啤酒發(fā)酵設(shè)計(jì)

1、摘 要 啤酒是現(xiàn)在人們生活中不能缺少的飲料之一，而啤酒的發(fā)酵是影響啤酒口感的關(guān)鍵工藝。啤酒發(fā)酵是酵母的作用下將小麥麥芽汁到啤酒的過(guò)程新的取代舊的。,控制發(fā)酵的溫度在啤酒發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)關(guān)鍵的過(guò)程來(lái)確定啤酒的味道,啤酒發(fā)酵過(guò)程是復(fù)雜和非線(xiàn)性和時(shí)變,因此,傳統(tǒng)溫度測(cè)量的溫度控制精度低,控制效果不理想,導(dǎo)致啤酒質(zhì)量不穩(wěn)定。因此,研究如何改進(jìn)和優(yōu)化啤酒發(fā)酵過(guò)程檢測(cè)和控制策略的現(xiàn)實(shí)意義。 深入研究分析了解我國(guó)目前啤酒行業(yè)啤酒發(fā)酵溫度控制的工藝現(xiàn)狀，詳細(xì)討論啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的功能需求和結(jié)構(gòu)。對(duì)啤酒發(fā)酵的溫度控制過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。對(duì)結(jié)構(gòu)以及常見(jiàn)控制策略進(jìn)行總結(jié)。 本文結(jié)合知識(shí)通過(guò)使用模糊控制器使用

2、仿真軟件,模糊控制器來(lái)控制發(fā)酵的溫度在發(fā)酵罐,用MATLAB模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在此系統(tǒng)中,模糊控制器來(lái)控制溫度具有明顯的優(yōu)勢(shì),穩(wěn)定的質(zhì)量控制系統(tǒng),優(yōu)于傳統(tǒng)的PID。關(guān)鍵詞 ： MATLAB軟件；Simulink模糊控制器；啤酒發(fā)酵ABSTRACT Beer is one of the indispensable in the life of people drink now, but the beer fermentation is the key technology of beer taste. Beer yeast fermentation is theprocess of wheat

3、 malt wort into beer the new replacing the old. , control the temperature of fermentation in beer fermentation process is a key process to determine the thetaste beer, beer fermentation process is a complex and nonlinear and time-varying, the traditional temperature measurement,temperature control p

4、recision is low, the control effect is not ideal, leading tounstable quality of beer. Therefore, research on how to improve and optimize thepractical significance of beer fermentation process detection and control strategy. In-depth research and analysis to understand Chinas current beer industry pr

5、ocess of beer fermentation temperature control, a detailed discussion of the demand of the function of the beer fermentation temperature control system and structure.Set up the process of beer fermentation temperature control mathematical model is analyzed.To summarize structure and common control s

6、trategy. Based on the knowledge through the use of fuzzycontroller using the principle of simulation software, the fuzzy controller to control the temperature of the fermented in fermentation tank, by MATLAB simulation.The experimental results show that in this system, the fuzzy controller to contro

7、l the temperature controlmethod has obvious advantages, stable quality control system, than the traditional PID.HYPERLINK /translate#HYPERLINK /translate#Key words :MATLAB Simulation；Simulink；Beer fermentation目錄 TOC o 1-3 h z HYPERLINK l _Toc201224841 摘要 PAGEREF _Toc201224841 h 1 HYPERLINK l _Toc201

8、224842 Abstract PAGEREF _Toc201224842 h 2 HYPERLINK l _Toc201224843 引言 PAGEREF _Toc201224843 h 1 HYPERLINK l _Toc201224844 1 概述 PAGEREF _Toc201224844 h 2 HYPERLINK l _Toc201224845 1.1課題的來(lái)源、目的及意義 PAGEREF _Toc201224845 h 2 HYPERLINK l _Toc201224846 1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在發(fā)酵過(guò)程中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc201224846 h 3 HYPERLI

9、NK l _Toc201224847 1.3發(fā)酵過(guò)程模糊控制應(yīng)用 PAGEREF _Toc201224847 h 4 HYPERLINK l _Toc201224848 1.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc201224848 h 4 HYPERLINK l _Toc201224849 2 啤酒發(fā)酵過(guò)程工藝及控制方案 PAGEREF _Toc201224849 h 5 HYPERLINK l _Toc201224850 2.1啤酒生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc201224850 h 5 HYPERLINK l _Toc201224851 2.2啤酒發(fā)酵過(guò)程的溫度控制工藝要求 PAGE

10、REF _Toc201224851 h 6 HYPERLINK l _Toc201224852 2.3啤酒發(fā)酵過(guò)程的溫度控制系統(tǒng)特點(diǎn)與要求 PAGEREF _Toc201224852 h 8 HYPERLINK l _Toc201224853 2.3.1啤酒發(fā)酵過(guò)程溫控對(duì)象的特點(diǎn) PAGEREF _Toc201224853 h 8 HYPERLINK l _Toc201224854 2.3.2啤酒發(fā)酵溫控系統(tǒng)的基本控制要求 PAGEREF _Toc201224854 h 9 HYPERLINK l _Toc201224855 2.4啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析 PAGEREF _Toc2

11、01224855 h 10 HYPERLINK l _Toc201224856 2.4.1發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)熱與散熱過(guò)程 PAGEREF _Toc201224856 h 10 HYPERLINK l _Toc201224857 2.4.2發(fā)酵罐內(nèi)反應(yīng)熱的傳遞函數(shù) PAGEREF _Toc201224857 h 10 HYPERLINK l _Toc201224858 2.4.3發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)熱與制冷的溫度控制過(guò)程 PAGEREF _Toc201224858 h 11 HYPERLINK l _Toc201224859 2.5啤酒發(fā)酵過(guò)程溫度控制策略 PAGEREF _Toc201224859 h 11 H

12、YPERLINK l _Toc201224860 2.6本章小結(jié) PAGEREF _Toc201224860 h 13 HYPERLINK l _Toc201224861 3 模糊控制器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc201224861 h 14 HYPERLINK l _Toc201224862 3.1模糊控制的特點(diǎn) PAGEREF _Toc201224862 h 14 HYPERLINK l _Toc201224863 3.2模糊控制理論 PAGEREF _Toc201224863 h 15 HYPERLINK l _Toc201224864 3.2.1 模糊理論 PAGEREF _Toc

13、201224864 h 15 HYPERLINK l _Toc201224865 3.2.2模糊控制系統(tǒng)的基本組成 PAGEREF _Toc201224865 h 17 HYPERLINK l _Toc201224866 3.3模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容 PAGEREF _Toc201224866 h 18 HYPERLINK l _Toc201224867 3.3.1模糊控制的輸入輸出語(yǔ)言變量及其隸屬度函數(shù) PAGEREF _Toc201224867 h 18 HYPERLINK l _Toc201224868 3.3.2模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc201224868 h 20 H

14、YPERLINK l _Toc201224869 3.3.3精確量的模糊化方法和去模糊化方法 PAGEREF _Toc201224869 h 21 HYPERLINK l _Toc201224870 3.3.4論域、量化因子、比例因子的選擇 PAGEREF _Toc201224870 h 22 HYPERLINK l _Toc201224871 3.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc201224871 h 23 HYPERLINK l _Toc201224872 4 模糊控制器的設(shè)計(jì)及仿真 PAGEREF _Toc201224872 h 24 HYPERLINK l _Toc20122487

