單片機控制啤酒發(fā)酵系統(tǒng)

1、第一章 緒論1.1 課題的來源、目的及意義 我國的啤酒市場非常巨大，國內(nèi)生產(chǎn)啤酒的企業(yè)數(shù)以百計，但與國外的主要啤酒生產(chǎn)廠家相比大部分企業(yè)技術(shù)落后，大部分處于手動控制階段，只有極少數(shù)企業(yè)實現(xiàn)半自動化。由于啤酒生產(chǎn)是一個利用生物加工進(jìn)行生產(chǎn)的過程，生產(chǎn)周期長，過程參數(shù)分散性大，傳統(tǒng)操作方式難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。近年來，國外的各大啤酒生產(chǎn)廠家紛紛進(jìn)軍中國市場，憑借技術(shù)優(yōu)勢與國內(nèi)的啤酒生產(chǎn)廠家爭奪市場份額。國內(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競爭中立于不敗之地。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

2、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，工人的勞動強度大，而且質(zhì)量難以控制。國外的著名啤酒生產(chǎn)廠家大部分都實現(xiàn)了自動化控制在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時縮短了生產(chǎn)周期。為此，在國內(nèi)啤酒行業(yè)中實現(xiàn)自動化生產(chǎn)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地減小，同時啤酒的質(zhì)量與生產(chǎn)都有望升上一個新的臺階，企業(yè)通過技術(shù)改造增加了市場競爭。另一方

3、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)性價比高，以后還可以推廣到其他很多化工廠生產(chǎn)的場合。應(yīng)用前景樂觀，能產(chǎn)生較大的社會經(jīng)濟(jì)效益。1.2 國內(nèi)啤酒生產(chǎn)過程控制概況我國啤酒的產(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去，才能適應(yīng)日益變化的消費者的需求，這就要求國內(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)備以滿足市場的需求。主要有以下幾方面：1. 引進(jìn)國外控制技術(shù)例如：福建惠泉啤酒廠創(chuàng)下“十五”啤酒釀造技術(shù)新亮點無菌釀造技術(shù)，并進(jìn)口德國thiemt公司的各種先進(jìn)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

4、京燕京啤酒廠引進(jìn)德國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)備的最大特點是自動化水平比較高，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)備價格昂貴，使一般小廠望塵莫及。 2. 國內(nèi)科研院所、專業(yè)公司根據(jù)國情自行研究的技術(shù)由于引進(jìn)設(shè)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(chǎn)設(shè)備，以適應(yīng)國內(nèi)啤酒生產(chǎn)的需要，也成為國內(nèi)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

5、，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(wǎng)絡(luò)，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(shè)有液位檢測；合肥廉泉啤酒(集團(tuán))公司為了增強企業(yè)的整體實力，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)，從而使擴建6萬噸啤酒生產(chǎn)系統(tǒng)的技改工作勝利完成。3. 廠內(nèi)自行研究國內(nèi)中小企業(yè)結(jié)合本廠生產(chǎn)實際自行研究的自動化

6、儀表加手動的生產(chǎn)控制技術(shù)，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(yuǎn)發(fā)展的需求。從上述情況看，我國的啤酒生產(chǎn)設(shè)備與發(fā)達(dá)國家相比有較大的差距，還處于起步階段。1.3 計算機控制系統(tǒng)在發(fā)酵過程中的應(yīng)用 發(fā)酵過程計算機上控制，特別是微機控制，己經(jīng)在我國發(fā)酵工業(yè)中推廣應(yīng)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(yīng)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(jìn)型的微機系統(tǒng)供發(fā)酵過程控制應(yīng)用。隨著的小型集散控制

7、系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)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。隨著微機在發(fā)酵過程控制中的應(yīng)用不斷發(fā)展，各種測量傳感器、二次儀表和執(zhí)行機構(gòu)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)。1.4 發(fā)酵過程控制方法概述 微生物的發(fā)酵過程，機理十分復(fù)雜，影響微生物生長的因素錯綜復(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)酵試驗的實驗數(shù)據(jù)重復(fù)性較差，這對數(shù)學(xué)模型的建立也帶來了許多困難。然而，人們借用微機這一先進(jìn)的科學(xué)工具，為解決發(fā)酵過程參數(shù)的測量。數(shù)據(jù)管理與分析

