DZ093基于單片機(jī)的啤酒發(fā)酵工藝及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DZ093基于單片機(jī)的啤酒發(fā)酵工藝及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),dz093,基于,單片機(jī),啤酒,發(fā)酵,工藝,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- I -第 1 章 緒論 ........................................................................................................11.1 課題背景 ...................................................................................................1第 2 章 啤酒發(fā)酵工藝及控制要求 ....................................................................22.1 啤酒發(fā)酵工藝簡(jiǎn)介 ...................................................................................22.2 系統(tǒng)的控制要求 .......................................................................................22.3 本章小結(jié) ...................................................................................................3第 3 章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) ............................................................................43.1 發(fā)酵罐測(cè)控點(diǎn)的分布及管線結(jié)構(gòu) ...........................................................43.2 檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu) ...............................................................................43.3 控制規(guī)律 ...................................................................................................53.3.1 PID 算式加特殊處理 ..........................................................................53.3.2 Smith 補(bǔ)償控制算法 ...........................................................................63.3.3 啤酒發(fā)酵過(guò)程控制的數(shù)學(xué)模型分析 ................................................73.4 控制系統(tǒng)的硬件 .......................................................................................93.5 控制系統(tǒng)的軟件 .......................................................................................93.6 本章小結(jié) .................................................................................................10第 4 章 硬件電路設(shè)計(jì) ......................................................................................114.1 89C52 單片機(jī)特點(diǎn)簡(jiǎn)介 ..........................................................................114.2 主電路 .....................................................................................................124.2.1 采樣電路 ..........................................................................................124.2.2 I/V 變換電路 .....................................................................................144.2.3 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ...................................................................................154.3 顯示電路與按鍵 .....................................................................................164.4 控制電路 .................................................................................................174.5 本章小結(jié) .................................................................................................17第 5 章 軟件程序設(shè)計(jì) ......................................................................................185.1 概述 .........................................................................................................185.1.1 軟件設(shè)計(jì)思想 ..................................................................................185.1.2 系統(tǒng)構(gòu)成 ..........................................................................................185.1.3 系統(tǒng)中 89C52 中斷源的使用 .........................................................195.2 