关于g-Bang+模糊PID温度控制器在啤酒糖化生产中设计与实现的研究

作者：张毅

   在啤酒生产的整个过程中，糖化过程最重要。在糖化生产过程中，其温度的变化范围在0℃～80 ℃，精度为±0.20 ℃。传统PID控制不仅难以解决干扰和滞后的问题，还需建立数学模型进行仿真，其参数无法在线整定，很难实现对被控量获得较满意的控制效果。传统PID调节控制速度慢，积分作用强烈，超调量较大，系统在较长的时间内不能达到稳定状态。模糊PID控制可以通过模糊推理的规则，在线对PID的参数进行整定，容易满足控制效果。同时传统的Bang-Bang控制调节速度迅速，但调节过程中震荡比较剧烈，稳定性较差。此次设计，结合模糊PID控制和Bang-Bang控制的优点，根据啤酒糖化过程的温度要求，利用S7-300 PLC为硬件载体，以发酵罐的温度为控制对象，开发出模糊PID +Bang -Bang控制的新温度控制系统，提高生产效率及稳定性。

1  硬件系统组成

  啤酒糖化罐的温度变化范围为0℃～80℃。为了使发酵液受热均匀，加热迅速，其加热的过程采用水浴加热，用两个电热丝发热提供的热量，电热丝中的电流调节通过PMW晶体管调节，迅速改变加热强度的大小。糖化锅温度调节的硬件系统简化如图1所示。

2 Bang-Bang控制和PID控制算法

  在温度的控制中，Bang-Bang控制是实现对温度误差太大时的快速控制，而模糊PID控制则更多实现温度在小误差范围内的调节控制。其中控制器实现控

制过程的表达式(1)和(2)所示：

2.1 Bang-Bang控制

  在控制过程中，Bang-bang控制实现的是对温度的早期控制，系统从一个边界值切换到另外一个边界值，系统从一个状态到另外一个状态所花的时间最短。其控制的实现过程的表达式(3)所示：

  在Bang-Bang的过程中，控制器的输入为μ0，在μ0的控制下，温度很快达到所要求的温度范围。接下来温度调节靠模糊PID调节完成。

2.2模糊PID控制

  在初始状态下，因为糊化醪和糖化醪都有相应的温度，一定比例混合后的温度达到所需求的62℃，此温度下，3-淀粉酶的活性最强，生化反应最剧烈。62℃保持20 min，使最多的淀粉转化成可发酵性糖。然后，醪液的温度上升到72℃，在此过程中，温度很快上升到72 ℃，此时a-淀粉酶发挥作用，使糊化淀粉水解变糖。糖化时间到后应该进行碘检，以证明糖化完全。

  由图2可见啤酒糖化生产过程有两段温度控制的过程，但总体上说，控制的总体思路不变，其控制系统结构图如图3所示。

  由图3可知：首先，PLC读取设定的温度，温度传感器检测到温度后通过变送器转化为4～20 mA的电流信号反馈到PLC的模拟量输入模块经行A/D转换，比较后得出偏差，经过Bang-Bang+模糊PID控制得到理想控制输出，经过模拟量输出模块进行D/A转化，将控制变量传给触发器，由触发器调节晶体管PMW输出电压，从而改变混合液的温度，得到所要的结果，完成控制。

4 bang-bang控制+模糊PID控制算法在PLC中的实现

  此次控制器设计以西门子S7-300PLC为核心控制单元，电源模块选择PS300(10A)，CPU选择CPU315-2DP，利用S7-SCL语言实现Bang-Bang+模糊PID算法的实现。S7-SCL是用于SIMATIC S7系列CPU编程且类似于PASCAL的高级语言。

  S7-300PLC中用STL语言进行控制算法的编程。并将所编辑的内容放在FB1，在硬件CPU315-2DP的属性栏中CYCLIC INTERRUPT选项中设定信号的输入采样周期为2 000 ms，得到误差和误差变化率，在循环中断组织0835中进行调用，完成对模拟量的控制。

4.1  变量声明及初始化

  在利用SCL语言编写的Bang-Bang控制和PID控制算法之前，要对变量进行声明和初始化，其中变量包括形参变量、临时变量和静态变量。

  根据Bang-Bang控制和PID控制算法，定义输入变量要包括温度设定值、过程值、偏差阈值、各权系数、微分系数、积分系数和各整定系数。4.2 Bang-Bang控制+模糊PID控制算法SCL程序的开发

