啤酒发酵罐的温度控制设计与仿真

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1、内蒙古科技大学课程设计论文内蒙古科技大学本科生课程设计论文题目：啤酒发酵罐的温度控制设计与仿真学生姓名：张胜男学号：1167112232专业：测控技术与仪器班级：11-2指导教师：左鸿飞2014年12月14日15内蒙古科技大学课程设计论文前言过程控制课程设计是测控技术与仪器专业的实践教学环节。 本次过程控制课程设计主题为啤酒厂发酵罐温度控制系统的设计，要求我们了解发酵罐温度控制的工艺背景、设计控制方案以及仪表选型等。啤酒生产是一个利用生物加工进行生产的过程，生产周期长，过程参数分散性大，传统操作方式难以保证产品的质量。啤酒发酵对象的时变性、时滞性及其不确定性，决

2、定了发酵罐控制必须采用特殊的控制算法。 在啤酒生产过程中，糖度的控制是由控制发酵的温度来完成的，而在一定麦芽汁浓度、酵母数量和活性的条件下时间的控制也取决于发酵的温度。因此控制好啤酒发酵过程的温度及其升降速率是解决啤酒质量和生产效率的关键。 在本次啤酒发酵温度控制系统设计过程中各种工艺参数的控制采用串级控制系统实现，主要控制锥形发酵罐的中部温度，采用常规自动化仪表及装置来实现温度及其他参数的检测与控制、显示。15内蒙古科技大学课程设计论文内蒙古科技大学课程设计任务书专业测控技术与仪器时间2014年12月14日姓名张胜男指导老师左鸿飞论文题目啤酒发酵罐的温度控制设

3、计与仿真主要工艺过程啤酒发酵是一种放热的复杂生化系统，其特点是冷却麦汁进入开口发酵槽中，加入啤酒酵母，一般酵母控制发酵液温度为9-10℃左右;发酵7-10天左右，麦汁发酵成嫩啤酒。系统设计与建模用机理分析法分别建立上述各环节的数学模型。分别按单回路系统和串级系统方案构成控制系统，画出控制工艺图和系统方块图。调节器参数整定用MATLAB仿真手段，按过程控制系统调节器参数工程整定方法确定单回路系统控制器参数。仿真分析对单回路系统，在阶跃干扰作用下，通过仿真，分析比较调节器参数变化对系统的影响设计报告主要内容机理分析建模过程分析工艺流程，确定控制方案，画出控制流程图、

4、方框图，说明其工作原理。用MATLAB仿真实现单回路系统调节器参数整定的过程单回路系统的MATLAB仿真设计小结15内蒙古科技大学课程设计论文目录1.工艺简介及控制系统设计51.1.啤酒生产工艺51.2被控对象特性及控制要求51.2.1被控对象特性51.2.2被控对象的控制要求61.3啤酒发酵温控系统设计61.3.1发酵温控系统主、副被控参数的选取71.3.2主、副调节器调节规律的选择81.3.3主、副调节正、反作用方式的选择81.3.4串级系统的整定92.控制系统的建模92.1数学模型的定义及特征92.2建模应用102.3建立数学模型的目的103.系统仿真技术

5、113.1系统仿真技术概述113.2使用MATLAB对实验结果进行仿真1115内蒙古科技大学课程设计论文1.工艺简介及控制系统设计1.1.啤酒生产工艺啤酒发酵是一种放热的复杂生化系统，其特点是冷却麦汁进入开口发酵槽中，加入啤酒酵母，一般酵母控制发酵液温度为9-10℃左右;发酵7-10天左右，麦汁发酵成嫩啤酒，酵母增殖到添加量的2至4倍。后发酵又称贮酒，嫩啤酒输到贮酒室内的贮酒罐中，一般在0-3℃下贮酒42-90天，达到啤酒成熟、二氧化碳饱和与啤酒澄清的目的。贮酒期结束并过滤得清酒，即完成了整个酿造过程。简单来说啤酒发酵的工艺流程如下图1.1啤酒发酵的工艺流程图1

6、.2被控对象特性及控制要求1.2.1被控对象特性本设计的被控对象是啤酒发酵罐，被控参数是罐内麦汁的温度。罐内灌有麦汁，酵母在罐内发生化学反应而产生热量，使罐内麦汁温度上升。罐内设有三个测温点，罐的外壁设置有上、中、下三段冷却套和三台电磁阀，通过电磁阀调节冷却套内的冷媒体流量以实现对罐内麦汁温度的控制。机理分析和实验表明啤酒发酵具有如下特点：(1)非线性，酵母的化学反应复杂，即使阀开着，温度也不一定下降；15内蒙古科技大学课程设计论文(2)大时滞，发酵罐体积大，酒体通过罐壁与冷媒体进行热交换的过程比较慢，另外，冷媒体流经冷却套时，先冷却罐外围的液体，经过对流传热，

7、影响到测温点温度，因此，控制量变化后，被控量要经过一段时间(大概3min～15min，视具体情况而定)才发生变化；(3)时变性，在不同的发酵阶段，酵母活力不一样，造成酒体温度特性变化，因而输入输出就有时变性。(4)强关联：罐壁与酒体发生热传导，罐内酒体之间又发生热传导，同时不停地形成对流，因此，每一个电磁阀的动作，都会引起上中下三个温度的变化。1.2.2被控对象的控制要求本设计的被控对象是啤酒发酵罐内部麦汁的温度。图2.1.1为圆锥底发酵罐示意图，当把麦汁输送到发酵罐中之后的，酵母在罐内发生反应而产生热量，使麦汁的温度升高。在图2.1.1中设置有上、中和下三层蛇

8、形管，相应设置上、中和下