8、，發(fā)酵過程優(yōu)化控制開創(chuàng)了新局面。1.5 發(fā)酵過程直接數(shù)字控制(ddc) 使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(shù)，狀態(tài)和數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行實時在線的優(yōu)化管理。如報表打印，各種參數(shù)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。第二章 啤酒發(fā)酵工藝概述2.1 啤酒生產(chǎn)工藝簡介 啤酒生產(chǎn)過程主要包括糖化、發(fā)酵以及過濾分裝三個環(huán)節(jié)。(1) 糖化 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

9、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。 (2) 發(fā)酵 圖2.1 發(fā)酵溫度工藝設(shè)定曲線 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(jīng)酵母發(fā)酵分解成c2h5oh， co2， h2o的過程，同時還會產(chǎn)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(chǎn)物的含量雖然極少，但它們對啤酒的質(zhì)量和口味的影響很大，它們的產(chǎn)生主要取決于發(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?，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(chǎn)質(zhì)量的核心內(nèi)容。啤酒發(fā)酵是個放

10、熱過程，如不加以控制，罐內(nèi)的溫度會隨著發(fā)酵生成熱的產(chǎn)生而逐漸上升，目前大多數(shù)對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。整個發(fā)酵過程分前酵和后酵兩個階段，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有所不同。 (1) 前酵 這個階段又稱為主發(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，使整個罐內(nèi)的溫度逐漸上升。經(jīng)過23天后進(jìn)入發(fā)酵最為旺盛的高泡期再經(jīng)過23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

11、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。(2) 后酵 當(dāng)罐內(nèi)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(jìn)行雙乙酞還原，此外，后酵階段還完成了殘?zhí)前l(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)過一段時間的貯酒，整個發(fā)酵環(huán)節(jié)基本結(jié)束。 通常發(fā)酵液溫度在不同的發(fā)酵階段，對罐內(nèi)發(fā)酵液的溫度場要有相應(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)酵液對流和酵母

12、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。(3) 啤酒的過濾和灌裝 前、后酵結(jié)束以后，啤酒將通過過濾機和高溫瞬時殺菌進(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)會在以后的時間里從啤酒中析出，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其進(jìn)行生物穩(wěn)定性處理的最后一個環(huán)節(jié)。至此，一個啤酒和生產(chǎn)周期結(jié)束。2

13、.2 啤酒發(fā)酵過程溫控對象的特點發(fā)酵罐是啤酒生產(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、下三個測溫點和三個調(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：(1) 時滯很大 圖2.2 圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖 在整個發(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)

14、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)部存在一定的對流，影響到測溫點，這就使得控制量的變化后，要經(jīng)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(yīng)。例如一個120m3啤酒發(fā)酵罐溫度響應(yīng)的滯后時間一般在530min之內(nèi)變化。(2) 時變性 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，因此對象特性具有明顯的時變性。(3) 大時間常數(shù) 發(fā)酵罐體積大，發(fā)酵液體通過罐壁與

15、冷卻水進(jìn)行熱交換的過程比較慢。(4) 強關(guān)聯(lián) 因為罐內(nèi)酒體的對流，所以在任一控制量的變化均會引起三個被控量的變化。 在分析對象特性的時候，由于受到認(rèn)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(xué)變化的本質(zhì)特征，這也必然會導(dǎo)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(chǎn)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(shù)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?qū)崟r獲取的。第三章 硬件電路設(shè)計3.1 概述根據(jù)總體設(shè)計要求，控制系統(tǒng)得結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 在系統(tǒng)總體構(gòu)思時，主要遵從以下幾點原則： 1. 可靠性設(shè)計原則 設(shè)計過程的首要考

