啤酒灌装机酒缸液位控制系统的开发

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　　摘要:本文主要介绍如何实现啤酒灌装机酒缸液位的自动控制及仿真。
　　关键词:PID控制算法;可编程控制器;仿真
　　
　　1、引言
　　啤酒属于溶气的液体饮料,它所采用的灌装方法是在装料容器中预加压到气体相应饱和溶解压力下的等压灌装法。灌装机的酒缸存在等压的气相区和液相区,酒缸液位的变化会直接影响到机器的正常运转和机器的生产能力,以致影响啤酒的质量和产量。而灌装机酒缸液位能否自动、精确控制又是衡量灌装机质量好坏的关键环节。所以灌装机酒缸液位的自动调节是灌装机自动控制部分的一个重要环节。因此,研究酒缸液位的控制显得尤为重要。本文着重探讨全自动灌装机酒缸液位的控制。
　　2、啤酒灌装机酒缸液位控制算法设计
　　随着可编程控制器运行速度的不断提高,运行功能的不断加强,智能模块的不断增加,它己可以用来完成啤酒包装过程的闭环控制。在设计PID调节功能时要尽量根据原有控制系统可编程序控制器(即已经用于阀开启、灌装阀控制等控制要求的可编程控制器)的性能,充分利用其模块可以扩充的功能,兼顾系统的其它控制需要,在增加投入最小的情况下实现液位的精确控制,以得到最大的性能价格比。若原有可编程控制器带有PID功能模块(如西门子公司的S7一200系列PLC),则在硬件上只需扩展一块模拟量模块,在软件上,只需一条指令即可完成。若原有可编程控制器没有这种特殊智能功能(如欧姆龙公司的CZOOH),则可以通过软硬件结合(主要通过软件)的方式来实现。目前生产的PLC基本上都带有PID调节模块功能,这就大大方便了工程人员的设计,可以缩短调试周期。PID调节就是在连续的过程控制中综合利用用P、I、D三种调节方式消除输出与输入的偏差,达到控制目的。
　　比例部分的作用是误差函数的放大,即和误差函数成比例,随着误差函数的存在而存在;当误差函数消失后对输出的作用也立即消失。对输出影响的大小取决于比例放大系数K。及误差函数e。积分部分对输出的作用是与误差函数的大小与作用时间之乘积成比例,因此作用的时间越长其作用的影响也越大。误差函数消失,但它的作用并不消失,只是作用的增长消失,作用增长的快慢既决定于误差的大小,也决定于系统参数所决定的K,与T、值,可以消除比例调节的静态误差;微分部分的调节作用是比例于误差的变化率,因此当误差处于一个稳定状态,即使有误差存在,它对系统输出亦无影响;其次它对输出的影响是反作用的,即反对误差的变化,作用之大小是随误差变化的快慢与系统参数K,与Td有关,它的作用是减小超调,使偏差尽快消除于萌芽之中。为了在可编程控制器上实现该控制算法,必须将方程离散化,利用数学中的差分原理将方程离散化。

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　　3、啤酒发酵控制系统硬件设计
　　随着可编程控制器智能化的迅速发展,各种控制算法的相对完善,现在的可编程控制器基本上都带有PID模块功能。其内置的PID模块一般是通过软件固化而实现的,也有的PID模块是通过硬件实现的。不管采用哪种可编程控制器,其控制原理和工作过程基本上是一致的,都必须有模拟量输入模块和模拟量输出模块。其硬件部分包括一台能扩充模拟量输入输出模块的,具有连网通讯功能的可编程控制器(CPU芯片、输入输出电路、内存及电源)、一个模拟量输入单元和一个模拟量输出单元,开关量输入和开关量输出可以利用可编程控制器的基本单元上的输入、输出位。

　　4、啤酒发酵控制系统软件设计
　　利用可编程控制实现生产过程的闭环控制,和其它控制方式一样,应参加用户程序的巡回扫描,在取得采样参数后按照PID运算规律予以处理,并将有关结果输出以实现控制作用。
　　5、PID液位闭环控制的仿真及参数整定
　　PID控制算式的参数整定主要是确定采样周期、KP、Ki、K。的取值,在PID调节过程中,系统的参数K,、K,、Kd的取值直接影响到控制效果的好坏,PID控制算式的参数主要取决于被控对象的特性以及对控制系统动态与静态性能的要求。在自动控制理论中,PID控制参数的整定方法很多,常见的整定方法有试凑法、阶跃曲线法等,但这些参数整定方法耗时较长。随着计算机仿真技术的发展,各种仿真软件的应用,为PID参数的整定提供了方便。利用动态仿真软件MATLAB的SIMUL工NK模块仿真技术可以对系统的情况进行仿真,并通过对仿真结果的观察,找准控制的最佳结果,得到各控制参数的最佳值,即完成系统参数的整定工作。
　　利用控制系统仿真软件MATLAB中的SIMUL工NK提供的子模块及在其环境下编写S函数的方法。可得出系统的控制模型如图所示。
　　在该系统仿真模块创建过程中,假定该全自动灌装压盖机酒缸的液位设定值为250mm,该系统的其它控制参数处于正常的情况下。该控制系统由三大部分组成,即PID调节模块(采用了传统PID的调节方式,参考SIMULINK工具包中的P功仿真模块设置而成)、一个VALVE模块(用来给定闭环比例阀的预开口量,包含了一些内部比较信息)、一个系统被控对象的传递函数模块(包含了该系统特有的信息,也是液位P功控制过程设计的核心所在)。在仿真设计过程中,采用了变步长的仿真方法,仿真范围是0-10秒。通过示波器可观察到控制器输出的波形,也可将数据存储到MATLAB的工作空间work印ace中,再利用绘图命令plot画出输出曲线,是对某种型号全自动灌装压盖机酒缸液位用PID调节液位的所得到的仿真曲线。(Kp=10,K:=0.5,Kd=3)
　　由输出曲线可以看出系统在很短的时间内就趋于稳定,因此采用PID调节来控制全自动灌装压盖机酒缸的液位是切实可行的。本文应用做TLAB软件仿真设计啤酒灌装机酒缸液位的P功控制,其结果还可以表明:采用MATLAB软件的S工MULINK仿真设计可以取代烦琐的反复实验和整定,缩短设计周期、提高设计精度。这对于提高啤酒灌装机的灌装精度,保证啤酒自动包装生产线的平稳运行具有深远的意义。
　　6、结论
　　采用PID控制液位的方法有利于在啤酒包装生产线控制管理系统上直接用组态的方式,利用组态软件提供的PID模块,将现场I/O站上采集的液位实时数据传递给上位机监控系统,并加以控制,有利于实现整个啤酒包装生产线的集散控制。