15、3 4.1模糊控制器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc201224873 h 24 HYPERLINK l _Toc201224874 4.2 MATLAB仿真 PAGEREF _Toc201224874 h 24 HYPERLINK l _Toc201224875 4.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc201224875 h 29 HYPERLINK l _Toc201224876 結(jié)論 PAGEREF _Toc201224876 h 30 HYPERLINK l _Toc201224877 參 考 文 獻(xiàn) PAGEREF _Toc201224877 h 31緒論啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)

16、反應(yīng)過(guò)程。發(fā)酵期間，根據(jù)酵母的活動(dòng)能力，生長(zhǎng)繁殖快慢，確定發(fā)酵給定的溫度。因此啤酒發(fā)酵過(guò)程,除了生產(chǎn)技術(shù)水平,生產(chǎn)過(guò)程控制指標(biāo)的好壞,將直接影響啤酒生產(chǎn)的質(zhì)量,必須嚴(yán)格控制。目前,中國(guó)每年的啤酒生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,然而,大多數(shù)啤酒制造商仍然使用傳統(tǒng)工具的生產(chǎn)監(jiān)控,依靠人工監(jiān)測(cè)參數(shù)的因素。因此,手動(dòng)控制模式將很難確保啤酒生產(chǎn)工藝的正確實(shí)施,導(dǎo)致質(zhì)量不穩(wěn)定,波動(dòng),很難提高產(chǎn)品質(zhì)量,生產(chǎn)能力,擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。 為此，我們對(duì)啤酒生產(chǎn)的發(fā)酵過(guò)程提出采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控，以適應(yīng)當(dāng)前啤酒現(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)競(jìng)爭(zhēng)能力達(dá)到一個(gè)新的水平概述1.1課題的來(lái)源、目的及意義中國(guó)啤酒市場(chǎng)非常大,國(guó)內(nèi)

17、啤酒制造商數(shù)以百計(jì),但相比之下，國(guó)內(nèi)大多數(shù)啤酒制造商技術(shù)落后,生產(chǎn)仍停留在手動(dòng)控制的時(shí)期,只有少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化。啤酒生產(chǎn)是一種生產(chǎn)的生物過(guò)程,生產(chǎn)周期長(zhǎng),分散的工藝參數(shù),傳統(tǒng)的經(jīng)營(yíng)方式很難保證產(chǎn)品的質(zhì)量。也有一些廠家更新了設(shè)備，有了自動(dòng)控制應(yīng)用，仍有存在著不少問(wèn)題，主要是：（1）多數(shù)企業(yè)仍采用儀表控制。儀表控制技術(shù)已經(jīng)成熟，但技術(shù)老舊，沒(méi)有太大改進(jìn)空間。無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)管理和進(jìn)一步技術(shù)升級(jí)需求。（2）有些采用DCS控制系統(tǒng)。但生產(chǎn)成本高，不適應(yīng)新的技術(shù)發(fā)展。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力差。（3）國(guó)內(nèi)自行研制開(kāi)發(fā)的一些控制設(shè)備采用不同的控制器，通用性差、易用性差，不適應(yīng)啤酒廠的生產(chǎn)環(huán)境。 （4）采用進(jìn)口設(shè)備

18、還需同時(shí)采購(gòu)其它設(shè)備配套，且學(xué)習(xí)使用成本高，后期維修難等問(wèn)題。在控制方法上，針對(duì)啤酒發(fā)酵過(guò)程的研究比較多，開(kāi)始大多數(shù)是采用傳統(tǒng)的PID方法，但難以解決大慣性系統(tǒng)超調(diào)、控制精度問(wèn)題及多變量耦合問(wèn)題。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，要求采用的控制方法更先進(jìn)，于是引入了灰色預(yù)估算法的PID方法、實(shí)驗(yàn)建模的多變量控制等方法，并取得了較好的控制效果。而在啤酒酵母擴(kuò)培過(guò)程控制方面，國(guó)內(nèi)多數(shù)廠家是對(duì)不同工段分別進(jìn)行自動(dòng)化控制的，對(duì)啤酒酵母擴(kuò)培過(guò)程的自動(dòng)化控制技改進(jìn)行的較晚，通過(guò)科技查新，檢索結(jié)果顯示，有關(guān)的研究較少，基本上是采用簡(jiǎn)單的邏輯控制方法以及PID控制方法。1.2計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在發(fā)酵過(guò)程中的

19、應(yīng)用發(fā)酵過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制,特別是微型計(jì)算機(jī)機(jī)控制,在發(fā)酵行業(yè)在中國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。發(fā)酵罐是中國(guó)大規(guī)模的有7000臺(tái),如果可以使用微機(jī)控制,非?？捎^的發(fā)酵效率。應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制發(fā)酵過(guò)程,早期STD總線(xiàn)微機(jī)系統(tǒng),最近工業(yè)PC系統(tǒng),系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單,便宜,靈活和方便使用,但軟件開(kāi)發(fā)工作量較大,用戶(hù)修改控制方案更麻煩,最近,微機(jī)系統(tǒng)各種改善了發(fā)酵過(guò)程控制應(yīng)用程序。發(fā)酵過(guò)程控制中的微機(jī)應(yīng)用的不斷發(fā)展,各種測(cè)量傳感器,二次儀表和執(zhí)行機(jī)制完善,發(fā)酵罐系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作和控制的目的。1.3發(fā)酵過(guò)程模糊控制應(yīng)用 發(fā)酵過(guò)程的控制流程優(yōu)化,獲得最佳的生產(chǎn),確保微生物的生長(zhǎng),必須按照增長(zhǎng)軌跡,為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),一個(gè)

20、是確保優(yōu)化微生物生長(zhǎng)的環(huán)境條件,另一方面,以確保最佳生長(zhǎng)的微生物的代謝過(guò)程。對(duì)于前者,相對(duì)容易做到。目前,發(fā)酵過(guò)程控制的研究工作都集中在這個(gè)焦點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)流程優(yōu)化,通常有一個(gè)數(shù)學(xué)過(guò)程模型準(zhǔn)確,然后使用優(yōu)化方法,最優(yōu)條件和控制方法和策略。發(fā)酵過(guò)程是復(fù)雜的,很難有一個(gè)描述實(shí)際發(fā)酵過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。這樣，通常只能基于人們的經(jīng)驗(yàn)和一些模糊的關(guān)系來(lái)確定，即模糊控制方案。在發(fā)酵過(guò)程智能優(yōu)化控制中，有兩種方法:（1）專(zhuān)家控制系統(tǒng) 工程技術(shù)人員和經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)家知識(shí)發(fā)酵過(guò)程優(yōu)化控制,總結(jié)一個(gè)知識(shí)庫(kù),一些規(guī)則來(lái)描述。然后根據(jù)發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)可以測(cè)量使用控制方法來(lái)推斷。例如,根據(jù)專(zhuān)家知識(shí)預(yù)測(cè)反應(yīng)速率,生產(chǎn)