16、慮的因素是可靠性，由于啤酒發(fā)酵是一個連續(xù)生產(chǎn)過程，要求設(shè)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。 為了達(dá)到可靠性要求，在設(shè)計時采取了以下措施：a. 盡量采用標(biāo)準(zhǔn)的元器件和電路；b. 簡化設(shè)計； 此外，設(shè)計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，還要考慮其性能價格比、貨源等問題，以便于投入生產(chǎn)。 2. 技術(shù)先進(jìn)、生命周期長 3. 性能/價格比高3.2 模擬量輸入通道3.2.1 模擬量輸入通道的一般結(jié)構(gòu)形式1. 單路模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)(1) 傳感器其作用是把工業(yè)現(xiàn)場的各種非電量檢測出

17、來，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)得電信號。如熱電偶能把溫度的高低轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的熱電動勢、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。(2) 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路的作用是將傳感器輸出的信號作適當(dāng)?shù)奶幚恚怪蔀檫m合a/d轉(zhuǎn)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(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現(xiàn)。(3) 采樣保持器（s/h）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(jìn)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(zhuǎn)換結(jié)束。采樣保持器就是實現(xiàn)這一功能的電路。當(dāng)輸入的模擬量信號變化緩慢時，也可省去采樣保持器。(4) a/d轉(zhuǎn)換

18、器a/d轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的模擬信號的采樣值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)得數(shù)字信號。2. 多路模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)(1) 多通道并聯(lián)輸入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(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。(2) 多通道共用a/d轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中增加一個多路開關(guān)，這種形式的a/d轉(zhuǎn)換器可對各路模擬信號依次進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，由于轉(zhuǎn)換時分時進(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，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(zhuǎn)換器。3.2.2 模擬量輸入通道設(shè)計中應(yīng)考慮的問題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(shè)計中必須考慮到信號的拾取方式、信號的調(diào)理、a/d轉(zhuǎn)

19、換以及電源的配置等問題。1. 信號的拾取方式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(zhuǎn)換成電量。根據(jù)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)。(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(shè)計相應(yīng)的電路，使這類參數(shù)變換成電流或電壓量。(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

20、元件、測量電路、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(zhuǎn)換即可輸入計算機。(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(diào)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(shù)字量，可大大簡化模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)。但其售價遠(yuǎn)高于一個傳感器的價格。2. 信號的調(diào)理在模擬量輸入通道中，信號調(diào)理的任務(wù)是將傳感器輸出的電信號或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。在一般的測控系統(tǒng)中，信號調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了信號放大和濾

21、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，模擬量輸入通道中信號調(diào)理的重點為小信號放大、變換及信號的濾波等。3. a/d轉(zhuǎn)換器4. 電源配置模擬量輸入通道中要完成信號的拾取、調(diào)理、轉(zhuǎn)換等復(fù)雜任務(wù)。在信號拾取時，要考慮對傳感器的供電。在信號的調(diào)理、轉(zhuǎn)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。3.2.3 a/d轉(zhuǎn)換器3.2.3.1 a/d轉(zhuǎn)換的基本概念a/d轉(zhuǎn)換的功

22、能是把模擬量電壓轉(zhuǎn)換為n位數(shù)字量電壓。1. a/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)果是一個個孤立的點。每個點的縱坐標(biāo)代表某個數(shù)字量，其值與采樣時刻的模擬量相對應(yīng)。如果在相鄰兩次采樣時刻之間，a/d轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量保持前一時刻的值，那么a/d轉(zhuǎn)換的輸出就是一條階梯形的曲線。2. 兩次采樣的時隔時間稱為采樣周期。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)換所需要的時間顯然必須小于采樣周期。3. 擬量表示為相應(yīng)的數(shù)

23、字量，稱為量化，數(shù)字量的最低位即最小有效位1lsb，與此相對應(yīng)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(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。這表示了這個a/d轉(zhuǎn)換器的分辨能力。3.2.3.2 a/d轉(zhuǎn)換的主要性能指標(biāo)1. 分辨率 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?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%。2. 量化誤差a/d轉(zhuǎn)換是用數(shù)字量對模擬量進(jìn)行量化。由于存在著最小量化單位，在轉(zhuǎn)換中就會出現(xiàn)誤差。3. 轉(zhuǎn)換精度這是指一個實際的

