啤酒發(fā)酵溫度的參數(shù)自整定模糊PID控制*

苗榮霞，王　彬（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710021）

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啤酒發(fā)酵溫度的參數(shù)自整定模糊PID控制*

苗榮霞，王彬
（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710021）

摘 要：為提高某啤酒廠(chǎng)發(fā)酵過(guò)程中溫度控制的自動(dòng)化水平以及降低溫度穩(wěn)態(tài)偏移量，采用參數(shù)自整定模糊PID控制方法，設(shè)計(jì)了一套基于可編程邏輯控制器的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵溫度的精確控制以及發(fā)酵過(guò)程中難以整定的溫度參數(shù)的在線(xiàn)修改.仿真結(jié)果表明：啤酒發(fā)酵溫度的參數(shù)自整定模糊PID控制使發(fā)酵溫度穩(wěn)態(tài)偏移量降低到±0.1℃，溫度響應(yīng)速度較傳統(tǒng)PID控制方式提高了35%.

關(guān)鍵詞：模糊PID控制；啤酒發(fā)酵溫度；參數(shù)自整定；溫度響應(yīng)速度

啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)工藝的重要環(huán)節(jié)，也是極其復(fù)雜難以精確控制的環(huán)節(jié).發(fā)酵過(guò)程是在發(fā)酵菌體的作用下，在密閉的環(huán)境（發(fā)酵罐）里，對(duì)麥汁的某些成分進(jìn)行一系列的生化反應(yīng)，把麥汁原味轉(zhuǎn)化為啤酒原味.發(fā)酵過(guò)程中微生物的代謝速度、代謝產(chǎn)物的種類(lèi)及其含量與發(fā)酵菌體的活性緊密相連，同時(shí)發(fā)酵環(huán)境的溫度對(duì)發(fā)酵菌體的活性的影響至關(guān)重要.發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵罐溫度過(guò)高，菌體繁殖加快，代謝產(chǎn)物分泌過(guò)多，影響產(chǎn)品口味；發(fā)酵罐溫度偏低，菌體繁殖過(guò)慢甚至不能正常繁殖，同樣影響產(chǎn)品口味.因此，發(fā)酵過(guò)程必須嚴(yán)格遵守發(fā)酵工藝要求，發(fā)酵過(guò)程溫度必須嚴(yán)格按照要求變化［1-2］.

啤酒發(fā)酵溫度控制過(guò)程具有大時(shí)滯性、非線(xiàn)性及強(qiáng)關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)，難以用精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，龐大的系統(tǒng)規(guī)模及復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，這些給它的溫度控制帶來(lái)了一定的困難.傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制是靠專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)控.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，啤酒發(fā)酵過(guò)程的自動(dòng)化控制系統(tǒng)受到世界各地啤酒制造廠(chǎng)商的青睞，其中以基于溫度偏差的比例-積分-微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制系統(tǒng)最為常見(jiàn).PID溫度控制系統(tǒng)采用的是線(xiàn)性組合的方法，穩(wěn)定性高但是其動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，對(duì)大時(shí)滯系統(tǒng)表現(xiàn)出響應(yīng)速度慢、容易發(fā)生振蕩的缺點(diǎn).因此，在傳統(tǒng)控制方式的基礎(chǔ)上結(jié)合PID控制算法的優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)［3］提出了模糊控制與PID控制相結(jié)合的控制算法，通過(guò)設(shè)置溫度偏差臨界值，當(dāng)實(shí)際偏差大于偏差臨界值時(shí)，由模糊控制算法進(jìn)行控制，當(dāng)實(shí)際偏差小于偏差臨界值時(shí)，切換到PID控制算法進(jìn)行控制.文獻(xiàn)［4］提出了多模態(tài)PID（Modality PID，M-PID）控制算法，根據(jù)偏差及其一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)的變化趨勢(shì)，把PID的調(diào)節(jié)參數(shù)劃分成四種不同的組合，控制過(guò)程中根據(jù)需要切換控制參數(shù).模糊控制與PID控制結(jié)合算法以及M-PID控制算法，兩者都在一定程度上有效的改善了傳統(tǒng)PID的缺點(diǎn).但是，啤酒發(fā)酵是分段式溫度控制，不同的階段的控制要求不同，需要不同的控制參數(shù)，而兩者都不能動(dòng)態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，因此，提出了參數(shù)自整定模糊PID溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溫度值與設(shè)定溫度值的實(shí)時(shí)比較，結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)控制與常規(guī)PID控制對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)整，以期減小穩(wěn)態(tài)溫度偏移量、縮短溫度響應(yīng)時(shí)間以及增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性.