21、計(jì)劃指導(dǎo)工人復(fù)雜操作,智能控制的實(shí)現(xiàn)方案。（2）模糊控制系統(tǒng) 對(duì)于非線(xiàn)性復(fù)雜系統(tǒng)，現(xiàn)代控制理論難以適用。它不僅算法極其復(fù)雜，而且無(wú)望獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。專(zhuān)家控制系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)龐大，設(shè)計(jì)十分困難。模糊控制不僅適用于小范圍線(xiàn)性單變量系統(tǒng),并逐步擴(kuò)展到大規(guī)模的非線(xiàn)性復(fù)雜系統(tǒng)。很容易熟悉,輸出連續(xù),可靠性高的優(yōu)點(diǎn),可以起到良好的專(zhuān)家操作自動(dòng)化效果等。 發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)與微生物代謝和微生物生長(zhǎng)有關(guān)，根據(jù)不同的發(fā)酵時(shí)期，他們之間的關(guān)系可以用模糊關(guān)系表示，即可用隸屬函數(shù)來(lái)描述。然后，用這些模糊關(guān)系的結(jié)果來(lái)指導(dǎo)發(fā)酵過(guò)程的操作與控制。1.4本章小結(jié)本章闡述了該課題研究的來(lái)源、目的和意義以及計(jì)算機(jī)和模糊控制在發(fā)酵過(guò)程中的應(yīng)

22、用。啤酒發(fā)酵過(guò)程工藝及控制方案2.1啤酒生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介啤酒生產(chǎn)過(guò)程主要包括糖化、發(fā)酵、過(guò)濾灌裝三個(gè)環(huán)節(jié)。（1）糖化糖化過(guò)程的啤酒生產(chǎn)的主要原料與水混合,麥芽淀粉、可溶性蛋白質(zhì)水解酶分解成低分子糖類(lèi)、氨基酸、蛋白胨、多肽和其他物質(zhì),啤酒發(fā)酵液體,麥芽汁的形成。 （2）發(fā)酵 啤酒發(fā)酵是微生物代謝的過(guò)程,僅僅是由酵母發(fā)酵麥芽汁的二氧化碳分解,C2H5OH的過(guò)程中,水,也會(huì)產(chǎn)生各種各樣的中間代謝物:雙乙酰、脂肪酸、醇、酮,這些代謝物含量雖然很少,但其影響啤酒的質(zhì)量和品味,其生產(chǎn)主要取決于發(fā)酵溫度。一般來(lái)說(shuō),低溫發(fā)酵可以降低雙乙酰的含量、脂質(zhì)代謝產(chǎn)物,改善啤酒顏色和味道;高溫發(fā)酵可以加速發(fā)酵,提高生產(chǎn)效率

23、和經(jīng)濟(jì)效益。簡(jiǎn)而言之,如何掌握發(fā)酵溫度、良好的啤酒發(fā)酵過(guò)程的提升速度,良好的溫度控制是核心,以確定啤酒生產(chǎn)的質(zhì)量。啤酒發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)放熱過(guò)程,如果不加以控制,發(fā)酵生產(chǎn)的水箱溫度將增加熱量生成和逐漸增加,大多數(shù)當(dāng)前的對(duì)象用于冷卻外套充滿(mǎn)了冷卻醇水混合物或液氨吸收發(fā)酵過(guò)程的持續(xù)釋放的熱量,以維持發(fā)酵溫度。整個(gè)發(fā)酵過(guò)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(xiàn)如圖2.1所示。不同品種、不同工藝所要求的溫度控制曲線(xiàn)會(huì)有所不同。圖2.1 發(fā)酵溫度工藝設(shè)定典型曲線(xiàn)前酵這一階段也稱(chēng)為主要的發(fā)酵。接種酵母發(fā)酵麥芽汁進(jìn)入發(fā)酵酵母的接種之前,開(kāi)始幾小時(shí)后,麥芽汁糖減少,二氧化碳和生化反應(yīng)熱量的釋放,這樣整個(gè)

24、水箱溫度升高。2 3天后到發(fā)酵高泡沫最旺盛的時(shí)期。2 3天后,進(jìn)一步減少糖糖,起步緩慢,酵母沉降,當(dāng)水箱發(fā)酵程度標(biāo)準(zhǔn)冷卻后進(jìn)入后發(fā)酵階段。普通啤酒發(fā)酵階段之前,一般要求控制在12,冷卻速度控制在0.3/小時(shí)。 后酵 當(dāng)罐內(nèi)溫度12發(fā)酵后降至5發(fā)酵階段,這個(gè)階段是最重要的對(duì)于雙乙酰還原,此外,還完成了剩余糖分發(fā)酵發(fā)酵后期階段,完整的沉淀蛋白質(zhì),降低氧氣的含量,改善啤酒的穩(wěn)定性。一旦合格雙乙酰指數(shù),發(fā)酵罐在0.15/小時(shí),第二冷卻過(guò)程的冷卻速率罐發(fā)酵溫度從5降到0 1,為啤酒存儲(chǔ)和提高啤酒的質(zhì)量和味道。啤酒貯存一段時(shí)間后,整個(gè)發(fā)酵過(guò)程基本結(jié)束。通常在不同發(fā)酵階段發(fā)酵溫度在槽內(nèi),發(fā)酵溫度場(chǎng)必須有相應(yīng)

25、的需求的初級(jí)階段希望:在發(fā)酵罐頂部水箱的底部有一個(gè)積極的溫度梯度,即從上層溫度的控制,為了混合對(duì)流和酵母發(fā)酵液體槽;在后發(fā)酵階段,需要發(fā)酵的液體從頂部向底部負(fù)溫度梯度,控制溫度、降水和排除酵母。（3）啤酒的過(guò)濾和灌裝 前、后發(fā)酵結(jié)束后,啤酒將通過(guò)生物過(guò)濾和高溫滅菌和膠體穩(wěn)定性處理和填充。啤酒過(guò)濾是一個(gè)分離的過(guò)程,其主要目的是將酵母細(xì)胞留在啤酒和其他濁度與啤酒,否則這些物質(zhì)會(huì)從啤酒在稍后的時(shí)間沉淀,導(dǎo)致啤酒濁度,目前使用硅藻土過(guò)濾。如果仍然包含在啤酒微生物(細(xì)菌),微生物可以在啤酒迅速繁殖,導(dǎo)致啤酒濁度,排出代謝產(chǎn)物甚至不能喝啤酒。殺菌的啤酒最后一步填充之前處理的生物穩(wěn)定性。至此，一個(gè)啤酒生產(chǎn)周

26、期結(jié)束。2.2啤酒發(fā)酵過(guò)程的溫度控制工藝要求 溫度控制,三個(gè)制冷劑冷卻。所使用的制冷劑包括醇、乙二醇、甘油等。根據(jù)不同的發(fā)酵過(guò)程,發(fā)酵過(guò)程分為主要的發(fā)酵周期,雙乙酰還原階段,冷卻階段,啤酒貯藏期四個(gè)階段。在這幾個(gè)階段中，對(duì)溫度的控制有不同的要求:（1）主發(fā)酵及雙乙酞還原期 這一階段發(fā)酵是活躍的,大量的二氧化碳,由于上述發(fā)酵二氧化碳低梯度,從而形成對(duì)流二氧化碳?xì)怏w混合效果,使罐發(fā)酵液體流動(dòng)從下到上。所以這個(gè)階段溫度應(yīng)高于部分,錐頂部溫度低于錐底部溫度控制,即低高,而上下0.5 1溫差,對(duì)流加速啤酒酵母,充分懸浮發(fā)酵成酒,以促進(jìn)發(fā)酵的順利進(jìn)展。在工藝規(guī)劃,對(duì)數(shù)期應(yīng)該使酵母細(xì)胞繁殖和雙乙酰形成正值旺