24、a/d轉(zhuǎn)換器與理想的a/d轉(zhuǎn)換器相比的轉(zhuǎn)換誤差。絕對精度一般以lsb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(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)；有的給出分項誤差指標(biāo)，有失調(diào)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。(1) 失調(diào)誤差 又稱為零點誤差，這是指當(dāng)輸入模擬量從0逐漸增長使輸出數(shù)字量從00跳至01 時，輸入模擬量實際數(shù)值與理想的模擬量數(shù)值（即1lsb的對應(yīng)值）之差。這反映了a/d轉(zhuǎn)換器零點的偏差。一定溫度下的失調(diào)誤差可以通過電路調(diào)整來消除。(2) 增益誤差當(dāng)輸入數(shù)字量達(dá)到滿量程時，所對應(yīng)的輸入模擬

25、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。計算此項誤差時應(yīng)將失調(diào)誤差除去。一定溫度下的增益誤差也可以通過電路調(diào)整來消除。(3) 非線性誤差這是指實際轉(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。(4) 微分非線性誤差在a/d轉(zhuǎn)換曲線上，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(shù)字碼的現(xiàn)象。在上述幾項誤差中，如果失調(diào)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。需要指出的是精度所對應(yīng)的誤差指標(biāo)中未包括量化誤差，

26、因此實際的總誤差還要把量化誤差考慮在內(nèi)。4. 轉(zhuǎn)換時間這是指a/d轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間。其倒數(shù)為轉(zhuǎn)換速率。5. 溫度系數(shù)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)生的相對轉(zhuǎn)換誤差來表示，以ppm/c位單位。3.2.3.3 a/d轉(zhuǎn)換器的選擇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、價格及器件來源諸方面綜合考慮。一般來講，雙積分型a/d轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器的電點是轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)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

27、，性能不同時價格差別較大，適用于速度較高的系統(tǒng)中。此外，常用的還有v/f轉(zhuǎn)換器，它可將電壓信號轉(zhuǎn)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。如何從種類繁多的a/d芯片中選擇出合適的a/d芯片，是每個設(shè)計者必須認(rèn)真考慮的問題。一般可按照下列原則選擇a/d轉(zhuǎn)換器：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、信號條理電路精度和a/d轉(zhuǎn)換精度。應(yīng)將綜合精度在各個環(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/

28、d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。2. 根據(jù)嬉鬧對象的變化率及轉(zhuǎn)換精度要求，確定a/d轉(zhuǎn)換速度，以保證系統(tǒng)的實時性要求。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、可靠性等級等性能。3.2.4 模擬量輸入通道設(shè)計 本系統(tǒng)檢測30個溫度（t1t9）、10個壓力（p1p10）、10個液位（h1h10）。對于溫度，我們選用wzp-231鉑熱電阻30支和rttb-ekt溫度變送器30只進(jìn)行溫度測量和變送，即將-2050c變換成420ma(dc)信號，送至32路i/v變換板cmb5419-1b，把420 ma(dc)信號變換成15v（dc）信號，最后把15v（dc）信號送至32路12位光電隔離

29、a/d板ipc5488，從而實現(xiàn)溫度的數(shù)據(jù)采集。對于壓力，選用10臺電容式壓力變送器cecy-150g，進(jìn)行壓力測量變送，即將00.25mpa壓力變換成420ma(dc)信號，同樣經(jīng)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(jìn)行液位測量和變送，即將00.2mpa的差壓轉(zhuǎn)換成420ma(dc)信號，同樣經(jīng)i/v變換送至a/d板。3.3 模擬量輸出通道3.3.1 模擬量輸出通道設(shè)計模擬量輸出通道的一般形式：1. 單路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)(1) 寄存器用于保存計算機輸出的數(shù)字量控制信號。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

30、，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。(2) d/a轉(zhuǎn)換器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(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。(3) 放大/變換電路d/a轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量信號往往無法直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蠡蜃儞Q。例如，常用的電動執(zhí)行器需要010ma或420ma電流信號來控制，這就需要把d/a轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號變換成上述范圍地信號。1. 多路模擬量輸出通道的結(jié)構(gòu)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(shù)字量保持和