程序中有關(guān)參數(shù)的設(shè)定 .........................................................................205.3 主程序 MAIN .........................................................................................235.3.1 主程序介紹 ......................................................................................235.3.2 掉電保護(hù) ..........................................................................................245.4 外部中斷服務(wù)子程序 JINT....................................................................255.4.1 數(shù)據(jù)采集模塊 DATA ......................................................................265.4.2 數(shù)據(jù)處理模塊 PROM......................................................................265.5 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0 中斷服務(wù)子程序 JT0...................................................285.6 按鍵處理子程序 KEY............................................................................29哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- II -5.7 串行中斷服務(wù)子程序 JSR......................................................................315.8 顯示子程序 DSP.....................................................................................325.9 本章小結(jié) .................................................................................................32結(jié)論 ....................................................................................................................33致謝 ....................................................................................................................34參考文獻(xiàn) ............................................................................................................35附錄 A　 AD 與單片機(jī)接口電路 .....................................................................36附錄 B　 顯示與按鍵電路 ................................................................................37附錄 C　 控制電路與通訊電路 ........................................................................38附錄 D　 文獻(xiàn)及翻譯 ........................................................................................39哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- III -啤酒發(fā)酵過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)摘要啤酒發(fā)酵是整個(gè)啤酒生產(chǎn)過(guò)程最重要的環(huán)節(jié)，啤酒發(fā)酵罐內(nèi)的發(fā)酵溫度是決定啤酒質(zhì)量的關(guān)鍵所在。目前許多啤酒生產(chǎn)廠的啤酒發(fā)酵過(guò)程中存在著一些缺點(diǎn)：大多手工作業(yè)，缺乏精密的控制裝置，需要生產(chǎn)工人 24 小時(shí)中監(jiān)視啤酒發(fā)酵的溫度變化，根據(jù)偏差去調(diào)節(jié)冷媒的流量閥，導(dǎo)致工人的勞動(dòng)強(qiáng)度加大，溫度控制精度低，啤酒質(zhì)量也不穩(wěn)定，從溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展看，以單片機(jī)為核心構(gòu)成的微型溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)裝置已成為主要的發(fā)展方向。本論文以 89C52 單片機(jī)芯片為核心，研究和設(shè)計(jì)了數(shù)字化的啤酒發(fā)酵過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。本論文簡(jiǎn)述了啤酒發(fā)酵的工藝過(guò)程和工藝要求，介紹了89C52 單片機(jī)的原理及其他主要芯片的功能，設(shè)計(jì)出了數(shù)字化啤酒發(fā)酵過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)啤酒發(fā)酵罐上、中、下三層溫度同時(shí)檢測(cè)控制，以及啤酒發(fā)酵罐壓力的控制，同時(shí)采用對(duì)冷卻液閥門(mén)的“定頻調(diào)寬”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)啤酒發(fā)酵罐冷卻液流量的控制以保證液位穩(wěn)定在合理的位置。本文詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)原理。