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

摘 要：為提高某啤酒廠發(fā)酵過程中溫度控制的自動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，設計了一套基于可編程邏輯控制器的自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了發(fā)酵溫度的精確控制以及發(fā)酵過程中難以整定的溫度參數(shù)的在線修改.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)，也是極其復雜難以精確控制的環(huán)節(jié).發(fā)酵過程是在發(fā)酵菌體的作用下，在密閉的環(huán)境（發(fā)酵罐）里，對麥汁的某些成分進行一系列的生化反應，把麥汁原味轉(zhuǎn)化為啤酒原味.發(fā)酵過程中微生物的代謝速度、代謝產(chǎn)物的種類及其含量與發(fā)酵菌體的活性緊密相連，同時發(fā)酵環(huán)境的溫度對發(fā)酵菌體的活性的影響至關(guān)重要.發(fā)酵過程中，發(fā)酵罐溫度過高，菌體繁殖加快，代謝產(chǎn)物分泌過多，影響產(chǎn)品口味；發(fā)酵罐溫度偏低，菌體繁殖過慢甚至不能正常繁殖，同樣影響產(chǎn)品口味.因此，發(fā)酵過程必須嚴格遵守發(fā)酵工藝要求，發(fā)酵過程溫度必須嚴格按照要求變化［1-2］.

啤酒發(fā)酵溫度控制過程具有大時滯性、非線性及強關(guān)聯(lián)性的特點，難以用精確的數(shù)學模型進行描述，龐大的系統(tǒng)規(guī)模及復雜的生化反應過程，這些給它的溫度控制帶來了一定的困難.傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制是靠專家經(jīng)驗進行現(xiàn)場溫度監(jiān)控.隨著計算機技術(shù)和智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，啤酒發(fā)酵過程的自動化控制系統(tǒng)受到世界各地啤酒制造廠商的青睞，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.PID溫度控制系統(tǒng)采用的是線性組合的方法，穩(wěn)定性高但是其動態(tài)響應較差，對大時滯系統(tǒng)表現(xiàn)出響應速度慢、容易發(fā)生振蕩的缺點.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，文獻［3］提出了模糊控制與PID控制相結(jié)合的控制算法，通過設置溫度偏差臨界值，當實際偏差大于偏差臨界值時，由模糊控制算法進行控制，當實際偏差小于偏差臨界值時，切換到PID控制算法進行控制.文獻［4］提出了多模態(tài)PID（Modality PID，M-PID）控制算法，根據(jù)偏差及其一階導數(shù)、二階導數(shù)的變化趨勢，把PID的調(diào)節(jié)參數(shù)劃分成四種不同的組合，控制過程中根據(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.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)，通過現(xiàn)場溫度值與設定溫度值的實時比較，結(jié)合專家經(jīng)驗控制與常規(guī)PID控制對控制參數(shù)進行在線調(diào)整，以期減小穩(wěn)態(tài)溫度偏移量、縮短溫度響應時間以及增強系統(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)進行的自然化學放熱反應，發(fā)酵溫度的控制即控制發(fā)酵過程中升降溫速率或恒溫保持.啤酒生產(chǎn)過程中的溫度控制要求曲線如圖1所示.

由圖1可見，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；恒溫段通過控制操作，保持發(fā)酵罐內(nèi)溫度恒定；降溫段通過控制操作，以指定速率降溫.

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

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

由于發(fā)酵罐體積大且罐內(nèi)無攪拌裝置，為了進一步提高采集溫度的可靠性和精確性，在發(fā)酵罐內(nèi)設立上、中、下三個層面的溫度采集點，且在同一層面的不同位置進行多點采樣.在一個采樣周期內(nèi)多次輪換采集同層面不同位置的溫度值，對采集到的溫度值進行優(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)設計基于層級控制的原理，由單罐現(xiàn)場控制系統(tǒng)和多罐控制室網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成.單罐現(xiàn)場控制系統(tǒng)由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、現(xiàn)場傳感器和現(xiàn)場動作開關(guān)組成；多罐控制室網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)由多點接口（Multi Point Interface，MPI）網(wǎng)卡、工控機和打印機組成.單罐現(xiàn)場控制系統(tǒng)和多罐控制室網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)同工作，實現(xiàn)對控制量的設定、顯示與調(diào)節(jié).