31、模擬量保持。對應(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。(1) 各通道自備d/a轉(zhuǎn)換器形式這種形式各通道之間是相互獨立的，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影響其它通道的工作。3.3.2 模擬量輸出通道設(shè)計中應(yīng)考慮的問題關(guān)于模擬量輸出通道的設(shè)計,像模擬量輸入通道的實際一樣,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)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)計中通常不需要進(jìn)行繁雜的參數(shù)計算，而需要清楚地掌

32、握和理解集成電路的功能和特點。在模擬量輸出通道的設(shè)計中，選擇合適的d/a轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要，一般來講，對于d/a轉(zhuǎn)換電路，應(yīng)考慮以下問題：(1) 通道技術(shù)要求所需要的分辨率、精度以及線性度。(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。(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。(4) 參考電壓類型。(5) 輸出電壓是單極性的還是雙極性的。3.3.3 d/a轉(zhuǎn)換器3.3.3.1 d/a轉(zhuǎn)換得基本知識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，從而實現(xiàn)將n位數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)得模擬量。由于數(shù)字量不是連續(xù)的，其轉(zhuǎn)換后的

33、模擬量自然也不會連續(xù)，同時由于計算機每次輸出數(shù)據(jù)和d/a轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換需要一定的時間，因此實際上d/a轉(zhuǎn)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。3.3.3.2 d/a轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)1. 分辨率其定義是當(dāng)輸出數(shù)字量發(fā)生單位數(shù)碼變化（即1lsb）時，所對應(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值（即1/2n）百分率來表示。在實際使用中，又常用數(shù)字量的位數(shù)來作為分辨率。2. 轉(zhuǎn)換精度這是指一個實際的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

34、和微分非線性誤差。(1) 失調(diào)誤差（或零點誤差）其定義是黨輸入數(shù)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(zhuǎn)換器，模擬量輸出的理想值是零。對于雙極性d/a轉(zhuǎn)換，此理想值是負(fù)的滿量程值。一定溫度下的失調(diào)誤差可以通過外部調(diào)整措施進(jìn)行補償。(2) 增益誤差（或滿量程誤差）當(dāng)輸入數(shù)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(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。計算增益誤差時應(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)整措施實現(xiàn)補償。(3) 非線性誤差其含義是實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想轉(zhuǎn)換特性曲

35、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。3. 建立時間當(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)所需要的時間。3.3.3.3 d/a轉(zhuǎn)換器的選擇要點選擇d/a轉(zhuǎn)換器時，主要應(yīng)考慮以下幾個方面：1. 輸入信號的形式輸入信號有并行和串行兩種形式，根據(jù)實際要求選定，在實際應(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。2. 分辨率和轉(zhuǎn)換精度根據(jù)對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

36、百分率值為0.392%、0.0978%和0.0244%。在精度指標(biāo)方面，零點誤差和滿量程誤差可以通過電路調(diào)整進(jìn)行補償，因此主要看芯片的非線性誤差和微分非線性誤差。3. 建立時間d/a轉(zhuǎn)換器的電流建立時間很短，一般為50500ns。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。4. 輸入鎖存器的情況d/a轉(zhuǎn)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(jù)對d/a轉(zhuǎn)換工作方式的要求來選擇。5. 轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出形式轉(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

37、道輸出方式。這可根據(jù)應(yīng)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(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。3.3.4 模擬量輸出通道設(shè)計本系統(tǒng)自動控制30個溫度，即使用30個電動調(diào)節(jié)閥zdlp-6b，通過調(diào)節(jié)閥自動調(diào)節(jié)閥門開度，從而調(diào)節(jié)冷卻液（淡酒精）流量，達(dá)到控制發(fā)酵溫度的目的。 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，將計算機輸出的控制量轉(zhuǎn)換成420ma(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-21