27、季,使早期形成的雙乙酰,恢復(fù)快。因?yàn)橹饕l(fā)酵階段的最后生產(chǎn)的雙乙酰還原溫度,如果時(shí)間控制不當(dāng),容易引起新時(shí)期的雙乙酰的形成。 （2）降溫期 雙乙酞含量是啤酒是否成熟的重要指標(biāo)。當(dāng)雙乙酞含量0.13mg/kg時(shí)，即可對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行降溫。在冷卻階段,應(yīng)該以下部分,溫度控制錐頂部溫度大于錐底部溫度控制,即低端,為了促進(jìn)和解和酵母酵母復(fù)蘇和啤酒的穩(wěn)定性。在冷卻階段,冷卻速度必須緩慢,制服,并經(jīng)常行酵母排出。這是因?yàn)闇囟扔?jì)插入水箱的酒液體艙壁,有一定距離。如果冷卻冷卻速度過(guò)快,冷不能及時(shí)反饋,可能使罐壁的熱,冷轉(zhuǎn)移更慢,當(dāng)溫度計(jì)的數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確反映酒溫度,因此,當(dāng)制造商仍然盲目冷卻,會(huì)讓罐壁越來(lái)越冰,形成一

28、個(gè)惡性循環(huán),不利于溫度的精確控制。同時(shí),溫度下降5到啤酒酵母放電期間,酵母數(shù)量存入錐底,如果不及時(shí)排出,溫度計(jì)插入酵母泥,導(dǎo)致溫度計(jì)是酵母泥溫度而不是酒的溫度。由于酵母泥很厚,傳熱性能差,事實(shí)上,很難降至0和1。操作員如果根據(jù)溫度計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)操作,也很容易導(dǎo)致發(fā)酵液體結(jié)冰。此外,溫度控制是一個(gè)提前量。開(kāi)始和結(jié)束的冷卻降溫,應(yīng)該打開(kāi)或關(guān)閉冷卻水。提前量一般為0.5左右，這樣才能保證溫度的準(zhǔn)確控制。（3）貯酒階段 當(dāng)酒液溫度降至0后，即進(jìn)入貯酒階段。貯酒的目的是為了澄清酒液、飽和CO2、改善啤酒的膠體穩(wěn)定性。所以應(yīng)該三段溫度平衡,以保持酒的身體穩(wěn)定。生產(chǎn)低,高酒精控制溫度禁令將進(jìn)入啤酒貯藏期,這樣的

29、啤酒酵母懸浮沉降的再保險(xiǎn),形成一個(gè)與“逆對(duì)流”的技術(shù)要求,否則將導(dǎo)致酵母自溶,不僅難以過(guò)濾,但也使啤酒酵母味道重,嚴(yán)重影響酒的質(zhì)量。溫度控制在發(fā)酵過(guò)程中除了冷卻罐的正確使用,冷卻水的控制也是非常重要的。如果制冷劑溫度太低,冷不能及時(shí)熱交換,當(dāng)溫度達(dá)到啤酒低于冰點(diǎn)時(shí),很容易導(dǎo)致發(fā)酵液體結(jié)冰。一般來(lái)說(shuō),如果制冷劑使用酒精,考慮到啤酒凍結(jié)和冷轉(zhuǎn)移和其他因素,制冷劑的溫度在4。一些制造商發(fā)酵麥芽汁的液體冷卻和冷卻共享一個(gè)冷凍柜,這是非常不科學(xué)的,因?yàn)辂溠恐鋮s制冷劑溫度是8,如發(fā)酵液體冷卻的溫度容易導(dǎo)致發(fā)酵液體結(jié)冰,所以我們應(yīng)該獨(dú)立。溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求。2.3啤酒發(fā)酵過(guò)程的溫度控制系統(tǒng)特點(diǎn)與要求

30、2.3.1啤酒發(fā)酵過(guò)程溫控對(duì)象的特點(diǎn)發(fā)酵罐是啤酒生產(chǎn)的主要設(shè)備,圖2.2是缸筒底部發(fā)酵的原理圖,酵母發(fā)生在罐內(nèi)反應(yīng)引起的熱量,麥芽汁的溫度上升,如此安排,三個(gè)階段冷卻槽上設(shè)置的墻,相應(yīng)的建立,三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和三個(gè)調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)冷卻水套冷卻劑流經(jīng)閥門(mén)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)白酒體溫。閥門(mén)開(kāi)度控制酒的量體溫,植物。廣義對(duì)象是一個(gè)多變量系統(tǒng)有三個(gè)輸入三輸出,機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,啤酒發(fā)酵罐的溫度不同于一般的工業(yè)對(duì)象,主要有以下特點(diǎn): （1）時(shí)滯很大圖2.2 圓筒錐底發(fā)酵罐示意圖在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中,生化反應(yīng)熱量產(chǎn)生生化反應(yīng)導(dǎo)致罐發(fā)酵溫度,為了保持發(fā)酵溫度適當(dāng),發(fā)酵罐冷卻套通常是充滿(mǎn)了酒精或液氨去除多余熱量的反應(yīng)。由于不

31、是攪拌裝置和加熱裝置,制冷劑液體發(fā)酵主要取決于換熱的導(dǎo)熱,罐內(nèi)存在對(duì)流,影響測(cè)溫點(diǎn),這使得控制量的變化,一段時(shí)間后,控制體積的變化,因此,系統(tǒng)將顯示大的延遲效應(yīng)。例如,響應(yīng)120m啤酒發(fā)酵罐溫度滯后時(shí)間在5 30分鐘。 （2）時(shí)變性 發(fā)酵罐溫度控制性能的嚴(yán)重程度主要取決于液體發(fā)酵的生化反應(yīng)。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(guò)程。在不同發(fā)酵階段,不同酵母活力,由溫度變化引起的啤酒變化的特點(diǎn),所以它具有明顯的時(shí)變對(duì)象的特征。（3）大時(shí)間常數(shù) 發(fā)酵罐的體積很大,發(fā)酵液體通過(guò)艙壁與冷卻水換熱的慢。（4）強(qiáng)關(guān)聯(lián) 因?yàn)楣迌?nèi)對(duì)流,因此任何控制體積的變化可能導(dǎo)致三個(gè)控制變化。在分析對(duì)象的

32、特點(diǎn),由于理解的局限性,往往不是掌握各種物理特性,化學(xué)工業(yè)過(guò)程的變化,對(duì)象屬性,將不可避免地導(dǎo)致收購(gòu)和實(shí)際特點(diǎn)來(lái)確定存在偏差。例如,改變啤酒酵母的生產(chǎn)工藝特點(diǎn),材料特性和其他因素將導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)變化和擾動(dòng),而這些因素在實(shí)際系統(tǒng)中很難獲得實(shí)時(shí)獲取。2.3.2啤酒發(fā)酵溫控系統(tǒng)的基本控制要求 我們知道,控制發(fā)酵麥芽發(fā)酵的反應(yīng)溫度和時(shí)間,以確保正常的發(fā)酵過(guò)程,提高啤酒的口味和質(zhì)量，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,節(jié)約能源的關(guān)鍵。發(fā)酵罐的主要操作參數(shù):溫度、壓力、液位。溫度水平提醒加熱時(shí)間的長(zhǎng)度,以便指導(dǎo)材料存儲(chǔ)和材料響應(yīng)的操作。液面間接反映的材料數(shù)量,容量控制材料,實(shí)時(shí)控制或材料反應(yīng)等。二氧化碳?xì)怏w壓力反應(yīng)槽數(shù)、壓