1　啤酒發(fā)酵溫度的控制

啤酒發(fā)酵是在密閉發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行的自然化學(xué)放熱反應(yīng)，發(fā)酵溫度的控制即控制發(fā)酵過(guò)程中升降溫速率或恒溫保持.啤酒生產(chǎn)過(guò)程中的溫度控制要求曲線(xiàn)如圖1所示.

由圖1可見(jiàn)，啤酒發(fā)酵溫度控制分為自然升溫段、恒溫段和降溫段3個(gè)階段.其中自然升溫段控制系統(tǒng)不工作，任其自然升溫；恒溫段通過(guò)控制操作，保持發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定；降溫段通過(guò)控制操作，以指定速率降溫.

啤酒發(fā)酵是在發(fā)酵罐中進(jìn)行的，發(fā)酵罐罐體是碳鋼或不銹鋼的密閉空間，發(fā)酵過(guò)程中只能靠罐壁與外界進(jìn)行熱交換，進(jìn)行溫度調(diào)節(jié).因此，發(fā)酵罐的冷卻設(shè)備采用夾套式，通過(guò)盤(pán)管進(jìn)行熱交換.在冷卻設(shè)備的入口通入—3℃的冷卻劑，冷卻劑通過(guò)繞在罐體外側(cè)的換熱片（或盤(pán)管）帶走多余的熱量，達(dá)到降溫的效果.為了做到有效散熱，發(fā)酵罐外圍設(shè)有上、中、下3段冷卻套，在相應(yīng)冷卻套的入口端設(shè)有一個(gè)由模擬量控制開(kāi)度可調(diào)節(jié)的比例電磁閥，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，控制流過(guò)冷卻套的冷卻液的流速與流量，進(jìn)而改變發(fā)酵流體溫度.當(dāng)溫度達(dá)到工藝要求溫度時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)，阻斷冷卻劑的流動(dòng)，按工藝要求繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵反應(yīng)［5］.

圖1　發(fā)酵過(guò)程溫度要求曲線(xiàn)Fig.1 Temperature requirement curve of fermentation process

由于發(fā)酵罐體積大且罐內(nèi)無(wú)攪拌裝置，為了進(jìn)一步提高采集溫度的可靠性和精確性，在發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)立上、中、下三個(gè)層面的溫度采集點(diǎn)，且在同一層面的不同位置進(jìn)行多點(diǎn)采樣.在一個(gè)采樣周期內(nèi)多次輪換采集同層面不同位置的溫度值，對(duì)采集到的溫度值進(jìn)行優(yōu)化處理后用作該周期的采樣溫度，既周期被控溫度.

2　控制策略

系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于層級(jí)控制的原理，由單罐現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)和多罐控制室網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成.單罐現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、現(xiàn)場(chǎng)傳感器和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作開(kāi)關(guān)組成；多罐控制室網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)由多點(diǎn)接口（Multi Point Interface，MPI）網(wǎng)卡、工控機(jī)和打印機(jī)組成.單罐現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)和多罐控制室網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制量的設(shè)定、顯示與調(diào)節(jié).

2.1單罐現(xiàn)場(chǎng)控制

單罐現(xiàn)場(chǎng)控制，選擇西門(mén)子S7-200系列CPU226型PLC為現(xiàn)場(chǎng)控制器，其能夠帶多達(dá)7個(gè)擴(kuò)展模塊，不僅能快速實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集與內(nèi)部邏輯運(yùn)算，而且支持高級(jí)通訊協(xié)議，為實(shí)現(xiàn)多罐控制系統(tǒng)的控制室監(jiān)控提供技術(shù)支持.

根據(jù)控制現(xiàn)場(chǎng)輸入、輸出點(diǎn)數(shù)和控制方式的要求，選擇3個(gè)模擬量輸入輸出模塊EM235用作現(xiàn)場(chǎng)溫度的采集及比例電磁閥開(kāi)度的控制；選擇1個(gè)從站模塊EM277，用于網(wǎng)絡(luò)的組建.現(xiàn)場(chǎng)為單罐系統(tǒng)配備觸摸屏Smart1000，用于單罐現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)視與控制.單罐系統(tǒng)觸摸屏的應(yīng)用，是為了建立獨(dú)立于控制室網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的單罐監(jiān)控體系，在生產(chǎn)過(guò)程中起到輔助監(jiān)控的功能，在控制室監(jiān)控故障的情況下，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.單罐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2　單罐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Single tank control system structure

2.2多罐控制室網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

控制室網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)由搭載組態(tài)軟件

WINCC的工控機(jī)和打印機(jī)組成.監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各溫度值的顯示、各閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)及開(kāi)度大小狀態(tài)顯示.基于節(jié)點(diǎn)數(shù)量和控制成本的考慮，系統(tǒng)選擇控制室中每臺(tái)工控機(jī)通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò)［6］同時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)10臺(tái)發(fā)酵罐，如圖3所示.