38、00輸出420ma(dc)信號送至電動調(diào)節(jié)閥，從而實現(xiàn)控制30個調(diào)節(jié)閥（tv1tv30），達(dá)到控制溫度的目的。第四章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計4.1 計算機ddc系統(tǒng)的軟件設(shè)計的要求1. 實時性ddc系統(tǒng)是實時控制系統(tǒng)，所以它的軟件應(yīng)是實時性控制軟件。計算機必須對生產(chǎn)過程（或裝置）的各種工藝參數(shù)及時采集，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)值運算，完成處理過程，輸出控制信號，以便對生產(chǎn)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(jìn)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。2. 可靠性軟件的可靠性是指在一定時間范圍內(nèi)，軟件執(zhí)行

39、無故障的可能性和每次遇到故障時對擁護(hù)造成的影響大小。軟件設(shè)計的疏忽會削弱軟件的預(yù)期能力，降低控制質(zhì)量，有時還會使執(zhí)行機構(gòu)錯誤動作，使生產(chǎn)過程（或裝置）不能正常工作，所以設(shè)計正確無誤的軟件應(yīng)該是提高軟件可靠性的重要保證?？煽啃愿叩能浖€應(yīng)該具有自動容錯、糾錯功能，在誤操作時（如按錯鍵、輸入錯誤參數(shù)等）不會造成生產(chǎn)過程（或裝置）的嚴(yán)重失調(diào)。3. 人機交往功能軟件設(shè)計應(yīng)該方便操作人員與計算機系統(tǒng)的“對話”，生產(chǎn)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(diào)節(jié)參數(shù)，變更控制方案。4. 編制軟件使用的語言、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(dá)到

40、按“位”處理的目的，容易滿足實時性的要，程序結(jié)構(gòu)較緊湊，以節(jié)省存儲空間。在內(nèi)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?qū)⑵渖赡繕?biāo)程序。4.2 數(shù)據(jù)采集4.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制方式1. 軟件延時定時控制2. 硬件定時、軟件查詢3. 多中斷控制方式4. 單中斷控制方式5. dma控制方式6.4.2.2 數(shù)據(jù)采集程序首先按順序采集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。4.3 數(shù)字濾波4.3.1 常用的數(shù)字濾波方法數(shù)字濾波是計算機通過執(zhí)行程序?qū)斎氲臄?shù)字信號進(jìn)行處理，

41、減少干擾在信號中的比重，實質(zhì)上是一種程序濾波。數(shù)字濾波電路與模擬濾波電路相比，主要優(yōu)點有三：1. 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。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。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。常用的數(shù)字濾波方法：1. 程序判斷濾波我們可以從經(jīng)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(jìn)行比較，如果變化幅度不超過經(jīng)驗值，本次采樣有效，否則，本次采樣值應(yīng)視為干擾而放棄，以上次采樣值為準(zhǔn)。2

42、. 中值濾波對目標(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的脈沖干擾。3. 算術(shù)平均濾波對目標(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干擾和周期干擾。4. 滑動平均濾波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。5. 低通濾波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(shù)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(shù)很大的溫度系統(tǒng)很

43、適用。4.3.2數(shù)字濾波程序?qū)⒚總€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(jié)果，即采用中位值濾波法與平均值濾波法相結(jié)合來實現(xiàn)數(shù)字濾波。4.4 標(biāo)度變換程序變送器輸出的420ma(dc)信號，經(jīng)i/v變換后產(chǎn)生15v（dc）信號，進(jìn)行12位a/d轉(zhuǎn)換后，即得12位二進(jìn)制x，其對應(yīng)的實際物理量要按下面方法求得（對于12位a/d轉(zhuǎn)換器，05v（dc）時輸出為000fffh）。1. 溫度的標(biāo)度變換溫度的量程范圍為-20+500c，其標(biāo)度變換計算公式為 (4-1)2. 壓力的標(biāo)度變換壓力的量程范圍為00.25mpa，其標(biāo)度變換計算公式為 (4-2)3. 液位的標(biāo)

