啤酒灌裝機(jī)酒缸液位控制系統(tǒng)的開發(fā)

　　啤酒屬于溶氣的液體飲料，它所采用的灌裝方法是在裝料容器中預(yù)加壓到氣體相應(yīng)飽和溶解壓力的等壓灌裝法。灌裝機(jī)的酒缸存在等壓的氣相區(qū)和液相區(qū)，酒缸液位的變化會(huì)直接影響到機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和機(jī)器的生產(chǎn)能力，以致影響啤酒的質(zhì)量和產(chǎn)量。而灌裝機(jī)酒缸液位能否自動(dòng)、精確控制又是衡量灌裝機(jī)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。灌裝機(jī)酒缸液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)是灌裝機(jī)動(dòng)控制部分的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，研究酒缸液位的控制顯得尤為重要。筆者著重探討全自動(dòng)灌裝機(jī)酒缸液位的控制。

　　1啤酒灌裝機(jī)酒缸液位控制算法設(shè)計(jì)

　　隨著可編程控制器運(yùn)行速度的不斷提高，運(yùn)行功能的不斷加強(qiáng)，智能模塊的不斷增加，它已可以用來完成啤酒包裝過程的閉環(huán)控制。在設(shè)計(jì)PID調(diào)節(jié)功能時(shí)要盡量根據(jù)原有控制系統(tǒng)可編程序控制器（即已經(jīng)用于閥開啟、灌裝閥控制等控制要求的可編程控制器）的性能，充分利用其模塊可以擴(kuò)充的功能，兼顧系統(tǒng)的其它控制需要，在增加投入最小的情況下實(shí)現(xiàn)液位的精確控制，以得到最大的性能價(jià)格比。若原有可編程控制器帶有PID功能模塊（如西門子公司的S7一200系列PLC），則在硬件上只需擴(kuò)展一塊模擬量模塊，在軟件上，只需一條指令即可完成。若原有可編程控制器沒有這種特殊智能功能（如歐姆龍公司的CZOOH），則可以通過軟硬件結(jié)合（主要通過軟件）的方式來實(shí)現(xiàn)。

　　目前，生產(chǎn)的PLC基本上都帶有PID調(diào)節(jié)模塊功能，這就大大方便了工程人員的設(shè)計(jì)，可以縮短調(diào)試周期。PID調(diào)節(jié)就是在連續(xù)的過程控制中綜合利用用P、I、D三種調(diào)節(jié)方式消除輸出與輸入的偏差，達(dá)到控制目的。 

　　比例部分的作用是誤差函數(shù)的放大，即和誤差函數(shù)成比例，隨著誤差函數(shù)的存在而存在；當(dāng)誤差函數(shù)消失后對(duì)輸出的作用也立即消失。對(duì)輸出影響的大小取決于比例放大系數(shù)K。及誤差函數(shù)e。積分部分對(duì)輸出的作用是與誤差函數(shù)的大小與作用時(shí)間之乘積成比例，因此作用的時(shí)間越長(zhǎng)其作用的影響也越大。

　　誤差函數(shù)消失，但它的作用并不消失，只是作用的增長(zhǎng)消失，作用增長(zhǎng)的快慢既取決于誤差的大小，也取決于系統(tǒng)參數(shù)所決定的< an cla =ku>K，與T值，可以消除比例調(diào)節(jié)的靜態(tài)誤差；微分部分的調(diào)節(jié)作用是比例于誤差的變化率，因此當(dāng)誤差處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，即使有誤差存在，它對(duì)系統(tǒng)輸出亦無影響；其次它對(duì)輸出的影響是反作用的，即反對(duì)誤差的變化，作用之大小是隨誤差變化的快慢與系統(tǒng)參數(shù)K，與Td有關(guān)，它的作用是減小超調(diào)，使偏差盡快消除于萌芽之中。為了在可編程控制器上實(shí)現(xiàn)該控制算法，必須將方程離散化，利用數(shù)學(xué)中的差分原理將方程離散化。 

　　2 啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　隨著可編程控制器智能化的迅速發(fā)展，各種控制算法的相對(duì)完善，現(xiàn)在的可編程控制器基本上都帶有PID模塊功能。其內(nèi)置的PID模塊一般是通過軟件固化而實(shí)現(xiàn)的，也有的PID模塊是通過硬件實(shí)現(xiàn)的。不管采用哪種可編程控制器，其控制原理和工作過程基本上是一致的，都必須有模擬量輸入模塊和模擬量輸出模塊。其硬件部分包括一臺(tái)能擴(kuò)充模擬量輸入輸出模塊的，具有連網(wǎng)通訊功能的可編程控制器（CPU芯片、輸入輸出電路、內(nèi)存及電源）、一個(gè)模擬量輸入單元和一個(gè)模擬量輸出單元，開關(guān)量輸入和開關(guān)量輸出可以利用可編程控制器的基本單元上的輸入、輸出位。 

