，但并非最優(yōu)，在克服較大擾動影響，提高系統(tǒng)動態(tài)品質等方面，光靠調整參數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上，對PID控制器進行結構上的改進。</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個采樣周期的實測溫度值它由式（4-4）確定；</p><p>　　y(k)為第K個采樣周期的實測溫度值，它由式（4-1）確定；<

100、;/p><p>　　T為采樣周期（T=2s）。</p><p>　　根據被控對象的特點，在PID算式的基礎上，進行以下特殊處理：</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；為了減小被控對象純滯后的影響，在給定溫度曲線轉折處作特殊處理，即由保溫段轉至降溫段時提前開大調節(jié)閥，而在降溫段轉至保溫段時提前關小調節(jié)閥，其目的是使溫度轉

101、折時平滑過渡。</p><p>　　另外，需對控制量和閥位輸出進行限幅。實際操作時，必須對加以限制，即滿足</p><p><b>　　當時，取；</b></p><p><b>　　當時，?。?lt;/b></p><p>　　因采用的調節(jié)閥控制信號為4～20mA(DC) ，且D/A轉換為12位，因此取

102、</p><p><b>　??；</b></p><p>　　采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量對應得是本次執(zhí)行機構位置（如閥門開度）的增量，對應閥門實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電動機等。</p><p>　　增量式PID在算法上有不少優(yōu)點：</p><p>　　1. 計算機發(fā)

103、生故障時，影響范圍小。由于它每次只輸出控制增量，即對應執(zhí)行機構位置的變化量，輸出變化范圍不大（0～），所以，當計算機發(fā)生故障時，不會嚴重影響生產過程。</p><p>　　2. 手動-自動切換時沖擊小。由于它每次輸出的最大幅度為，所以，當控制從手動切換到自控時，可做到無擾動，即可實現(xiàn)無擾動切換。</p><p>　　計算工作量小。算式中不需要累加。</p><p>

104、;　　4.6.4 施密斯（Smith）預估控制算式</p><p>　　根據施密斯預估控制算法，如果被控對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為對象放大系數；T0為對象等效時間常數；為純滯后時間。</p><p><b>　　則</

105、b></p><p><b>　　相應得微分方程為</b></p><p>　　對上式進行離散化處理得</p><p><b>　　經整理后得</b></p><p><b>　　(4-7)</b></p><p><b>　　式中，，&

106、lt;/b></p><p>　　需要指出的是，Smith預估控制的關鍵是對象有精確的數學模型。因此，對于一些復雜而難以用數學模型描述的系統(tǒng)，此方法則無能無力。</p><p><b>　　4.7 軟件調試</b></p><p>　　軟件設計的全過程可以分為4個階段，它們是：分析問題、繪制流程圖、編輯程序（產生程序代碼）、軟件調試。軟

107、件調試是整個軟件設計中最重要、最耗時的一步。</p><p>　　軟件調試的基本原則是：先分調，后總調；先模擬試驗，后現(xiàn)場試驗。</p><p>　　程序編寫完畢，首先要按模塊和子程序進行分段試驗，可用一些事先準備的試驗數據或附加一部分程序來產生模擬的外部信號和狀態(tài)，以檢驗這些模塊和子程序的功能和獨立工作能力。對于有時間限制的程序，還要通過計算或測試來確定其執(zhí)行速度，以免影響實時控制的要求

108、。各部分程序分調正常則可以裝配成整體進行總調?？傉{一般與模擬試驗同時進行，模擬試驗是用生產過程（或裝配）的現(xiàn)場模擬器對整個軟件進行測試，檢驗其是否符合預期效果。一切正常后方可在現(xiàn)場安裝，進行現(xiàn)場調試。</p><p><b>　　總結 </b></p><p>　　啤灑發(fā)酵是一個復雜的生物化學反應過程。發(fā)酵期間，根據酵母的活動能力，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含量達到最佳狀態(tài)，必須嚴格控制發(fā)酵各個階段的溫度。因此，啤灑發(fā)酵過程，除生產工藝水平外，生產工序控制指標的優(yōu)劣，將直接影響啤灑生產的質量，必須嚴格加以控制。</p><p>　　目前，我國啤灑生產規(guī)模逐年擴大，但是，大部分啤灑生產廠家仍然采用常規(guī)儀表進行生產陳控，依靠人工陳視各個參數，人為因素較多。所以，人工控制方式將難以保證生產工藝的正確執(zhí)行，從而導致啤灑質量

110、不穩(wěn)定，產品質量波動，并且，很難提高生產能力，擴大生產規(guī)模。</p><p>　　為此，我們對啤灑生產的發(fā)酵過程提出采用計算機監(jiān)控技術，使啤灑發(fā)酵生產控制與生產數據管理集于一身，這樣才能適應當前啤灑現(xiàn)代化生產的需求，使企業(yè)的技術進步，生產管理以及市場竟爭能力達到一個新的水平。</p><p>　　啤酒發(fā)酵過程中由于發(fā)酵液自身的生化反應、罐內的自然對流以及發(fā)酵液與冷帶以及外界環(huán)境之間的熱交換

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

112、際應用所要求的合理性</p><p>　　和完整性，因為這些研究工作通常受到實驗條件的限制而以計算機仿真實現(xiàn)的，而仿真條件下的情況往往與實際情況不完全符合。此外，由于發(fā)酵過程本身的復雜性和實驗條件的限制，對發(fā)酵過程溫度場分布目前還沒有系統(tǒng)研究報道。上述種種困難和限制導致了發(fā)酵過程的溫度檢測和控制技術存在許多不足之處，因此，本文以實驗為基礎，對啤酒生產過程的檢測和控制技術優(yōu)化改進展開研究。另一方面，工藝曲線參數直接

113、決定了啤酒質量和口味。研究檢測和控制優(yōu)化的目的也是為了提高檢測與控制精度，使得發(fā)酵過程嚴格按照工藝曲線進行，減小誤差，由于發(fā)酵的復雜性，工藝人員根據工藝手冊或經驗設定工藝曲線時往往忽略了一些生產因素，導致發(fā)酵后啤酒質量達不到最佳要求，而且不同生產條件下有不同的工藝曲線，所以有必要對工藝曲線進行優(yōu)化，以達到產品的質量要求。因此，本文從理論上展開對工藝曲線動態(tài)優(yōu)化問題的研究。這兩個方面的工作對提高啤酒產業(yè)乃至生化產業(yè)的綜合實力具有重大的實際