33、力在一定程度上從頂部排出的二氧化碳減少壓力,防止爆炸。所以需要改變液體發(fā)酵罐溫度實(shí)時(shí)控制,需要控制水箱的容量和壓力是安全生產(chǎn)。啤酒發(fā)酵過(guò)程控制的要求是:實(shí)時(shí)測(cè)量和控制發(fā)酵罐,液體溫度;過(guò)程曲線(xiàn)控制箱溫度在某一特定階段和標(biāo)準(zhǔn)遵從性;有效的氣體的排放控制發(fā)酵罐的壓力滿(mǎn)足不同階段的需求,控制結(jié)果與技術(shù)要求不應(yīng)該沖突,如局部過(guò)冷,破壞酵母沉降條件。對(duì)于溫度控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，基本的控制要求如下:實(shí)時(shí)測(cè)量和控制發(fā)酵罐壓力和的冷卻液管壓閥工作狀態(tài);；根據(jù)技術(shù)曲線(xiàn)發(fā)酵罐、溫度控制器、持續(xù)的升溫速率,保溫部分和恒速度部分冷卻部分三個(gè)控制線(xiàn);；溫度測(cè)量精度保證在士0.5以?xún)?nèi)，測(cè)量范圍為-10100 ；發(fā)酵罐中實(shí)時(shí)顯示

34、溫度、壓力、液位和冷卻管閥狀態(tài)；具有超偏報(bào)警功能；與人機(jī)對(duì)話(huà)鍵,運(yùn)行結(jié)束之后,停止操作,完成任務(wù)的參數(shù)；具有掉電保護(hù)功能。2.4啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析隨著技術(shù)的研發(fā)、生產(chǎn)工藝進(jìn)步，如今的啤酒制造已采用一個(gè)大容量的露天發(fā)酵槽,將傳統(tǒng)的2段發(fā)酵同時(shí)在一個(gè)設(shè)備中完成。2.4.1發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)熱與散熱過(guò)程 發(fā)酵的工作是確保啤酒酵母,麥芽汁同時(shí)的發(fā)酵、發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的生化熱反應(yīng)、逐步釋放熱溫度發(fā)酵在穩(wěn)步增加。發(fā)酵過(guò)程的整個(gè)發(fā)酵溫度必須根據(jù)具體的生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格控制溫度。發(fā)酵冷卻時(shí)通過(guò)水流調(diào)節(jié)的容器內(nèi)冷卻鋼管夾具酒精冷卻系統(tǒng),沒(méi)有外部措施。發(fā)酵過(guò)程中的一個(gè)熱量通常由發(fā)酵的三個(gè)部分產(chǎn)生:微生物分裂釋放

35、生長(zhǎng)熱，維持活力釋放的維持熱，以及合成釋放的翻譯熱。容器內(nèi)溫度增加,主要原因是釋放熱量反應(yīng)的基礎(chǔ)上,分析特性時(shí)可忽略增長(zhǎng)熱和維持熱。容器內(nèi)發(fā)酵熱反應(yīng)的一部分是發(fā)酵槽內(nèi)上升,一部分消散在容器和冷卻環(huán)境,而且,在此過(guò)程中不考慮到罐壁和麥汁熱交換,平衡方程式集合的溫度: （2.1）式中Ql發(fā)酵過(guò)程生產(chǎn)的熱量，J/s； Q2散失的熱量，J/s； M麥汁總質(zhì)量，kg；C發(fā)酵罐內(nèi)麥汁的比熱容，J/（kg ）； 發(fā)酵罐內(nèi)的混度，。2.4.2發(fā)酵罐內(nèi)反應(yīng)熱的傳遞函數(shù) 高溫反應(yīng)的發(fā)酵槽使溫度不斷攀升的麥芽汁發(fā)酵過(guò)程,麥芽汁也可以被視為保留的溫度、熱均衡等式的容器內(nèi)可以取得的發(fā)酵槽傳遞函數(shù): （2.2）Q為使溫度

36、上升反應(yīng)熱量，J/s （Q = Q1-Q2）；Ti積分時(shí)間常數(shù)，s/ 。因此罐內(nèi)反應(yīng)是個(gè)積分型的傳遞函數(shù)。2.4.3發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)熱與制冷的溫度控制過(guò)程 分析上文所示,不加管制的集合的溫度上升有利和質(zhì)量要求各有不同的反應(yīng)來(lái)補(bǔ)充發(fā)酵的整個(gè)進(jìn)程,也必須在發(fā)酵溫度控制進(jìn)程中麥芽汁。發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)的方框圖見(jiàn)圖2.3。在控制中要不斷的檢測(cè)罐內(nèi)溫度與設(shè)定溫度的偏差值，不斷的調(diào)節(jié)酒精的流量來(lái)帶走多余的熱量或者保持溫升的速度。因此在控制溫度、溫度反應(yīng)是解決輸入,在定時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的實(shí)際時(shí)間每一個(gè)部分輸出,同樣作為閉環(huán)反饋之后的監(jiān)管。罐內(nèi)反應(yīng)熱Q1可以看作是反應(yīng)控制的干擾因素。HYPERLINK file:/C:/U

37、sers/gary1_000/Desktop/%E5%B8%AE%E6%88%91%E6%9F%A5%E9%87%8D/full/f8bf61c201af4553a164e61066fe75d4.html溫度標(biāo)準(zhǔn)值與反饋量的差值經(jīng)過(guò)PID的運(yùn)算后，控制量Uc在酒精的流量上體現(xiàn)出來(lái)，罐內(nèi)的反應(yīng)熱Q1減去酒精帶走的熱量Q2所余熱量Q從而使罐內(nèi)溫度升高，控制系統(tǒng)輸出罐內(nèi)溫度。圖2.3 發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)方框圖2.5啤酒發(fā)酵過(guò)程溫度控制策略（1）PID控制典型PID控制系統(tǒng)的框圖如圖2.4所示。圖2.4 典型PID單回路控制系統(tǒng)圖中Y是被控參數(shù)，X是給定值。PID控制算法原理簡(jiǎn)明、一個(gè)易于使用的、基礎(chǔ)廣

38、泛的適用性和特點(diǎn)的堅(jiān)固、控制系統(tǒng)不斷成熟的技術(shù)和工藝。PID控制器的算術(shù)方程為: （2.3） 只要正確設(shè)定參數(shù)，PID控制器就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。但是對(duì)于發(fā)酵過(guò)程，由于模型參數(shù)具有慢時(shí)變特性，且具有較大的時(shí)間特性和非線(xiàn)性，所以采用PID控制對(duì)于這樣的被控對(duì)象是不完全適宜的。（2）前饋反饋控制 系統(tǒng)分析,根據(jù)偏移規(guī)?？勺兊谋豢刈兞康目勺儾倏v。從改變變量引起被控量改變,需要時(shí)間和其他監(jiān)督職能,而不是及時(shí)的,特別是關(guān)于遲延的進(jìn)程更加難控制、質(zhì)量控制、有時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的要求 前饋控制正是改善反饋控制不及時(shí)的一種控制手段。前饋控制系統(tǒng)是根據(jù)干擾量變化直接改變操縱變量進(jìn)行控制的。它直接測(cè)量干擾量作為控制器校