2.3參數(shù)自整定模糊PID控制

通過(guò)對(duì)發(fā)酵罐的實(shí)際分析得到發(fā)酵罐溫度變化具有以下特點(diǎn)：①大時(shí)滯性，由于發(fā)酵罐體積較大，而且內(nèi)部無(wú)攪拌裝置，冷卻過(guò)程首先帶走發(fā)酵罐壁的溫度，促使靠近內(nèi)壁的液體溫度首先下降，然后與內(nèi)部高溫液體對(duì)流，進(jìn)而才能影響測(cè)溫點(diǎn)溫度.這就使得控制點(diǎn)動(dòng)作后，要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，被控量才發(fā)生變化；②強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，因罐內(nèi)液體通過(guò)對(duì)流進(jìn)行熱交換，故任一控制點(diǎn)的變化均會(huì)引起3個(gè)測(cè)量層溫度變化；③非線(xiàn)性，發(fā)酵分為不同的狀態(tài)過(guò)程，具有不同的工藝要求.

圖3　控制室MPI網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控示意圖Fig.3 Monitoring schematic of MPI network control room

由于以上幾個(gè)特點(diǎn)，導(dǎo)致啤酒發(fā)酵溫度控制成為控制難點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)多以PID為核心控制算法.傳統(tǒng)PID控制，參數(shù)一旦確定就不能自動(dòng)更改，對(duì)于啤酒發(fā)酵這樣的多段式溫度控制系統(tǒng)，表現(xiàn)出一定的局限性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差［7］.

為此，提出基于模糊控制的參數(shù)自整定模糊PID溫度控制系統(tǒng)，通過(guò)發(fā)酵罐實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值對(duì)比，計(jì)算得到實(shí)時(shí)變化的溫度偏差e和溫度偏差變化率ec，進(jìn)而依據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)溫度參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)調(diào)整，以滿(mǎn)足不同控制階段對(duì)溫度參數(shù)的要求，使啤酒發(fā)酵溫度變化表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能［8-9］.

啤酒發(fā)酵溫度參數(shù)自整定模糊PID控制方法的核心是模糊控制器的設(shè)計(jì)，主要由以下三步完成.

1）輸入輸出量模糊化

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的溫度偏差e和溫度偏差變化率ec不能直接被模糊控制器識(shí)別，必須通過(guò)與量化因子相乘，得到對(duì)應(yīng)的模糊量E和Ec才能用做模糊控制器的輸入量.

該系統(tǒng)控制器的輸入變量為E和Ec，輸出變量為溫度參數(shù)變化量ΔKP、ΔKI和ΔKD，這樣，組成了2輸入、3輸出的模糊控制器.定義模糊控制器輸入、輸出變量的模糊集論域均為｛—6，—5，—4，—3，—2，—1，0，1，2，3，4，5，6｝，描述輸入變量E、Ec和輸出變量ΔKP、ΔKI和ΔKD的模糊集合的語(yǔ)言變量均為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，其中NB表示負(fù)大，NM表示負(fù)中，NS表示負(fù)小，Z表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大［10］.控制器中各元素的隸屬度函數(shù)選擇三角形隸屬度函數(shù).

2）模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，該系統(tǒng)控制規(guī)則的制定是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)與專(zhuān)家知識(shí)總結(jié)得出.模糊控制規(guī)則是用自然語(yǔ)言描述工作人員長(zhǎng)期積累的工作經(jīng)驗(yàn)，把人工經(jīng)驗(yàn)抽象為從輸入到輸出的一種映射關(guān)系.該控制器描述的控制規(guī)則見(jiàn)表1.

3）解模糊化

模糊化模塊把精確輸入量轉(zhuǎn)換成模糊集合，在規(guī)則庫(kù)中利用模糊規(guī)則產(chǎn)生模糊結(jié)論，至此所獲得的仍是一個(gè)模糊量結(jié)果，不能直接用作控制量，須進(jìn)行解模糊運(yùn)算，求得精確控制量.重心法計(jì)算得到輸入空間論域中的全部組合對(duì)應(yīng)的輸出模糊控制量，得到模糊控制查詢(xún)表，其中ΔKP的模糊控制查詢(xún)表見(jiàn)表2，ΔKI、ΔKD的模糊控制查詢(xún)表在此不再贅述.