關(guān)鍵詞　89C52 單片機(jī)；啤酒；發(fā)酵；控制哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- IV -The computer control system of beer fermentation AbstractBeer fermentation is the most important part of the process of the whole beer production. The temperature of beer fermenter is the key of the beer quality. At present there are some disadvantages during the process of beer fermentation in many beer manufactories, and it results in the intensity of labour, the lower of precision of the the control and the unsteadiness of the beer quality. With the development of the system of temperature control, the minitype of it, constituted by single-chip microcomputer has been the major phase.Using the 89C52 single chip microcomputer as its core computer, the thesis studied and designed a digital temperature control system of beer fermentation based on digital technology. In this paper, beer ferment process and its technics were simply introduced. By introducing the basic theory of 89C52 single chip microcomputer, which used in this program, a digital temperature control system of beer fermentation was designed. The system can performs the detection and control of the temperature of three different lays (up, middle, and bottom lay) of the fermenter simultaneously. The control of the cool water volume in fermentation process was realized based on the technique of “stable frequency and adjusting wide technique”. Communication scheme between the temperature control system of single fermenter and up-grade computer was also studied in this paper. The design principle of the hardware and software of this system were provided and simulation analysis results were also introduced in this paper.Keywords　89C52 single-chip microcomputer; beer; the temperature of fermentation; control哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- V -目錄摘要…… ...............................................................................................................IAbstract................................................................................................................II第 1 章 緒論 ........................................................................................................11.1 課題背景 ...................................................................................................1第 2 章 啤酒發(fā)酵工藝及控制要求 ....................................................................22.1 啤酒發(fā)酵工藝簡(jiǎn)介 ...................................................................................22.2 系統(tǒng)的控制要求 .......................................................................................22.3 本章小結(jié) ...................................................................................................3第 3 章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) ............................................................................43.1 發(fā)酵罐測(cè)控點(diǎn)的分布及管線結(jié)構(gòu) ...........................................................43.2 檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu) ...............................................................................43.3 控制規(guī)律 ...................................................................................................53.3.1 PID 算式加特殊處理 ..........................................................................53.3.2 Smith 補(bǔ)償控制算法 ...........................................................................63.4 控制系統(tǒng)的硬件 .......................................................................................93.5 控制系統(tǒng)的軟件 .......................................................................................93.6 本章小結(jié) .................................................................................................10第 4 章 硬件電路設(shè)計(jì) ......................................................................................114.1 89C52 單片機(jī)特點(diǎn)簡(jiǎn)介 ..........................................................................114.2 主電路 .....................................................................................................124.2.1 單片機(jī)電路 ......................................................錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.2 電源的配置 ......................................................錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.3 采樣電路 ..........................................................................................124.2.4 放大電路 ..........................................................錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。4.2.5 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ...................................................................................134.3 顯示電路與按鍵 .....................................................................................164.4 控制電路 .................................................................................................164.5 本章小結(jié) .................................................................................................17第 5 章 軟件程序設(shè)計(jì) ......................................................................................185.1 概述 .........................................................................................................185.1.1 軟件設(shè)計(jì)思想 ..................................................................................185.1.2 系統(tǒng)構(gòu)成 ..........................................................................................185.1.3 系統(tǒng)中 89C52 中斷源的使用 .........................................................195.2 程序中有關(guān)參數(shù)的設(shè)定 .........................................................................205.3 主程序 MAIN .........................................................................................23哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- VI -5.3.1 主程序介紹 ......................................................................................235.3.2 掉電保護(hù) ..........................................................................................245.4 外部中斷服務(wù)子程序 JINT....................................................................255.4.1 數(shù)據(jù)采集模塊 DATA ......................................................................265.4.2 數(shù)據(jù)處理模塊 PROM......................................................................265.5 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0 中斷服務(wù)子程序 JT0...................................................285.6 按鍵處理子程序 KEY............................................................................285.7 串行中斷服務(wù)子程序 JSR......................................................................315.8 顯示子程序 DSP.....................................................................................315.9 本章小結(jié) .................................................................................................32結(jié)論 ....................................................................................................................33致謝 ....................................................................................................................34參考文獻(xiàn) ............................................................................................................35附錄 A　 主電路圖 ............................................................................................36附錄 B　 顯示與按鍵電路 ................................................................................37附錄 C　 控制電路 ............................................................................................38附錄 D　 文獻(xiàn)及翻譯 ........................................................................................39哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 1 -第 1 章 緒論1.1 課題背景我國(guó)的啤酒市場(chǎng)非常巨大，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)啤酒的企業(yè)數(shù)以百計(jì)，但與國(guó)外的主要啤酒生產(chǎn)廠家相比大部分企業(yè)技術(shù)落后，大部分處于手動(dòng)控制階段，只有極少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化。