2.1單罐現(xiàn)場控制

單罐現(xiàn)場控制，選擇西門子S7-200系列CPU226型PLC為現(xiàn)場控制器，其能夠帶多達7個擴展模塊，不僅能快速實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集與內(nèi)部邏輯運算，而且支持高級通訊協(xié)議，為實現(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)場輸入、輸出點數(shù)和控制方式的要求，選擇3個模擬量輸入輸出模塊EM235用作現(xiàn)場溫度的采集及比例電磁閥開度的控制；選擇1個從站模塊EM277，用于網(wǎng)絡的組建.現(xiàn)場為單罐系統(tǒng)配備觸摸屏Smart1000，用于單罐現(xiàn)場的監(jiān)視與控制.單罐系統(tǒng)觸摸屏的應用，是為了建立獨立于控制室網(wǎng)絡監(jiān)控的單罐監(jiān)控體系，在生產(chǎn)過程中起到輔助監(jiān)控的功能，在控制室監(jiān)控故障的情況下，可以通過現(xiàn)場觸摸屏對發(fā)酵過程進行現(xiàn)場控制，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)絡監(jiān)控

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

WINCC的工控機和打印機組成.監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)場各溫度值的顯示、各閥門的開關(guān)狀態(tài)及開度大小狀態(tài)顯示.基于節(jié)點數(shù)量和控制成本的考慮，系統(tǒng)選擇控制室中每臺工控機通過MPI網(wǎng)絡［6］同時監(jiān)控現(xiàn)場10臺發(fā)酵罐，如圖3所示.

2.3參數(shù)自整定模糊PID控制

通過對發(fā)酵罐的實際分析得到發(fā)酵罐溫度變化具有以下特點：①大時滯性，由于發(fā)酵罐體積較大，而且內(nèi)部無攪拌裝置，冷卻過程首先帶走發(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)部高溫液體對流，進而才能影響測溫點溫度.這就使得控制點動作后，要經(jīng)過一段時間，被控量才發(fā)生變化；②強關(guān)聯(lián)性，因罐內(nèi)液體通過對流進行熱交換，故任一控制點的變化均會引起3個測量層溫度變化；③非線性，發(fā)酵分為不同的狀態(tài)過程，具有不同的工藝要求.

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

由于以上幾個特點，導致啤酒發(fā)酵溫度控制成為控制難點，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更改，對于啤酒發(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，動態(tài)響應差［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)，通過發(fā)酵罐實際溫度值與設定溫度值對比，計算得到實時變化的溫度偏差e和溫度偏差變化率ec，進而依據(jù)模糊控制規(guī)則對溫度參數(shù)進行在線調(diào)整，以滿足不同控制階段對溫度參數(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計，主要由以下三步完成.

1）輸入輸出量模糊化

經(jīng)過計算得到的溫度偏差e和溫度偏差變化率ec不能直接被模糊控制器識別，必須通過與量化因子相乘，得到對應的模糊量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的模糊集合的語言變量均為｛NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB｝，其中NB表示負大，NM表示負中，NS表示負小，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)場操作人員的工作經(jīng)驗與專家知識總結(jié)得出.模糊控制規(guī)則是用自然語言描述工作人員長期積累的工作經(jīng)驗，把人工經(jīng)驗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模糊量結(jié)果，不能直接用作控制量，須進行解模糊運算，求得精確控制量.重心法計算得到輸入空間論域中的全部組合對應的輸出模糊控制量，得到模糊控制查詢表，其中ΔKP的模糊控制查詢表見表2，ΔKI、ΔKD的模糊控制查詢表在此不再贅述.

通過查詢得到PID的各個參數(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，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)中把溫度設定值與實時溫度值的偏差e及其偏差變化率ec進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.通過編程完成對模糊控制器的設計，實現(xiàn)常規(guī)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的在線整定.

表1　控制規(guī)則表Tab.1 Control rule table

表2　模糊控制查詢表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進行仿真，在模糊工具箱中建立模糊推理規(guī)則，導入到Simulink中進行仿真.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)的延遲時間.

啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中被控對象會隨著時間的不同，具有不同的時間常數(shù)和滯后時間，其常數(shù)T的變化范圍為6～9 s，滯后時間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方式對系統(tǒng)進行仿真，溫度階躍響應曲線如圖6所示.

圖6　溫度階躍響應曲線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速度和更小的超調(diào)，具有強魯棒性，能夠適應非線性控制系統(tǒng).

4　結(jié)論

1）采用專家經(jīng)驗模糊控制，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)定性優(yōu)于傳統(tǒng)PID算法，適用于分段式、時變溫度控制系統(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℃，溫度響應速度較傳統(tǒng)PID控制提高了35%.

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（責任編輯、校對 張 超）

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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

作者簡介：苗榮霞（1971—），女，西安工業(yè)大學副教授，主要研究方向為計算機測控技術(shù).E-mail：598726396＠qq.com.

*收稿日期：2015-09-17

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

文獻標志碼：中圖號： TP301.6 A

文章編號：1673-9965（2016）02-0167-06