39、正的依據(jù)，能在被控變量受到影響之前產(chǎn)生控制作用，及時(shí)消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。從理論上講，前饋控制對(duì)干擾影響可以完全補(bǔ)償，使被控變量保持不變。所以，對(duì)于慣性和滯后較大、干擾量大而頻繁的生產(chǎn)過(guò)程有顯著的效果。 由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中有一些擾動(dòng)是難以測(cè)量的，對(duì)這些擾動(dòng)則無(wú)法實(shí)現(xiàn)前饋控制。另外，過(guò)程特性有變化，或難以建立模型的對(duì)象，也不能實(shí)現(xiàn)前饋控制。 如在前饋控制中引入反饋控制，組成前饋反饋控制系統(tǒng)，如圖2.5所示。在動(dòng)態(tài)時(shí)前饋控制有效、及時(shí)地克服主要干擾，減少被控變量的偏差，而反饋控制則克服其余各種干擾，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)能準(zhǔn)確地使控制量等于設(shè)定值，從而可以全面提高控制質(zhì)量。在前饋反饋控制系統(tǒng)中由于有了反

40、饋控制回路，這樣就可以降低對(duì)前饋控制的要求，在出現(xiàn)較大而頻繁的擾動(dòng)下，仍然具有優(yōu)良的控制質(zhì)量。圖2.5 前饋-反饋PID系統(tǒng)框圖（3）模糊控制 模糊邏輯技術(shù)已經(jīng)成為自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)主要分支、模糊邏輯擁有廣泛的適用范圍,完全由模糊控制的優(yōu)點(diǎn)所決定。模糊邏輯的設(shè)計(jì),以人類(lèi)語(yǔ)言模擬人類(lèi)思想,因此容易接受、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)。基本控制方案包括一臺(tái)穩(wěn)壓器模糊邏輯為基礎(chǔ)的信息系統(tǒng)、模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的穩(wěn)定性最好,魯棒性高。在改善系統(tǒng)特性時(shí)、模糊邏輯不像傳統(tǒng)控制系統(tǒng)只能調(diào)整參數(shù)。也可通過(guò)調(diào)整規(guī)則,隸屬函數(shù)，決策方法、推理方法來(lái)修正系統(tǒng)。在常規(guī)控制算法中，微小的錯(cuò)誤和參數(shù)漂移都可能引起系統(tǒng)失控，而基于控

41、制規(guī)則的模糊控制系統(tǒng)對(duì)某一規(guī)則的變化敏感很小，系統(tǒng)抗干擾能力很強(qiáng)。2.6本章小結(jié) 發(fā)酵溫度是決定啤酒口感、風(fēng)味等的一個(gè)重要指標(biāo)，而時(shí)間、壓力的控制，在一定濃度、酵母數(shù)量和活性條件下，也取決于發(fā)酵溫度。因此，啤酒發(fā)酵過(guò)程控制尤為重要。 本章在詳細(xì)闡述了啤酒發(fā)酵工藝的基礎(chǔ)上，介紹了啤酒發(fā)酵溫度控制工藝要求、數(shù)學(xué)模型及控制方法，為下文控制器的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。模糊控制器的設(shè)計(jì)本章主要介紹了模糊控制系統(tǒng)。和其它控制系統(tǒng)一樣，由被控對(duì)象、控制器等組成。此外詳細(xì)闡述了模糊控制器設(shè)計(jì)包括的主要內(nèi)容，探討了模糊控制器的特性。3.1模糊控制的特點(diǎn)模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）簡(jiǎn)稱(chēng)模糊控制（

42、Fuzzy Control），是以模糊集合理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)模糊的非線(xiàn)性、智能的。理論的一個(gè)重要特點(diǎn)是模糊控制既提供了一個(gè)系統(tǒng),有很多方面有效地執(zhí)行。模糊控制技術(shù)在西方最初是被抵抗;然而在東部地區(qū)、特別是在日本,但普遍和迅速實(shí)施。在過(guò)去20年中,模糊控制或者根據(jù)理論或技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展,自動(dòng)控制領(lǐng)域非?；钴S在部門(mén)和富有成效。模糊控制基本概念是使用電腦進(jìn)行試驗(yàn),監(jiān)督這些經(jīng)驗(yàn)是非常模糊邏輯規(guī)則。模糊邏輯,Fuzzy(FC)說(shuō),主要原因是一個(gè)巨大的成功在于它的重大特點(diǎn):1.模糊控制是一種基于規(guī)則的控制。它直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則，出

43、發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專(zhuān)家的知識(shí)，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。2.由工業(yè)過(guò)程的定性認(rèn)識(shí)出發(fā)，比較容易建立語(yǔ)言控制規(guī)則，因而模糊控制對(duì)那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動(dòng)態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對(duì)象非常適用。3.基于模型的控制算法及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，由于出發(fā)點(diǎn)和性能指標(biāo)的不同，容易導(dǎo)致較大差異。但一個(gè)系統(tǒng)的語(yǔ)言控制規(guī)則卻具有相對(duì)的獨(dú)立性，利用這些控制規(guī)律間的模糊連接，容易找到折中的選擇，使控制效果優(yōu)于常規(guī)控制器。4.模糊控制算法是基于啟發(fā)性的知識(shí)及語(yǔ)言決策規(guī)則設(shè)計(jì)的，這有利于模擬人工控制的過(guò)程和方法，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力，使之具有一定的智能水平。5.模糊控制系統(tǒng)

44、的魯棒性強(qiáng)，干擾和參數(shù)變化對(duì)控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線(xiàn)性、時(shí)變及純滯后系統(tǒng)的控制。模糊控制器主要包含三個(gè)功能環(huán)節(jié):用于輸人信號(hào)處理的模糊量化和模糊化環(huán)節(jié)、模糊控制算法功能單元以及用于輸出解模糊化的模糊判決環(huán)節(jié)。模糊控制具有良好控制效果的關(guān)鍵是要有一個(gè)完善的控制規(guī)則。但由于模糊規(guī)則是人們對(duì)過(guò)程或?qū)ο竽：畔⒌臍w納，對(duì)高階、非線(xiàn)性、大時(shí)滯、時(shí)變參數(shù)以及隨機(jī)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜控制過(guò)程，人們的認(rèn)識(shí)往往比較貧乏或難以總結(jié)完整的經(jīng)驗(yàn)，這就使得單純的模糊控制在某些情況下很粗糙，難以適應(yīng)不同的運(yùn)行狀態(tài)，影響了控制效果。常規(guī)模糊控制的兩個(gè)主要問(wèn)題在于:改進(jìn)穩(wěn)態(tài)控制精度和提高智能水平與適應(yīng)能力。在實(shí)際應(yīng)

45、用中，往往是將模糊控制或模糊推理的思想，與其它相對(duì)成熟的控制理論或方法結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，從而獲得理想的控制效果。由于模糊規(guī)則和語(yǔ)言很容易被人們廣泛接受，加上模糊化技術(shù)在微處理器和計(jì)算機(jī)中能很方便的實(shí)現(xiàn)，所以這種結(jié)合展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力和良好的效果。3.2模糊控制理論3.2.1 模糊理論模糊理論是在美國(guó)柏克萊加州大學(xué)電氣工程系L.A.Zadeh教授于1965年創(chuàng)立的模糊集合理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要包括模糊集合論（Fuzzy Set）、模糊邏輯、模糊推理和模糊控制等方面的內(nèi)容。（1）模糊集合論普通集合中，一個(gè)元素（對(duì)象）x，它對(duì)于某一個(gè)論域U的集合A，要么屬于A，要么不屬于A，二者必居其