由于自動(dòng)化程度低，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)效率低，質(zhì)量也不高，能耗較大。啤酒生產(chǎn)是一個(gè)利用微生物生長(zhǎng)進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，過(guò)程參數(shù)分散性大，傳統(tǒng)操作方式難以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。近年來(lái)，國(guó)外的各大啤酒生產(chǎn)廠家紛紛進(jìn)軍中國(guó)市場(chǎng)，憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)與國(guó)內(nèi)的啤酒生產(chǎn)廠家爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額。國(guó)內(nèi)的啤酒行業(yè)迫切要求技術(shù)改造，提高生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，以確保在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。啤酒發(fā)酵是啤酒生產(chǎn)過(guò)程中最重要的一道工序，是決定啤酒質(zhì)量的關(guān)鍵的一步。按現(xiàn)在的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)周期在十五天左右，要求發(fā)酵液的溫度嚴(yán)格按照一定的工作曲線變化。溫度控制精度在±0.5℃范圍內(nèi)，這樣的控制精度單憑傳統(tǒng)的熱工儀表加上手工操作方式是完全不能滿足要求的，但目前國(guó)內(nèi)的不少生產(chǎn)廠家都是采用這種生產(chǎn)方式。這就要求生產(chǎn)工人 24 小時(shí)中監(jiān)視啤酒發(fā)酵的溫度變化，根據(jù)偏差去調(diào)節(jié)冷媒的流量閥。這種方法，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且質(zhì)量難以控制。國(guó)外的著名啤酒生產(chǎn)廠家大部分都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)縮短了生產(chǎn)周期。為此，在國(guó)內(nèi)啤酒行業(yè)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)是十分迫切的。啤酒的發(fā)酵過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度將大大地減小，同時(shí)啤酒的質(zhì)量與生產(chǎn)有望升上一個(gè)新的臺(tái)階，企業(yè)通過(guò)技術(shù)改造增加了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 2 -第 2 章 啤酒發(fā)酵工藝及控制要求2.1 啤酒發(fā)酵工藝簡(jiǎn)介啤酒發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程，通常在錐形發(fā)酵罐中進(jìn)行。在 20 多天的發(fā)酵期間，根據(jù)酵母的活動(dòng)能力和生長(zhǎng)繁殖的快慢，確定發(fā)酵給定溫度曲線，如圖 2-1 所示。要使酵母的繁殖和衰減、麥汁中糖度的消耗和雙乙酵等雜質(zhì)含量等方面達(dá)到最佳狀態(tài)，必須嚴(yán)格控制發(fā)酵各階段的溫度，使其在給定溫度的±0.5℃范圍內(nèi)。圖 2-1 發(fā)酵過(guò)程溫度工藝曲線某啤酒廠要求控制 10 個(gè) 200m3 的錐形啤酒發(fā)酵罐，這種發(fā)酵罐的內(nèi)層是用不銹鋼板焊接而成的，外層用白鐵皮包制而成的，內(nèi)層與外層中間是保溫材料和上中下三段冷卻帶，罐體由上下兩部分組成，上部分是圓柱體，下部分是圓錐體，故稱為錐形發(fā)酵罐。啤酒發(fā)酵期間，當(dāng)罐內(nèi)溫度低于給定溫度時(shí)，則要求關(guān)閉冷卻帶的閥門(mén)，使之自然發(fā)酵升溫；當(dāng)罐內(nèi)溫度高于給定溫度時(shí)，則要求接通冷卻帶的閥門(mén)，自動(dòng)的將冷酒精打入冷卻帶循環(huán)使之降溫，直至滿足工藝要求為止。另外，在發(fā)酵過(guò)程中，還需在各段工藝中實(shí)行保壓，即要求發(fā)酵罐頂部氣體壓力恒定，以保證發(fā)酵過(guò)程的正確進(jìn)行。2.2 系統(tǒng)的控制要求1. 系統(tǒng)共有 10 個(gè)發(fā)酵罐，每個(gè)罐測(cè)量 5 個(gè)參數(shù)，即發(fā)酵罐的上中下三段溫度、罐內(nèi)上部氣體的壓力和管內(nèi)發(fā)酵液（麥汁）的高度，共有 30 個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)、10 個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)、10 個(gè)液位測(cè)量點(diǎn)。因此共需檢測(cè) 50個(gè)參數(shù)。2. 自動(dòng)控制各個(gè)發(fā)酵罐中的上中下三段溫度使其按圖 2-1 所示的工藝曲線運(yùn)行，溫度控制誤差不大于±0.5℃。共有 30 個(gè)控制點(diǎn)。3. 系統(tǒng)具有自動(dòng)控制、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制、控制室遙控三種工作方式。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 3 -4. 系統(tǒng)具有掉電保護(hù)、報(bào)警、參數(shù)設(shè)置和工藝曲線修改設(shè)置功能。5. 系統(tǒng)具有表格、圖形、曲線等現(xiàn)實(shí)和打印功能。2.3 本章小結(jié)本章主要介紹了啤酒發(fā)酵工藝及控制要求，作為標(biāo)尺對(duì)本次設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 4 -第 3 章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)3.1 發(fā)酵罐測(cè)控點(diǎn)的分布及管線結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)有 10 個(gè)發(fā)酵罐，每個(gè)發(fā)酵罐上有 5 各檢測(cè)點(diǎn)和 3 個(gè)控制點(diǎn)，其中?？