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啤酒生产过程的全自动化控制及其应用研究

张光新  
【摘要】: 啤酒生产是我国的一个传统产业,随着国民经济的发展和人民生活的改善,我国啤酒工业也得到空前发展,近20年间,我国的啤酒产量已增长了30多倍,为国民经济建设发挥了非常重要的作用。尽管如此,我国的啤酒生产工业目前还存在许多不尽如人意的地方。由于啤酒生产的工艺复杂,目前我国大多数啤酒生产企业技术装备落后,自动化程度低,产品质量不稳定。如何提高啤酒生产的综合自动化水平,增强我国啤酒产业的综合实力和国际竞争力是一个刻不容缓的研究课题。为此,本文以啤酒生产过程为工程背景,对啤酒生产过程的综合自动化及其应用技术进行研究,这对利用高新技术提升传统产业的综合技术水平具有重大的现实意义。 本文的主要工作和创新点在于: ·基于啤酒的生产工艺和控制要求,首先对以啤酒发酵温度为代表的一类大时滞、时变不确定对象的控制问题进行了研究,这是啤酒生产过程中的控制难点,也是控制的核心问题之一。本文先对常规PID反馈控制、预估控制的鲁棒稳定性问题进行了系统的研究和分析,文中提出的基于回路成形思想的PID控制器设计方法、2-DOF预估控制方法以及Smith预估控制系统的鲁棒稳定摄动区间的判定方法具有良好的实用价值。 ·由于在实际应用过程中发现,要获取啤酒发酵温度对象的精确模型还存在理论上和工艺上的限制。因此,采用单一的控制模式或者基于模型的控制策略实现发酵温度的精确控制很难,文中首次提出的M—PID控制技术突破了单一的控制模式,完全不依赖于数学模型,对大时滞、时变对象的控制表现出了很强的鲁棒性,并具有理想的控制品质。目前,M—PID控制已在实际的啤酒生产过程计算机控制系统中取得了非常成功的应用, 摘 要 控制精度达到士0.3℃以内,这对提高啤酒质量、提升啤酒产业的综合自动 化水平具有重要的意义。。 ·针对糊化锅、糖化锅等温度控制对象的特点和要求,本文提出的复 合PID控制技术有效地解诀了糖化过程温度控制的超调与随动跟踪性的问 题,并己转化为实际应用,控制绝对误差小于士0.3℃,响应曲线与设定曲 线之间几乎不存在滞后。 ·导致发酵罐温度控制困难的另一个主要原因就是发酵温度的精确测 量问题。由于发酵温度的变化区间小(一般为一l~15oC范围内)、测温现 场结露严重,采用普通铂电阻的测温误差大且结露会引起性能不稳定,为 此我们专门开发了用干啤酒发酵温度精确测量的SBWJ型啤酒温度变送器, 该变送器具有测量精度高、稳定性好、寿命长并能有效地防止保护套管内 结露的影响,为实现啤酒生产过程全自动化控制解决了发酵温度精确测量 的一个难题。该变送器自研制成功以来,己成功应用了 1000余台,并于 2000年 3月获得国家发明专利(ZL 97105253.0)。 ·针对啤酒生产的测控要求,独立开发了具有自主知识产权的多种专 业的监控软件平台,满足了啤酒生产过程计算机控制的所有特殊要求,所 有监控软件均己在现场都获得非常成功的应用。 根据以上研究成果,目前己成功开发了多种形式的啤酒生产过程的计 算机测控管理系统,该系统集自动控制技术、信息管理技术、网络技术于 一体,选用目前先进的技术装备,具有自动化程度高、工艺调整和优化灵 活、功能完善等特点,能满足啤酒生产过程的各种特殊要求。啤酒生产过 程的全自动化控制系统的成功开发和应用,将对以高新技术来提升啤酒产 业整体技术水平起到示范和带动作用[“’川u]。 迄今为止,各种啤酒生产过程的计算机测控管理系统己推广应用近2() 套,取得了巨大的社会效益和经济效益。


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