  在编程的过程中发现，Bang-Bang控制和模糊PID控制的编程已趋于成熟，可以直接调用，新建两个子程序“CON_BANG_BANG”和“CON_FUZZ_PID”，在主程序中经行调用。SCL程序可以实现控制过程中Bang-Bang控制和模糊PID控制直接调用的过程。

FUNCTION_BLOCK FB100

 VAR_INPUT

 RUN: BOOL；  //True-运行，False-停止

AUTO: BOOL;  //True-自动，False-手动

ISW：BOOL;  //True-积分有效，False-积分无效

DSW：BOOL;  //True-微分有效，False-微分无效

SP: REAL;  ／／温度设定值

PV: REAL;  ／／温度反馈值

E：REAL;  ／／误差的大小

K：REAL;  ／／阈值

UO: REAL;  //Bang-Bang控制器的输出

XITE_P: REAL;  ／／比例系数

  XITE  ／／积分系数

  XITE_I: REAL；

  XITE  ／／微分系数

  XITE_D: REAL；

  KP：REAL;  ／／比例整定系数

  KI：REAL;  ／／积分整定系数

KD：REAL;  ／／微分整定系数

Limit H：REAL: P80;  ／／最大值

Linut L：REAL：=0;  ／／最小值

CON_BANG：REAL;UBang-Bang控制模块

CON_FUZZPID：REAL;  //fuzzy-PID控制模块

END_VAR

 VAR_OUTPUT

  OUT: REAL: =0;  ／／输出变量

END_VAR

 IF SP--PV>=K  THEN  ／／女果误差大于K

 CALL=“CON_BANGBANG”；  ／／调用Bang-Bang控制

ELSE

 CALL=“CONT_FUZZPID”；／／否则调用FUZZ-PID

 END_IF；

END_FUNCTION_BLOCK

 4.3 SCL源程序的程序编译与功能块的调用

  当Bang-Bang控制和PID控制算法的程序编完后，进行Compile对源程序进行编译，在编译的过程中，严格检查程序，不仅对程序是一个检验的过程，也是两个产生新文件FB100和DB100。调用数据块如图4所示：

5在Bang-Bang控制和PID控制算法的作用下，控制温度的结果

  借助SIMATIC MANAGER中的PLCSIM仿真器，对传统PID控制和Bang-Bang控制+PID控制算法器进行实地仿真，其运行结果的图像如图5所示。

  从温度的曲线(图5 (a))可知，传统PID控制过程，超调量很大，其值达到了24.8%，峰值时间为42s，稳态值的百分数2%，计算可得稳态时间为222s。温度曲线(图5 (b))而采用Bang-Bang+模糊PID控制，温度控制系统的超调量由25.8%减少到0。调整时间由222s减少为89 s，由此可见新的控制器较快地消除大误差，且具有较小的超调量，提高了系统的快速性和稳定性。

6结语

根据啤酒生产过程的温度控制要求，可控硅PMW控制的应用，以及通过控制过程中出现的问题，以S7-300为硬件载体，利用SCL编程语言开发了Bang-Bang+模糊PID的控制器，其过程为：当温度的误差ek>ε时，采用Bang-Bang控制，反之，采用模糊PID控制。控制整个过程不用建立精确的数学模型，同时控制系统的仿真结果合理，控制过程更加稳定、精确、快速，满足温度控制要求。生产过程中的衍生物大量减少，增加啤酒的质量、口感和保质期。

7摘要在啤酒糖化生产过程，温度控制存在大滞后性和非线性变化的问题，造成了啤酒糖化生产控制系统的品质严重下降。在研究PID控制的基础上，提出了新的控制方法，即Bang-Bang+模糊PID控制。在此基础上，研究出以S7-300为硬件载体的新控制器，它结合了Bang-Bang控制和模糊PID控制各自的优点，很大程度上改善了温度控制系统的性能，提高系统的响应速度，控制精度及稳定性。最后，分别采用PID和Bang-Bang+模糊PID控制对系统的温度调节进行仿真，验证新控制器的优良特性。