通過(guò)查詢(xún)得到PID的各個(gè)參數(shù)變化的模糊量，再與各自的比例因子相乘，得到溫度參數(shù)變化的精確量.

啤酒發(fā)酵溫度參數(shù)自整定模糊PID控制方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖4所示.

由圖4可見(jiàn)，模糊控制器為2輸入3輸出的多變量控制器。在啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中把溫度設(shè)定值與實(shí)時(shí)溫度值的偏差e及其偏差變化率ec進(jìn)行模糊化處理后作為模糊控制器的輸入，常規(guī)PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)變化量作為模糊控制器的輸出.通過(guò)編程完成對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的在線(xiàn)整定.

表1　控制規(guī)則表Tab.1 Control rule table

表2　模糊控制查詢(xún)表Tab.2 Fuzzy control query table

圖4　模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.4 Block diagram of Fuzzy PID control system

3　仿真及分析

模糊邏輯采用仿真工具Simulink進(jìn)行仿真，在模糊工具箱中建立模糊推理規(guī)則，導(dǎo)入到Simulink中進(jìn)行仿真.將啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)定義為具有一階滯后的慣性系統(tǒng)，那么其傳遞函數(shù)為

式中：T為慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)；k為慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)；τ為滯后環(huán)節(jié)的延遲時(shí)間.

啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中被控對(duì)象會(huì)隨著時(shí)間的不同，具有不同的時(shí)間常數(shù)和滯后時(shí)間，其常數(shù)T的變化范圍為6～9 s，滯后時(shí)間τ的變化范圍為2～3 s［11］.啤酒發(fā)酵溫度控制的仿真模型如圖5所示.圖5中Step為階躍信號(hào)發(fā)生器；Fuzzy PID為參數(shù)自整定模糊PID封裝模塊；PID為常規(guī)PID封裝模塊；Transfer Fun為傳遞函數(shù)；Transport Delay為傳輸延遲時(shí)間；Scope為示波器.

圖5　溫度控制系統(tǒng)仿真模型Fig.5 Simulation model of temperature control system

仿真模型傳遞函數(shù)取為1／（6s+1）e—3s，溫度控制參數(shù)比例系數(shù)、積分系數(shù)及微分系數(shù)分別取1、0.14、2，采用2種PID方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，溫度階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6所示.

圖6　溫度階躍響應(yīng)曲線(xiàn)Fig.6 Temperature step response curve

仿真結(jié)果表明，參數(shù)自整定模糊PID溫度控制與傳統(tǒng)PID溫度控制相比有更快的響應(yīng)速度和更小的超調(diào)，具有強(qiáng)魯棒性，能夠適應(yīng)非線(xiàn)性控制系統(tǒng).

4　結(jié)論

1）采用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)?zāi)：刂?，結(jié)合PID控制，給出了一種參數(shù)自整定模糊PID溫度控制算法，該算法的魯棒性和穩(wěn)定性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)PID算法，適用于分段式、時(shí)變溫度控制系統(tǒng).

2）在相同參數(shù)條件下，參數(shù)自整定模糊PID溫度控制方法使發(fā)酵溫度穩(wěn)態(tài)偏移量降低到±0.1℃，溫度響應(yīng)速度較傳統(tǒng)PID控制提高了35%.

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（責(zé)任編輯、校對(duì) 張 超）

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譚寶成，黨莉.變速積分增量式PID在氣力除灰控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.2010，30（5）：478.

Parameter Self Tuning Fuzzy PID Control of Beer Fermentation Temperature

MIAO Rongxia，WANG Bin
（School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China）

Abstract：In order to improve the level of automation of a brewery in the temperature-controlled fermentation process and reduce the temperature steady offset，an automatic monitoring system based on PLC is designed with the parameter self-tuning fuzzy PID control method.The accurate control of the fermentation temperature and the on-line modification of the temperature parameters in the process of fermentation are realized.Simulation results show that beer fermentation temperature parameter self tuning fuzzy PID control reduces the steady-state offset of the fermentation temperature to±0.1℃，and temperature response rate is increased by 35%compared with conventional PID control method.

Key Words：fuzzy PID control；beer fermentation temperature；parameter self tuning；temperature response speed

作者簡(jiǎn)介：苗榮霞（1971—），女，西安工業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù).E-mail：598726396＠qq.com.

*收稿日期：2015-09-17

DOI：10.16185／j.jxatu.edu.cn.2016.02.014

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：中圖號(hào)： TP301.6 A

文章編號(hào)：1673-9965（2016）02-0167-06