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作者：張毅

   在啤酒生產(chǎn)的整個過程中，糖化過程最重要。在糖化生產(chǎn)過程中，其溫度的變化范圍在0℃～80 ℃，精度為±0.20 ℃。傳統(tǒng)PID控制不僅難以解決干擾和滯后的問題，還需建立數(shù)學(xué)模型進行仿真，其參數(shù)無法在線整定，很難實現(xiàn)對被控量獲得較滿意的控制效果。傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)控制速度慢，積分作用強烈，超調(diào)量較大，系統(tǒng)在較長的時間內(nèi)不能達到穩(wěn)定狀態(tài)。模糊PID控制可以通過模糊推理的規(guī)則，在線對PID的參數(shù)進行整定，容易滿足控制效果。同時傳統(tǒng)的Bang-Bang控制調(diào)節(jié)速度迅速，但調(diào)節(jié)過程中震蕩比較劇烈，穩(wěn)定性較差。此次設(shè)計，結(jié)合模糊PID控制和Bang-Bang控制的優(yōu)點，根據(jù)啤酒糖化過程的溫度要求，利用S7-300 PLC為硬件載體，以發(fā)酵罐的溫度為控制對象，開發(fā)出模糊PID +Bang -Bang控制的新溫度控制系統(tǒng)，提高生產(chǎn)效率及穩(wěn)定性。

1  硬件系統(tǒng)組成

  啤酒糖化罐的溫度變化范圍為0℃～80℃。為了使發(fā)酵液受熱均勻，加熱迅速，其加熱的過程采用水浴加熱，用兩個電熱絲發(fā)熱提供的熱量，電熱絲中的電流調(diào)節(jié)通過PMW晶體管調(diào)節(jié)，迅速改變加熱強度的大小。糖化鍋溫度調(diào)節(jié)的硬件系統(tǒng)簡化如圖1所示。

2 Bang-Bang控制和PID控制算法

  在溫度的控制中，Bang-Bang控制是實現(xiàn)對溫度誤差太大時的快速控制，而模糊PID控制則更多實現(xiàn)溫度在小誤差范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)控制。其中控制器實現(xiàn)控

制過程的表達式(1)和(2)所示：

2.1 Bang-Bang控制

  在控制過程中，Bang-bang控制實現(xiàn)的是對溫度的早期控制，系統(tǒng)從一個邊界值切換到另外一個邊界值，系統(tǒng)從一個狀態(tài)到另外一個狀態(tài)所花的時間最短。其控制的實現(xiàn)過程的表達式(3)所示：

  在Bang-Bang的過程中，控制器的輸入為μ0，在μ0的控制下，溫度很快達到所要求的溫度范圍。接下來溫度調(diào)節(jié)靠模糊PID調(diào)節(jié)完成。

2.2模糊PID控制

  在初始狀態(tài)下，因為糊化醪和糖化醪都有相應(yīng)的溫度，一定比例混合后的溫度達到所需求的62℃，此溫度下，3-淀粉酶的活性最強，生化反應(yīng)最劇烈。62℃保持20 min，使最多的淀粉轉(zhuǎn)化成可發(fā)酵性糖。然后，醪液的溫度上升到72℃，在此過程中，溫度很快上升到72 ℃，此時a-淀粉酶發(fā)揮作用，使糊化淀粉水解變糖。糖化時間到后應(yīng)該進行碘檢，以證明糖化完全。

  由圖2可見啤酒糖化生產(chǎn)過程有兩段溫度控制的過程，但總體上說，控制的總體思路不變，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

  由圖3可知：首先，PLC讀取設(shè)定的溫度，溫度傳感器檢測到溫度后通過變送器轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電流信號反饋到PLC的模擬量輸入模塊經(jīng)行A/D轉(zhuǎn)換，比較后得出偏差，經(jīng)過Bang-Bang+模糊PID控制得到理想控制輸出，經(jīng)過模擬量輸出模塊進行D/A轉(zhuǎn)化，將控制變量傳給觸發(fā)器，由觸發(fā)器調(diào)節(jié)晶體管PMW輸出電壓，從而改變混合液的溫度，得到所要的結(jié)果，完成控制。

4 bang-bang控制+模糊PID控制算法在PLC中的實現(xiàn)

  此次控制器設(shè)計以西門子S7-300PLC為核心控制單元，電源模塊選擇PS300(10A)，CPU選擇CPU315-2DP，利用S7-SCL語言實現(xiàn)Bang-Bang+模糊PID算法的實現(xiàn)。S7-SCL是用于SIMATIC S7系列CPU編程且類似于PASCAL的高級語言。

  S7-300PLC中用STL語言進行控制算法的編程。并將所編輯的內(nèi)容放在FB1，在硬件CPU315-2DP的屬性欄中CYCLIC INTERRUPT選項中設(shè)定信號的輸入采樣周期為2 000 ms，得到誤差和誤差變化率，在循環(huán)中斷組織0835中進行調(diào)用，完成對模擬量的控制。