　　3 啤酒發(fā)酵控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　利用可編程控制實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的閉環(huán)控制，和其它控制方式一樣，應(yīng)參加用戶程序的巡回掃描，在取得采樣參數(shù)后按照PID運(yùn)算規(guī)律予以處理，并將有關(guān)結(jié)果輸出以實(shí)現(xiàn)控制作用。 

　　4 PID液位閉環(huán)控制的仿真及參數(shù)整定 

　　PID控制算式的參數(shù)整定主要是確定采樣周期、KP、Ki、K。的取值，在PID調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)的參數(shù)K1、Kd的取值直接影響到控制效果的好壞，PID控制算式的參數(shù)主要取決于被控對(duì)象的特性以及對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能的要求。

　　在自動(dòng)控制理論中，PID控制參數(shù)的整定方法很多，常見的整定方法有試湊法、階躍曲線法等,但這些參數(shù)整定方法耗時(shí)較長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，各種仿真軟件的應(yīng)用，為PID參數(shù)的整定提供了方便。利用動(dòng)態(tài)仿真軟件MATLAB的SIMULINK模塊仿真技術(shù)可以對(duì)系統(tǒng)的情況進(jìn)行仿真，并通過對(duì)仿真結(jié)果的觀察，找準(zhǔn)控制的最佳結(jié)果,得到各控制參數(shù)的最佳值，即完成系統(tǒng)參數(shù)的整定工作。

　　利用控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB中的SIMULINK提供的子模塊及在其環(huán)境下編寫S函數(shù)的方法。可得出系統(tǒng)的控制模型。 

　　在該系統(tǒng)仿真模塊創(chuàng)建過程中，假定該全自動(dòng)灌裝壓蓋機(jī)酒缸的液位設(shè)定值為250mm，該系統(tǒng)的其它控制參數(shù)處于正常的情況下。該控制系統(tǒng)由三大部分組成，即PID調(diào)節(jié)模塊（采用了傳統(tǒng)PID的調(diào)節(jié)方式，參考SIMULINK工具包中的P功仿真模塊設(shè)置而成）、一個(gè)VALVE模塊（用來給定閉環(huán)比例閥的預(yù)開口量，包含了一些內(nèi)部比較信息）、一個(gè)系統(tǒng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)模塊（包含了該系統(tǒng)特有的信息，也是液位P功控制過程設(shè)計(jì)的核心所在）。

　　在仿真設(shè)計(jì)過程中，采用了變步長(zhǎng)的仿真方法，仿真范圍是0—10秒。通過示波器可觀察到控制器輸出的波形，也可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到MATLAB的工作空間work印ace中，再利用繪圖命令plot畫出輸出曲線，是對(duì)某種型號(hào)全自動(dòng)灌裝壓蓋機(jī)酒缸液位用PID調(diào)節(jié)液位的所得到的仿真曲線。（Kp=10，K=0.5，Kd=3）  　由輸出曲線可以看出系統(tǒng)在很短的時(shí)間內(nèi)就趨于穩(wěn)定，因此采用PID調(diào)節(jié)來控制全自動(dòng)灌裝壓蓋機(jī)酒缸的液位是切實(shí)可行的。本文應(yīng)用做TLAB軟件仿真設(shè)計(jì)啤酒灌裝機(jī)酒缸液位的P功控制，其結(jié)果還可以表明：采用MATLAB軟件的S工MULINK仿真設(shè)計(jì)可以取代繁瑣的反復(fù)實(shí)驗(yàn)和整定，縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)精度。這對(duì)于提高啤酒灌裝機(jī)的灌裝精度，保證啤酒自動(dòng)包裝生產(chǎn)線的平穩(wěn)運(yùn)行具有深遠(yuǎn)的意義。 

　　5 結(jié)論

　　采用PID控制液位的方法有利于在啤酒包裝生產(chǎn)線控制管理系統(tǒng)上直接用組態(tài)的方式，利用組態(tài)軟件提供的PID模塊，將現(xiàn)場(chǎng)I/O站上采集的液位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并加以控制，有利于實(shí)現(xiàn)整個(gè)啤酒包裝生產(chǎn)線的集散控制