丈隙螠囟?TTa、中段溫度 TTb、下段溫度 TTc、罐內(nèi)上部氣體壓力 PT、液位LT、上段冷帶調(diào)節(jié)閥 TVa、中段冷帶調(diào)節(jié)閥 TVb、下段冷帶調(diào)節(jié)閥 TVc。檢測(cè)點(diǎn)與分布點(diǎn)的分布如圖 3-1 所示。圖 3-1 發(fā)酵罐的測(cè)控點(diǎn)分布及管線圖3.2 檢測(cè)裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)檢測(cè)裝置中，溫度檢測(cè)采用精密溫度傳感器 AD590；壓力檢測(cè)采用 TY-PB擴(kuò)散硅壓力變送器，輸入量程 0～1MPa，輸出 4～ 20mA；液位檢測(cè)采用 TY-PB擴(kuò)散硅液位變送器，輸入量程（差壓）為 0～1MPa ，輸出為 4～2mA。1. TY-PB 擴(kuò)散硅壓力變送器選用進(jìn)口擴(kuò)散硅壓力芯片，經(jīng)過(guò)精密的補(bǔ)償技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)。轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)輸出，可直接與二次儀表以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)檢測(cè)和控制?？蓮V泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域中的氣體、液體的壓力檢測(cè)。2. TY-PB 擴(kuò)散硅液位變送器選用進(jìn)口擴(kuò)散硅壓力芯片制成，當(dāng)外界液位發(fā)生變化時(shí)，壓力作用在不銹哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 5 -鋼隔離膜片上，通過(guò)隔離硅油傳遞到擴(kuò)散硅壓力敏感元件上引起電橋輸出電壓變化，經(jīng)過(guò)精密的補(bǔ)償技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)。該電流信號(hào)的變化正比于液位的變化。3. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇電磁閥選用強(qiáng)制先導(dǎo)式操作電磁閥主要應(yīng)用于電力工業(yè)、石化工業(yè)、蒸汽鍋爐裝置、貯罐系統(tǒng)、液化汽設(shè)備、環(huán)保行業(yè)、熱水控制系統(tǒng)、水處理裝置、共暖系統(tǒng)、管道和管線設(shè)計(jì)、飲水凈化設(shè)備和給水設(shè)備、儀表和機(jī)械工程、燃?xì)夤こ痰?。它操作安全性能好，更多選項(xiàng)、功能強(qiáng)大，強(qiáng)制先導(dǎo)式電磁閥的輔助提升機(jī)構(gòu)直接連接于執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，這是它控制方法的優(yōu)點(diǎn)。閥門(mén)的操作 0bar到最大操作壓力，這種閥門(mén)可全部用于直動(dòng)式閥門(mén)所應(yīng)用的領(lǐng)域。由于輔助提升作用，相對(duì)于直動(dòng)閥所用電磁線圈小而且功率低。氣動(dòng)執(zhí)行閥選用 W.E.Anderson 2V 系列氣動(dòng)執(zhí)行閥中的 2VB14000 型常開(kāi)氣動(dòng)執(zhí)行閥，結(jié)構(gòu)緊湊,是一種組合兩通球閥。其極小的制動(dòng)器（執(zhí)行器）容積、較短的閥門(mén)沖程結(jié)合快速發(fā)送以及積極工作（動(dòng)作）使得這種閥門(mén)在推動(dòng)膜片執(zhí)行器的響應(yīng)時(shí)間以及當(dāng)作鎖入和鎖出裝置成為了理想選擇。3.3 控制規(guī)律啤酒發(fā)酵過(guò)程中，輸入量為冷卻液流量，輸出量為發(fā)酵液溫度，由離線辨識(shí)可知，被控對(duì)象具有大慣性和純滯后特性，而且在不同發(fā)酵階段特性參數(shù)變化不大，這是確定控制規(guī)律的依據(jù)。為適應(yīng)溫度給定值為折線的情況，在恒溫段采用增值型 PI 控制算法，在升溫、降溫段采用 PID 控制算法，考慮到被控對(duì)象大慣性和純滯后的特點(diǎn)，在軟件設(shè)計(jì)中提供了施密斯（Smith）預(yù)估控制算法。3.3.1 PID 算式加特殊處理采用增量型 PID 控制算法：()(1)(2)ukAeBkCe????（3－1）其中 1//(2)/)(1()(1)22POIDODrrKTCekk?????KP，T I，T D，T O 分別為 PID 調(diào)節(jié)器的比例增益、積分時(shí)間、微分時(shí)間和采樣周期。θr(k)、θ r(k-1)、θ r(k-2)分別為第 k 個(gè)、第 k-1 個(gè)、第 k-2 個(gè)采樣周期的給定溫度。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 6 -θ(k)、θ(k-1) 、θ(k-2)分別為第 k 個(gè)、第 k-1 個(gè)、第 k-2 個(gè)采樣周期的實(shí)測(cè)溫度。其控制系統(tǒng)的方框圖如圖 3－2 所示。P I D H 0 ( S )G ( S ) e- τ sθr( k )e ( k )T 0-Δ u ( k )T 0uθ ( k )圖 3－2　PID 溫度控制系統(tǒng)方框圖3.3.2 Smith 補(bǔ)償控制算法史密斯(Smith)預(yù)估補(bǔ)償方法是預(yù)先估計(jì)出過(guò)程的基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使大延遲系統(tǒng)被延遲 τ的被調(diào)量超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而明顯地減少超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過(guò)程。其控制系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖 3－3。P I D H 0 ( S )G ( S ) e- τ sS m i t h 補(bǔ)償器G ( S ) ( 1 - e- τ s)θr( s )e ( z )T 0-U ( s )U ( z )T 0uθ ( s )++Y s ( s )θ ' ( s )圖 3－3　Smith 補(bǔ)償控制系統(tǒng)圖中 G(s)是對(duì)象除去純滯后環(huán)節(jié) e-τs以后的傳遞函數(shù)，G s (s)是 Smith 補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。若系統(tǒng)中無(wú)此補(bǔ)償器，則由調(diào)節(jié)器輸出 U(s)到被調(diào)量 θ(s)之間的傳遞函數(shù)為： ()/()ssUGe????（3－2）上式表明，受到調(diào)節(jié)器作用之后的被調(diào)量要經(jīng)過(guò)純延遲 τ滯后才能返回調(diào)節(jié)器。若采用了補(bǔ)償器，則調(diào)節(jié)量 U(s)與反饋到調(diào)節(jié)器的信號(hào) θ′ (s)之間的傳遞函數(shù)是兩個(gè)并聯(lián)通道之和，即'()/()()sse????　　　　　　　　　　　　　　 （3－3）為使調(diào)節(jié)器采集的信號(hào) θ′ (s)不至延遲 τ，則要求上式可表示為：'/sUGs???（3－4）從而被控對(duì)象視為帶純延遲的一階慣性環(huán)節(jié)，Smith 補(bǔ)償?shù)膫鬟f函數(shù)為：()(1)ssKeTS???（3－5）式中 K 為對(duì)象的增益；T 為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；τ 為純延遲時(shí)間。其相應(yīng)的差分方程為：哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 7 -()1)[()(1)]sykFHukh????　　　　　　　　　 （3－6）式中 /OiTe； /OiTKe； O??稱為延遲周期數(shù)。如果控制部分采用式(3-1)的 PID 算式，那么從圖 3－2 可知()[()]ksyk?（3－7）也就是說(shuō)，Smith 補(bǔ)償控制算式只不過(guò)是把給定溫度減去采樣溫度與補(bǔ)償器輸出ys(k)之和，作為 e(k)代入 PID 算式計(jì)算增量輸出。3.3.3 啤酒發(fā)酵過(guò)程控制的數(shù)學(xué)模型分析啤酒發(fā)酵過(guò)程中,忽略次要因素,罐內(nèi)熱平衡方程為:（3－8）式中:Q 1------發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的熱量,J/sQ2------散失的熱量 , J/sM------麥汁的總質(zhì)量,kgC------發(fā)酵罐內(nèi)麥汁的比熱容,J/(kg, )C?------發(fā)酵罐內(nèi)的溫度,??發(fā)酵罐內(nèi)反應(yīng)熱使麥汁溫度逐漸上升,發(fā)酵過(guò)程也可看成是麥汁溫度的儲(chǔ)備過(guò)程,由式（3－8）可得發(fā)酵罐內(nèi)的傳遞函數(shù)為（3－9）式中: Q------使溫度上升的反應(yīng)熱量 , J/s , Q1-Q2;???Ti----為積分時(shí)間常數(shù),s/ C?因此罐內(nèi)反應(yīng)熱是一個(gè)積分傳遞函數(shù).由以上分析可知,不加控制時(shí)罐內(nèi)溫度是積分上升的,而按照質(zhì)量要求要圖 3-4,發(fā)酵溫度控制的系統(tǒng)方框圖求完成整個(gè)發(fā)酵過(guò)程的反應(yīng),必須還要對(duì)發(fā)酵過(guò)程中麥汁的溫度進(jìn)行控制。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 8 -發(fā)酵溫度控制的系統(tǒng)方框圖見(jiàn)圖 3-7。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)冷卻水的流量來(lái)帶走多余的熱量或者保持溫升的速度。因此在溫度控制中，反應(yīng)溫度的設(shè)定值 g 是控制過(guò)程中的輸入，每隔一定的時(shí)?間段檢測(cè)到實(shí)際溫度 是控制的輸出，同時(shí)也作為閉環(huán)控制的反饋量， 經(jīng)反饋? ?調(diào)節(jié)為 f，罐內(nèi)的反應(yīng)熱 Q1 可以看作是反應(yīng)控制的干擾因素。溫度設(shè)定值與反?饋量的差值經(jīng)過(guò) PID 運(yùn)算后，控制量 UC 在冷卻水的流量上體現(xiàn)出來(lái)，罐內(nèi)的反應(yīng)熱 Q1 減去冷凝水帶走的熱量 Q2 所剩余的熱量 Q 從而是溫度升高，控制?系統(tǒng)輸出罐內(nèi)溫度。由于試驗(yàn)條件的限制，啤酒發(fā)酵麥汁的比熱容，發(fā)酵的積分時(shí)間常數(shù)、冷卻水的單位時(shí)間流量的參數(shù)不能確定，所以下面只能定性地對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。為了便于分析，溫度系統(tǒng)中冷卻水帶走的熱量 Q2、使溫度上升的反應(yīng)熱 Q 和罐內(nèi)反應(yīng)熱 Q1 都用標(biāo)么值來(lái)表示，即 Q2*， Q*和 Q1*。當(dāng)罐內(nèi)的反?應(yīng)溫度 大于溫度的設(shè)定值 g，需要降溫是，偏差 e 為負(fù)值，冷卻水流量應(yīng)與??Q2*成正比，而且 Q2*>Q1*,則 Q* 0 ?計(jì)算 A , B , CI 1 = A * E K , I 2 = B * E K 1 , I 3 = C * E K 3D E L T U = I 1 - I 2 + I 3U K = D E L T U + U K 1U K U K M ?T O F F = T CT O N = 0T O F F = 0T O N = T CU K = 0U K = U K M計(jì)算 T O N , T O F FE K 1 ? E K 2 , E K ? E K 1將 E K 1 , E K 2 , T O N , T O F F 存儲(chǔ)到本路相應(yīng)的存儲(chǔ)單返回Y圖 5－3　PID 計(jì)算子程序組成 SPID 流程圖5.5 定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0 中斷服務(wù)子程序 JT0定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T0 的使用是要利用 T0 的計(jì)時(shí)功能來(lái)達(dá)到對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的計(jì)時(shí)。在程序中將 T0 設(shè)定工作在模式 1 狀態(tài)，即 T0 作為 16 位的定時(shí)器，其定時(shí)范圍為 0～65ms，為計(jì)算方便，將 T0 作為 50ms 的定時(shí)器使用。50ms 定時(shí)到，T0 申請(qǐng)中斷。T0 的預(yù)置的計(jì)數(shù)初值是 216-50*103/1=15535=3CAF(H)。于是系統(tǒng)中的 1 秒定時(shí)是通過(guò) 20 次（TT0=20 ）的 50ms 定時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。TS 為秒計(jì)時(shí)器，TM 為分鐘計(jì)時(shí)器，TH 為小時(shí)計(jì)時(shí)器。出于掉電保護(hù)的考慮，每小時(shí)到應(yīng)將運(yùn)行時(shí)間 TH 和本次采樣周期里各檢測(cè)路的控制量存儲(chǔ)到 E2PROM24C02 中（運(yùn)行時(shí)間、三路溫度、一路壓力、液位） 。JT0 程序流程圖見(jiàn)圖 5－5。T 0 中斷服務(wù)程序 J T 0保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)T T 0 - 1T 0 置初值1 秒到 ( T T 0 = 0 ) ?1 分 到 ( T S = 6 0 ) ?1 小時(shí) 到 ( T S = 6 0 ) ?T S + 1T M + 1T H + 1調(diào)用寫(xiě)數(shù)據(jù)子程序 W R B Y T恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回YYY圖 5－5　JT0 程序流程圖哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 29 -5.6 按鍵處理子程序 KEY在查詢到有按鍵按下時(shí)，程序調(diào)用按鍵子程序。