44、度變換液位的量程范圍（差壓）為00.2mpa，其標(biāo)度變換公式為 (4-3)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。待添加的隱藏文字內(nèi)容14.5 給定工藝曲線的實時插補計算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): (4-4)其中， 和分別是第n段折線的兩個端點坐標(biāo)。4.6 控制算法4.6.1 控制算法的特性分析在啤酒生產(chǎn)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(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

45、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(yīng)控制算法同樣適用于大滯后、建模困難的復(fù)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。4.6.2 常規(guī)pid控制器常規(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)的國家，采用現(xiàn)代的高級控制算法的回路數(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。其原因主要有以下幾個方面:1. pid控制不要求嚴(yán)格掌握被控對象的數(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。2. pid控制算法結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、物理

46、概念清晰等，容易被現(xiàn)場工程師所接受。3. 在近半個世紀(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，摸索出了一系列整定pid參數(shù)的方法。 對于pid控制盡管取得了一系列的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗，但人們對pid的認(rèn)識和改進(jìn)還遠(yuǎn)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(fù)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(chǎn)生不穩(wěn)定。因此，有必要對pid的控制機理進(jìn)行全面的分析，并對在上述場合中的應(yīng)用提出改進(jìn)的辦法。 pid控制中的一個關(guān)鍵問題是pid參數(shù)整定，傳統(tǒng)的整

47、定方法是在獲得被控對象數(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。而實際的工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性，時變不確定性，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，在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，pid參數(shù)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(shù)常常整定不良，性能欠佳，對運行工況的適應(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。 從結(jié)構(gòu)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(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pid控制器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)。4.

48、6.3 pid算式加特殊處理采用增量型pid控制算式 (4-5)式中 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； y(k)為第k個采樣周期的實測溫度值，它由式（4-1）確定； t為采樣周期（t=2s）。根據(jù)被控對象的特點，在pid算式的基礎(chǔ)上，進(jìn)行以下特殊處理：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(zhuǎn)折處作特殊處理，即由保溫段轉(zhuǎn)至降溫段時提前開大調(diào)節(jié)閥，而在降溫段轉(zhuǎn)至保溫段時提前關(guān)小調(diào)節(jié)閥，其目的是使溫度轉(zhuǎn)折時平滑過渡。 另外，需對控制量和閥位輸出進(jìn)行限幅。實際操作時，必須對加以限制，即滿足當(dāng)時，取

49、；當(dāng)時，??； 因采用的調(diào)節(jié)閥控制信號為420ma(dc) ，且d/a轉(zhuǎn)換為12位，因此??；采用增量式算法時，計算機輸出的控制增量對應(yīng)得是本次執(zhí)行機構(gòu)位置（如閥門開度）的增量，對應(yīng)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(jìn)電動機等。增量式pid在算法上有不少優(yōu)點：1. 計算機發(fā)生故障時，影響范圍小。由于它每次只輸出控制增量，即對應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)位置的變化量，輸出變化范圍不大（0），所以，當(dāng)計算機發(fā)生故障時，不會嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程。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(dāng)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。3. 計算工作量小。算式

50、中不需要累加。4.6.4 施密斯（smith）預(yù)估控制算式 根據(jù)施密斯預(yù)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 (4-6)式中，k為對象放大系數(shù)；t0為對象等效時間常數(shù)；為純滯后時間。則相應(yīng)得微分方程為對上式進(jìn)行離散化處理得經(jīng)整理后得 (4-7)式中，需要指出的是，smith預(yù)估控制的關(guān)鍵是對象有精確的數(shù)學(xué)模型。因此，對于一些復(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。4.7 軟件調(diào)試軟件設(shè)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(chǎn)生程序代碼）、軟件調(diào)試。軟件調(diào)試是整個軟件設(shè)計中最重要、最耗時的一步。軟件調(diào)試的基本原則是：先分調(diào)，后總調(diào)；先模擬試驗，后現(xiàn)場試驗。程序編寫完畢，首先要按模塊和子程序進(jìn)行分段試驗，可用一些事先準(zhǔn)備的試驗數(shù)據(jù)或附加一部分程序來產(chǎn)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。各部分程序分調(diào)