46、一且僅居其一，沒(méi)有其他選擇。但在現(xiàn)實(shí)生活中，絕大多數(shù)問(wèn)題都沒(méi)有明確的概念。例如:對(duì)于“很美麗”，某些人是否符合這一概念，很難給出完全肯定或完全否定的回答。也就是說(shuō)在符合和不符合之間允許存在中間狀態(tài)，這類(lèi)概念就叫模糊概念。模糊概念不能有普通的集合來(lái)描述，只能用模糊集合來(lái)描述。很顯然，元素對(duì)于模糊集合，不僅存在“屬于”和“不屬于”這兩個(gè)概念，而且在一般情況下，元素只是在一定程度上屬于模糊集合。在模糊集合中，為了描述元素對(duì)模糊集合的從屬貼近程度，引入了隸屬函數(shù)的概念。用0,1中的一個(gè)實(shí)數(shù)去度量元素x屬于模糊集合的程度，這個(gè)數(shù)就稱(chēng)為“隸屬度”，用 （x）表示。根據(jù)定義，模糊集合的實(shí)質(zhì)是論域U在0 ,1

47、閉區(qū)間一個(gè)映射: （3.1）對(duì)于論域U上的模糊集合A，通常的表示方法有Zadeh記號(hào)表示法、向量表示法、單點(diǎn)表示法、序偶表示法、隸屬函數(shù)的解析式表示法等。例: Zadeh記號(hào)表示法A=0.85/x1+0.98/x2+.+0.30/xs這里“/”不代表“除法”，而是表示元素x與其隸屬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系；“+”也不代表加法運(yùn)算，而是表示論域U上模糊集合A元素x的全體。（2）確定隸屬度函數(shù)的方法隸屬度函數(shù)的確定在模糊數(shù)學(xué)中占有重要的地位，這是因?yàn)槟：鲜怯呻`屬度函數(shù)刻畫(huà)的，模糊集合的各種運(yùn)算都是利用隸屬度函數(shù)來(lái)進(jìn)行的，因此，在模糊集合的各種應(yīng)用場(chǎng)合，首先要解決的問(wèn)題就是確定隸屬度函數(shù)。確定隸屬度函數(shù)總是

48、力圖盡量符合客觀實(shí)際，但不同的人對(duì)于同一個(gè)模糊概念的認(rèn)識(shí)又是有差異的，因此隸屬度函數(shù)的確定又帶有主觀性。如何評(píng)價(jià)隸屬度函數(shù)是否符合客觀實(shí)際，到目前為止還沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。常常用初步確定的一個(gè)粗略的隸屬度函數(shù)，然后通過(guò)在實(shí)踐運(yùn)用中“學(xué)習(xí)”和檢驗(yàn)，逐步修改和完善。確定隸屬函數(shù)可以通過(guò)“主觀”途徑和“客觀”途徑進(jìn)行，當(dāng)隸屬度無(wú)法通過(guò)主觀途徑給出時(shí)，往往需要在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上獲得。1、模糊統(tǒng)計(jì)法對(duì)于模糊性事物發(fā)生的可能性程度也可以用和隨機(jī)統(tǒng)計(jì)相似的方法進(jìn)行模糊統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的結(jié)果即為隸屬度。對(duì)于模糊統(tǒng)計(jì)，在論域U中給出一個(gè)確定元素 x,xU，然后再考慮屬于論域U上運(yùn)動(dòng)著的邊界可變的普通集合A1, n次試驗(yàn)中元素x屬

49、于A1的次數(shù)，當(dāng)n足夠大時(shí)，x屬于模糊集合A的隸屬度趨于一個(gè)穩(wěn)定值。即: （3.2） 式中，n1為n次試驗(yàn)中xA1的次數(shù)，n為試驗(yàn)次數(shù)。該方法能比較直觀地反映模糊集合的隸屬度，只是計(jì)算量比較大。2、專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法是根據(jù)某領(lǐng)域?qū)＜业膶?shí)際經(jīng)驗(yàn)對(duì)模糊信息進(jìn)行處理從而確定隸屬度函數(shù)的一種方法。此外，確定隸屬度函數(shù)還有二元對(duì)比排序法、相對(duì)選擇法、可變模型法等等。目前常用的隸屬度函數(shù)有高斯、三角型函數(shù)等。3.2.2模糊控制系統(tǒng)的基本組成模糊控制系統(tǒng)的基本組成如圖3.1所示圖3.1 模糊控制系統(tǒng)組成框圖模糊控制系統(tǒng)一般可以分為四個(gè)部分:（1）模糊控制器:這是模糊控制系統(tǒng)的核心部分，它實(shí)際上是一臺(tái)微型計(jì)

50、算機(jī)，根據(jù)系統(tǒng)需要，既可選用系統(tǒng)機(jī)，又可選用單板機(jī)或單片機(jī)。（2）輸入/輸出接口裝置:模糊控制器通過(guò)A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換接口從被控制對(duì)象獲取數(shù)字信號(hào)量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換接口，將其轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對(duì)象。在I/0接口電路中，還包括必要的多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、采樣保持器等電路。（3）廣義對(duì)象:包括被控對(duì)象及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，被控對(duì)象可以是線(xiàn)性或非線(xiàn)性的，定?；驎r(shí)變的，也可以時(shí)單變量或多變量的，有時(shí)滯或無(wú)時(shí)滯的以及強(qiáng)干擾的多種情況。被控對(duì)象缺乏精確的數(shù)學(xué)模型的情況宜選用模糊控制，但也不排斥有較精確的數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，也可以采用模糊控制方案。（4）傳感器:

51、任何一個(gè)計(jì)算機(jī)反饋控制系統(tǒng)都必須有傳感器。傳感器是將被控對(duì)象或各種過(guò)程的被控制量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的一類(lèi)裝置。被控制量往往是非電量，如溫度、壓力、流量、速度，位移等等。傳感器在反饋控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。我們以SISO模糊控制器，及一維模糊控制器為例來(lái)說(shuō)明實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過(guò)程:微機(jī)經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)e。一般選誤差e作為模糊控制器的一個(gè)輸入量。把誤差e的精確量進(jìn)行模糊量化變成模糊量，誤差e的模糊量可用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示。至此，得到了誤差e的模糊語(yǔ)言集合的一個(gè)子集E

52、 （E實(shí)際上是一個(gè)模糊向量）。再由E和模糊控制規(guī)則R（模糊關(guān)系）根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量U為: （3.3）式中U為一個(gè)模糊量。為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還需要將模糊量U轉(zhuǎn)化為精確量，這一步在圖3.1中稱(chēng)為清晰化處理。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換為精確的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行一步控制。然后，中斷等待第二次采樣，進(jìn)行第二步控制，這樣循環(huán)下去，就實(shí)現(xiàn)了被控制對(duì)象的模糊控制。3.3模糊控制器的設(shè)計(jì)內(nèi)容模糊控制器的設(shè)計(jì)一般包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容:（1）確定模糊控制器的輸入輸出語(yǔ)言變量，包括語(yǔ)言值及其隸屬度函數(shù)；（2）設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；（3）確立模糊化和去