4.1  變量聲明及初始化

  在利用SCL語言編寫的Bang-Bang控制和PID控制算法之前，要對變量進行聲明和初始化，其中變量包括形參變量、臨時變量和靜態(tài)變量。

  根據(jù)Bang-Bang控制和PID控制算法，定義輸入變量要包括溫度設(shè)定值、過程值、偏差閾值、各權(quán)系數(shù)、微分系數(shù)、積分系數(shù)和各整定系數(shù)。4.2 Bang-Bang控制+模糊PID控制算法SCL程序的開發(fā)

  在編程的過程中發(fā)現(xiàn)，Bang-Bang控制和模糊PID控制的編程已趨于成熟，可以直接調(diào)用，新建兩個子程序“CON_BANG_BANG”和“CON_FUZZ_PID”，在主程序中經(jīng)行調(diào)用。SCL程序可以實現(xiàn)控制過程中Bang-Bang控制和模糊PID控制直接調(diào)用的過程。

FUNCTION_BLOCK FB100

 VAR_INPUT

 RUN: BOOL；  //True-運行，F(xiàn)alse-停止

AUTO: BOOL;  //True-自動，F(xiàn)alse-手動

ISW：BOOL;  //True-積分有效，F(xiàn)alse-積分無效

DSW：BOOL;  //True-微分有效，F(xiàn)alse-微分無效

SP: REAL;  ／／溫度設(shè)定值

PV: REAL;  ／／溫度反饋值

E：REAL;  ／／誤差的大小

K：REAL;  ／／閾值

UO: REAL;  //Bang-Bang控制器的輸出

XITE_P: REAL;  ／／比例系數(shù)

  XITE  ／／積分系數(shù)

  XITE_I: REAL；

  XITE  ／／微分系數(shù)

  XITE_D: REAL；

  KP：REAL;  ／／比例整定系數(shù)

  KI：REAL;  ／／積分整定系數(shù)

KD：REAL;  ／／微分整定系數(shù)

Limit H：REAL: P80;  ／／最大值

Linut L：REAL：=0;  ／／最小值

CON_BANG：REAL;UBang-Bang控制模塊

CON_FUZZPID：REAL;  //fuzzy-PID控制模塊

END_VAR

 VAR_OUTPUT

  OUT: REAL: =0;  ／／輸出變量

END_VAR

 IF SP--PV>=K  THEN  ／／女果誤差大于K

 CALL=“CON_BANGBANG”；  ／／調(diào)用Bang-Bang控制

ELSE

 CALL=“CONT_FUZZPID”；／／否則調(diào)用FUZZ-PID

 END_IF；

END_FUNCTION_BLOCK

 4.3 SCL源程序的程序編譯與功能塊的調(diào)用

  當(dāng)Bang-Bang控制和PID控制算法的程序編完后，進行Compile對源程序進行編譯，在編譯的過程中，嚴(yán)格檢查程序，不僅對程序是一個檢驗的過程，也是兩個產(chǎn)生新文件FB100和DB100。調(diào)用數(shù)據(jù)塊如圖4所示：

5在Bang-Bang控制和PID控制算法的作用下，控制溫度的結(jié)果

  借助SIMATIC MANAGER中的PLCSIM仿真器，對傳統(tǒng)PID控制和Bang-Bang控制+PID控制算法器進行實地仿真，其運行結(jié)果的圖像如圖5所示。

  從溫度的曲線(圖5 (a))可知，傳統(tǒng)PID控制過程，超調(diào)量很大，其值達到了24.8%，峰值時間為42s，穩(wěn)態(tài)值的百分?jǐn)?shù)2%，計算可得穩(wěn)態(tài)時間為222s。溫度曲線(圖5 (b))而采用Bang-Bang+模糊PID控制，溫度控制系統(tǒng)的超調(diào)量由25.8%減少到0。調(diào)整時間由222s減少為89 s，由此可見新的控制器較快地消除大誤差，且具有較小的超調(diào)量，提高了系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性。

6結(jié)語

根據(jù)啤酒生產(chǎn)過程的溫度控制要求，可控硅PMW控制的應(yīng)用，以及通過控制過程中出現(xiàn)的問題，以S7-300為硬件載體，利用SCL編程語言開發(fā)了Bang-Bang+模糊PID的控制器，其過程為：當(dāng)溫度的誤差ek>ε時，采用Bang-Bang控制，反之，采用模糊PID控制�？刂普麄�過程不用建立精確的數(shù)學(xué)模型，同時控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果合理，控制過程更加穩(wěn)定、精確、快速，滿足溫度控制要求。生產(chǎn)過程中的衍生物大量減少，增加啤酒的質(zhì)量、口感和保質(zhì)期。

7摘要在啤酒糖化生產(chǎn)過程，溫度控制存在大滯后性和非線性變化的問題，造成了啤酒糖化生產(chǎn)控制系統(tǒng)的品質(zhì)嚴(yán)重下降。在研究PID控制的基礎(chǔ)上，提出了新的控制方法，即Bang-Bang+模糊PID控制。在此基礎(chǔ)上，研究出以S7-300為硬件載體的新控制器，它結(jié)合了Bang-Bang控制和模糊PID控制各自的優(yōu)點，很大程度上改善了溫度控制系統(tǒng)的性能，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，控制精度及穩(wěn)定性。最后，分別采用PID和Bang-Bang+模糊PID控制對系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)進行仿真，驗證新控制器的優(yōu)良特性。