首先要先判斷出鍵號(hào)，并按照要輸入的編號(hào)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的鍵處理程序。按鍵處理程序完成參數(shù)設(shè)置，例如三層工藝曲線的溫度、時(shí)間值、各部分的 PID 參數(shù)以及密碼的輸入和系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的顯示等。另外還有功能的選擇。首先查詢 P3.7 口的電壓為高電平時(shí)，說(shuō)明有鍵按下。轉(zhuǎn)入按鍵處理子程序，其流程圖如圖 5－6。按鍵處理子程序1 0 秒定時(shí)開(kāi)始是 F U N 按 1 0 秒到了嗎NNY定時(shí)1 0 秒開(kāi)始顯示“ 0 0 0 0 0 ” 提示Y是 E N T E R 嗎運(yùn)行操作部分Y是 F U N 嗎 1 0 秒到了嗎定時(shí) 1 0 秒開(kāi)顯示“ 1 1 1 1 1 ” 提示是 E N T E R 嗎參數(shù)設(shè)定部分Y是 F U N 嗎 1 0 秒到了嗎定時(shí) 1 0 秒開(kāi)顯示“ P P P P P ” 提示調(diào) 寫(xiě)數(shù)字子程序 W R B Y T是 E N T E R 嗎P I D 參數(shù)設(shè)定部分Y是 F U N 嗎 1 0 秒到了嗎定時(shí) 1 0 秒開(kāi)顯示“ S S S S S ” 提示是 E N T E R 嗎1 0 秒到了嗎顯示運(yùn)行時(shí)間部分調(diào) 寫(xiě)數(shù)字子程序 W R B Y TY返回YNNNNNYNN YNYNNY圖 5－6　按鍵處理子程序 KEY 流程圖定時(shí) 1 0 s 開(kāi)有按鍵嗎運(yùn)行開(kāi) 運(yùn)行停止 洗滌 空罐降溫驅(qū)動(dòng)控制返 回1 0 秒到了嗎YNNY哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 30 -圖 5－6（a ）　操作指令流程部分定時(shí) 1 0 s 開(kāi)有按鍵嗎是 是 V 是 ? 是 ?返 回1 0 秒到了嗎YNNY提示輸入密碼V是密碼正確嗎當(dāng)前閃爍位當(dāng)前閃爍位當(dāng)前閃爍位當(dāng)前閃爍位保 存臨時(shí)值顯示提示定時(shí) 1 0 s 開(kāi)有按鍵嗎是 是 V 是 ? 是 ?返 回1 0 秒到了嗎YNNYV是當(dāng)前閃爍位當(dāng)前閃爍位當(dāng)前閃爍位當(dāng)前閃爍位保 存臨時(shí)值選擇圖 5－6（b）　參數(shù)設(shè)定程序流程部分哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 31 -定時(shí) 1 0 s 開(kāi)始有按鍵嗎是 是 V 是 ? 是 ?返 回1 0 秒到了嗎YNNYV是當(dāng)前閃爍位當(dāng)前閃爍位當(dāng)前閃爍位當(dāng)前閃爍位保 存臨時(shí)值選擇下一個(gè)P I D 參數(shù)顯示提示圖 5－6（c ）　PID 參數(shù)設(shè)定程序流程部分定時(shí) 2 0 s 開(kāi)始返 回？定時(shí)2 0 秒到 YN取運(yùn)行時(shí)間寄存器 T O H將 T O H 值轉(zhuǎn)換為 B C D 碼調(diào)顯示子程序圖 5－6（d）　顯示運(yùn)行時(shí)間程序流程部分5.7 串行中斷服務(wù)子程序 JSR作為從機(jī)的本設(shè)計(jì)系統(tǒng)要向主機(jī)發(fā)送對(duì)三路溫度、一路壓力、一路液位的實(shí)測(cè)值以及閥門(mén)的狀態(tài)等，從機(jī)需要接受來(lái)自主機(jī)的信息。發(fā)送數(shù)據(jù)是將單片機(jī)系統(tǒng)中從 0A0H～0ACH（12 字節(jié)）地址存放的此采樣周期里測(cè)量的三路溫度量、液位、壓力和運(yùn)行時(shí)間發(fā)送到主機(jī)；接收數(shù)據(jù)是接收從主機(jī)上設(shè)定的參數(shù)，并存入相應(yīng)的存儲(chǔ)器。這通過(guò)主從機(jī)之間的多機(jī)通訊來(lái)完成。規(guī)定主機(jī)發(fā)送的控制命令代碼為：00 表示要求從機(jī)接收數(shù)據(jù)，01 表示從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，其他為非法命令。系統(tǒng)中允許有 256 臺(tái)從機(jī)，地址代碼SLAVE（00H～FEH） 。設(shè)置從機(jī)狀態(tài)字，以表明從機(jī)的工作狀態(tài)。從機(jī)狀態(tài)字格式如下：哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 32 -5.8 顯示子程序 DSP在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中作為人機(jī)對(duì)話的另一個(gè)重要部分就是顯示器，硬件電路中使用五位 LED 作為系統(tǒng)的顯示器。其主要完成對(duì)不斷循環(huán)檢測(cè)到的三路溫度量和壓力、液位的顯示；在設(shè)定各參數(shù)時(shí)顯示所輸入的數(shù)值；在需要時(shí)顯示出此系統(tǒng)總的運(yùn)行時(shí)間；以及對(duì)各種按鍵操作的提示。作為實(shí)現(xiàn)以上功能的基本程序就是這個(gè)顯示子程序 DSP，DSPREG 作為所顯示內(nèi)容的寄存器，在需要時(shí)，將所要顯示的數(shù)值放入 DSPREG 中，調(diào)用顯示子程序 DSP 即可。LED 顯示器采用動(dòng)態(tài)顯示方式。顯示子程序 DSP 流程圖見(jiàn)圖 5－9。顯示子程序選中第一位尋 找此顯示的段需 要顯示小數(shù) 段 碼添加小數(shù)點(diǎn)將段碼送 P 0延時(shí) 5 m s選中下一位清除段碼？五位顯示完 返回尋找下一個(gè)顯示數(shù)YN圖 5－9　顯示子程序 DSP 流程圖5.9 本章小結(jié)本章就系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，并分別附以流程圖加以說(shuō)明。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 33 -結(jié)論由于時(shí)間和試驗(yàn)條件的關(guān)系，系統(tǒng)沒(méi)能進(jìn)行詳盡的測(cè)試，只是運(yùn)用MATLAB 對(duì)軟件部分進(jìn)行了簡(jiǎn)單的調(diào)試。系統(tǒng)的硬件簡(jiǎn)單，軟件豐富，調(diào)試、修改方便，可以方便的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化控制規(guī)律和多種功能，可靠性高，調(diào)試簡(jiǎn)單，可以作為一種先進(jìn)的啤酒發(fā)酵溫度控制方法來(lái)取代現(xiàn)在常用的單路檢測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)。最后，由于作者理論水平的有限和工作經(jīng)驗(yàn)的缺乏，本論文一定存在著缺點(diǎn)和不足，懇請(qǐng)各位老師、同學(xué)批評(píng)指正。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 34 -致謝在畢業(yè)設(shè)計(jì)及論文即將完成之時(shí)，謹(jǐn)向所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師和同學(xué)表示衷心的感謝。