53、模糊化的方法；（4）選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)（如量化因子、比例因子）。3.3.1模糊控制的輸入輸出語(yǔ)言變量及其隸屬度函數(shù)由于模糊控制器的控制規(guī)則是根據(jù)人的手動(dòng)控制規(guī)則提出的，一般說(shuō)來(lái)，人對(duì)誤差最敏感，其次是誤差的變化，再次是誤差變化的速率。所以模糊控制器的輸入變量也可以有三個(gè)，即誤差、誤差的變化和誤差變化的速率，輸出量選控制量的變化。通常將模糊控制器輸入變量的個(gè)數(shù)稱(chēng)為模糊控制的維數(shù)。一般情況下，一維模糊控制器用于一階被控對(duì)象，由于這種控制器輸入變量只選誤差一個(gè)，它的動(dòng)態(tài)控制性能不佳。三維模糊控制器實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜，所以，目前被廣泛采用的是二維模糊控制器，這

54、種控制器的誤差和誤差變化率為輸入量，以控制量的變化為輸出變量。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精確。但是維數(shù)過(guò)高，模糊控制器則變得過(guò)于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。這或許是目前人們廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用二維模糊控制器的原因所在。1.選擇描述輸入輸出變量的詞集模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語(yǔ)句。在條件語(yǔ)句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯（如在“正大”、“負(fù)小”等）的集合，稱(chēng)為這些變量的詞集。一般選用“大、中、小”三個(gè)詞匯來(lái)描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)。由于人的行為在正、負(fù)兩個(gè)方向的判斷基本上是對(duì)稱(chēng)的。將大、中、小再加上正、負(fù)兩個(gè)方向以及變量為零的狀態(tài)，共有七個(gè)詞匯，即負(fù)大，負(fù)中，

55、負(fù)小，零，正小，正中，正大，用英文字母首個(gè)字母縮寫(xiě)為NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB ,其中N=Negative, P=Positive, B=Big, M=Medium, S=Small, ZO=Zero。選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定的控制規(guī)則更加具體，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得很繁雜，這樣會(huì)降低模糊控制的優(yōu)越性。選擇詞匯過(guò)少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變壞。一般情況下，選擇上述七個(gè)詞匯，也可以根據(jù)系統(tǒng)需要選擇三個(gè)或五個(gè)語(yǔ)言變量。描述輸入、輸出變量的詞匯都具有模糊特性，可用模糊集合來(lái)表示。因此，模糊概念的確定性問(wèn)題就直接轉(zhuǎn)化為求取模糊集合隸屬函數(shù)的問(wèn)題。2.定義

56、各模糊變量的模糊子集定義一個(gè)模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集的隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)有時(shí)是以連續(xù)函數(shù)的形式出現(xiàn)，有時(shí)是以離散的量化等級(jí)形式出現(xiàn)。將確定的隸屬函數(shù)曲線(xiàn)離散化，得到了有限各點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個(gè)相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。常見(jiàn)的隸屬函數(shù)類(lèi)型有:（1）三角型：這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由三個(gè)參數(shù)表示。（2）高斯型：它用兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述，一般可表述為: （3.4）這種函數(shù)的特點(diǎn)是連續(xù)且處處可導(dǎo)，比較適合于自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)模糊控制的隸屬度函數(shù)修正。在模糊控制器的設(shè)計(jì)時(shí)，如何選擇隸屬度函數(shù)，要根據(jù)具體的對(duì)象來(lái)定。不過(guò)從總體上來(lái)說(shuō)，三角型隸屬度函數(shù)用的最為廣泛，由于它的形狀僅與直線(xiàn)的形狀有關(guān)，簡(jiǎn)單

57、易行，并且適合于有隸屬度函數(shù)在線(xiàn)調(diào)整的自適應(yīng)模糊控制；高斯型隸屬度函數(shù)用到的頻率其次。其它的在實(shí)際的模糊控制器中用到較少。3.3.2模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)控制規(guī)則的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模糊控制的關(guān)鍵，一般包括三部分設(shè)計(jì)內(nèi)容:選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集和建立模糊控制器的控制規(guī)則。具體的模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)方法如下:（1）經(jīng)驗(yàn)歸納法。所謂經(jīng)驗(yàn)歸納法，就是根據(jù)人的控制經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)推理，經(jīng)整理、加工和提煉后構(gòu)成模糊規(guī)則系統(tǒng)的方法。模糊控制的控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略，而手動(dòng)控制策略又是人們通過(guò)學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累而逐漸形成的，存儲(chǔ)在操作者頭腦中的一種技術(shù)集合。手動(dòng)控制過(guò)程一般是通過(guò)對(duì)被控

58、對(duì)象的一些觀測(cè)，操作者再根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行綜合分析并做出控制決策，調(diào)整加在被控對(duì)象的控制作用，從而使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。手動(dòng)控制的作用同自動(dòng)控制系統(tǒng)中的控制器的作用是基本相同的，所不同的是手動(dòng)控制決策是基于人操作系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，而自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制決策是基于某種控制算法的數(shù)值運(yùn)算。利用模糊集合理論和語(yǔ)言變量的概念，可以把利用語(yǔ)言歸納的手動(dòng)控制策略上升為數(shù)值運(yùn)算，于是可以采用計(jì)算機(jī)完成這個(gè)任務(wù)以代替人的手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)模糊自動(dòng)控制。模糊控制器規(guī)則的設(shè)計(jì)原則是:當(dāng)誤差較大時(shí)，控制量的變化應(yīng)盡力使誤差迅速減小。當(dāng)誤差較小時(shí)，除了要消除誤差外，還要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止系統(tǒng)產(chǎn)生不必要的

59、超調(diào)，甚至震蕩。（2）基于過(guò)程的模糊模型過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性可以用模糊模型來(lái)描述，稱(chēng)為過(guò)程的模糊模型?；谶^(guò)程的模糊模型產(chǎn)生一組模糊控制規(guī)則來(lái)使被控過(guò)程到達(dá)期望的性能。這種方法存在的困難就是難于獲得充分反映被控過(guò)程特性的模糊模型及其參數(shù)。（3）基于學(xué)習(xí)的方法。當(dāng)被控過(guò)程存在時(shí)變的特性或難以直接構(gòu)造模糊控制器時(shí)，可以通過(guò)設(shè)計(jì)自組織、自學(xué)習(xí)能力的模糊控制器來(lái)自動(dòng)獲得模糊規(guī)則。上面介紹的是建立模糊規(guī)則的三種主要方法，其中第一種方法是最基本的，也是應(yīng)用最廣泛的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，初步建立的模糊規(guī)則往往難以到達(dá)良好的效果，必須不斷加以修正和試湊。在模糊規(guī)則的建立修正和試湊過(guò)程中，應(yīng)盡量保證模糊規(guī)則的完備性和相

60、容性。所謂模糊規(guī)則的完備性即對(duì)于控制過(guò)程的任一狀態(tài)，模糊規(guī)則能產(chǎn)生有關(guān)控制作用。而模糊規(guī)則的相容性則反映在輸出模糊集合是否是多峰的，如果存在多峰的現(xiàn)象，則說(shuō)明模糊規(guī)則中有相互矛盾的情況存在。3.3.3精確量的模糊化方法和去模糊化方法將精確量轉(zhuǎn)換為模糊量的過(guò)程稱(chēng)為模糊化（fuzzification），或稱(chēng)為模糊量化。在模糊控制應(yīng)用中，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)一般是精確的，而在模糊控制器中處理的是模糊量，因而模糊化是必要的步驟。它是由觀測(cè)的輸入空間到相應(yīng)的輸入論域上的模糊子集的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換通常帶有主觀性。模糊化應(yīng)解決兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是量程轉(zhuǎn)換；二是選擇模糊化方法。量程轉(zhuǎn)換就是把輸入信號(hào)的物理范圍轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的論