啤酒殺菌模糊PID溫度控制器設(shè)計與仿真

魏欣

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院（南京 210023）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的消費水平也逐漸提高，生活中對啤酒的需求量逐漸增多，為滿足人們的生活需求，啤酒的產(chǎn)量也在隨著需求增多而增多，現(xiàn)在我國已成為世界啤酒產(chǎn)量第一大國[1]。但是我國的啤酒生產(chǎn)相比世界而言也存在一些問題，例如啤酒種類少，缺乏高端產(chǎn)品。為此在以后的啤酒生產(chǎn)中要注重質(zhì)量，提升口感、新鮮感，特別是要針對性解決啤酒的風(fēng)味及其穩(wěn)定性，這就需要加強(qiáng)對其殺菌過程的技術(shù)研究[2]。

啤酒殺菌的主要目的是使原啤酒中的發(fā)酵酶失活，防止啤酒在后期存儲過程中發(fā)生其他的化學(xué)反應(yīng)；另一個目的是殺滅啤酒中的微生物，從而保持啤酒的品質(zhì)。目前國內(nèi)啤酒殺菌通常采用巴氏殺菌，該殺菌方法雖然簡單可靠，但PU值過高，保鮮期較短，能量消耗也過高，導(dǎo)致生產(chǎn)成本增多。隨著啤酒生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和設(shè)備的不斷改進(jìn)，高溫殺菌技術(shù)以其低能源消耗、低口味影響等優(yōu)點，在啤酒殺菌技術(shù)中得到非常廣泛的應(yīng)用。啤酒高溫殺菌技術(shù)中對溫度進(jìn)行精確控制是非常關(guān)鍵的一步，目前對殺菌溫度控制通常使用PID控制，傳統(tǒng)PID控制雖然算法簡單、響應(yīng)速度快，但該方法由于其在控制過程中比例-積分-微分參數(shù)固定不變，很難應(yīng)對非線性、時變性、參數(shù)不確定的復(fù)雜系統(tǒng)[3-6]。

模糊控制理論特別適用于非線性、時變、滯后、模型不完全系統(tǒng)的控制[7-9]。為了提高殺菌溫度控制的自適應(yīng)在線控制能力，將模糊控制理論與PID相結(jié)合，形成了具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能的模糊PID控制器，最后通過仿真分析驗證了該控制方法的有效性。

1 啤酒套管殺菌系統(tǒng)

啤酒套管殺菌工藝流程如圖1所示。該殺菌主要設(shè)備為套管式殺菌器，套管中通過的熱水對殼程中的啤酒加熱從而實現(xiàn)殺菌的目的。套管殺菌主要分為泵送系統(tǒng)、高溫殺菌系統(tǒng)、板換預(yù)熱系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)。啤酒通過送料泵將啤酒首先送入預(yù)熱板換，通過對出料泵傳送過來的中溫啤酒進(jìn)行預(yù)熱，被傳送到出料掛灌中存儲。泵組將存儲罐中的啤酒再次傳送到套管式換熱器中，管式換熱器中通入了高溫?zé)崴ㄟ^高溫?zé)崴畬崿F(xiàn)啤酒在套管式換熱器中的殺菌過程。殺菌完成后啤酒被出料泵傳送到預(yù)熱板換，再通過一個三通閥送出，送出的啤酒最終經(jīng)過冷卻板換進(jìn)行冷卻后，再被輸送到啤酒灌裝瓶中，從而完成啤酒的殺菌灌裝。在此過程中，套管式換熱器中的溫度傳感器將熱水溫度實時傳送到控制器中，控制器根據(jù)此溫度反饋值，通過PID實現(xiàn)蒸汽閥的自動控制，從而實現(xiàn)套管式換熱器中溫度的閉環(huán)自動控制。

圖1 啤酒套管殺菌工藝流程

2 模糊PID溫控器

啤酒溫度殺菌工藝通常采用PID算法進(jìn)行控制，PID控制由于算法結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)，對控制器性能要求較低，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制領(lǐng)域中，PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。PID控制器中通過比較設(shè)定目標(biāo)值與實際值之間的誤差，根據(jù)偏差的比例、積分、微分等線性組合，計算出PID控制器實際的輸出量，通過輸出量對控制對象進(jìn)行控制。傳統(tǒng)PID控制器中比例、積分、微分等參數(shù)固定不變，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動或者其他變化時，控制器性能便大大降低。

圖2 傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)

模糊控制是一種非線性智能化控制方法，主要通過模糊集合、模糊邏輯、模糊推理等幾部分組成，模糊控制由于不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，較適用于非線性、時變性的復(fù)雜系統(tǒng)，通過模糊控制理論，能夠?qū)崿F(xiàn)PID參數(shù)的在線自我調(diào)整[10-11]。圖3為模糊PID控制器結(jié)構(gòu)。其中e為目標(biāo)溫度與實際溫度偏差，其中，ec為誤差變化速率，αe、αec和βpid為速率變化因子；通過量化因子Ke、Kec以及比例因子LK(m)(m=p,i,d)對模糊控制的輸出論域的實時調(diào)整。

圖3 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

模糊PID控制器輸出控制量為ΔKp、ΔKi、ΔKd，根據(jù)啤酒殺菌溫度的動態(tài)范圍[emin,emax]、[ecmin,ecmax]、[Δkmin(m),Δkmax(m)] (m=p,i,d)，選取量化因子Ke、Kec，以及比例因子LK(m)(m=p,i,d)。模糊論域的變換表達(dá)式為：

通過加權(quán)平均法獲得模糊控制器輸出：

假設(shè)PID經(jīng)過模糊控制調(diào)整后的參數(shù)為Kp、Ki、Kd，其值為：

則PID經(jīng)過模糊調(diào)整后最終輸出為

模糊控制器中的伸縮因子為：

式中：τ為常數(shù)，0＜τ＜1。

模糊控制器的伸縮程度大小：

式中：KI為比例增益因子。

3 仿真分析

啤酒套管是殺菌系統(tǒng)中數(shù)學(xué)模型通常為一階時滯性系統(tǒng)，套管式殺菌系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為假設(shè)殺菌溫度為120 ℃。為了驗證設(shè)計的模糊PID控制算法的有效性，采用Matlab仿真軟件對模糊PID控制器和傳統(tǒng)PID控制進(jìn)行仿真分析。仿真曲線如圖4所示。

圖4 傳統(tǒng)PID和模糊PID控制仿真曲線

為了驗證啤酒套管模糊PID殺菌控制系統(tǒng)能夠應(yīng)對系統(tǒng)中的干擾，在50 s時引入負(fù)載擾動。傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制應(yīng)對干擾的仿真曲線如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)出現(xiàn)干擾時，模糊PID控制器重新趨于收斂的時間明顯短于傳統(tǒng)PID控制，能夠以較快的速度收斂到正常值。

圖5 傳統(tǒng)PID控制和模糊PID控制應(yīng)對干擾的仿真曲線

4 結(jié)語

為解決啤酒套管殺菌溫度控制系統(tǒng)的非線性、時滯性、控制精度不高等問題，首先介紹了啤酒套管殺菌工藝流程。結(jié)合模糊控制和PID控制，設(shè)計了一種基于模糊PID的啤酒殺菌溫濕度控制方法。通過模糊規(guī)則實現(xiàn)PID參數(shù)的在線自適應(yīng)調(diào)整。仿真結(jié)果表明：模糊PID控制方法相比于傳統(tǒng)PID控制擁有更快的調(diào)節(jié)速度，能夠在很短時間內(nèi)使系統(tǒng)目標(biāo)值收斂。