啤酒灌裝機酒缸液位控制系統的開發

　　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加壓到氣體相應飽和溶解壓力的等壓灌裝法。灌裝機的酒缸存在等壓的氣相區和液相區，酒缸液位的變化會直接影響到機器的正常運轉和機器的生產能力，以致影響啤酒的質量和產量。而灌裝機酒缸液位能否自動、精確控制又是衡量灌裝機質量好壞的關鍵環節。灌裝機酒缸液位的自動調節是灌裝機動控制部分的一個重要環節。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灌裝機酒缸液位的控制。

　　1啤酒灌裝機酒缸液位控制算法設計

　　隨著可編程控制器運行速度的不斷提高，運行功能的不斷加強，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控制。在設計PID調節功能時要盡量根據原有控制系統可編程序控制器（即已經用于閥開啟、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充的功能，兼顧系統的其它控制需要，在增加投入最小的情況下實現液位的精確控制，以得到最大的性能價格比。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合（主要通過軟件）的方式來實現。

　　目前，生產的PLC基本上都帶有PID調節模塊功能，這就大大方便了工程人員的設計，可以縮短調試周期。PID調節就是在連續的過程控制中綜合利用用P、I、D三種調節方式消除輸出與輸入的偏差，達到控制目的。 

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

　　誤差函數消失，但它的作用并不消失，只是作用的增長消失，作用增長的快慢既取決于誤差的大小，也取決于系統參數所決定的< an cla =ku>K，與T值，可以消除比例調節的靜態誤差；微分部分的調節作用是比例于誤差的變化率，因此當誤差處于一個穩定狀態，即使有誤差存在，它對系統輸出亦無影響；其次它對輸出的影響是反作用的，即反對誤差的變化，作用之大小是隨誤差變化的快慢與系統參數K，與Td有關，它的作用是減小超調，使偏差盡快消除于萌芽之中。為了在可編程控制器上實現該控制算法，必須將方程離散化，利用數學中的差分原理將方程離散化。 

　　2 啤酒發酵控制系統硬件設計

　　隨著可編程控制器智能化的迅速發展，各種控制算法的相對完善，現在的可編程控制器基本上都帶有PID模塊功能。其內置的PID模塊一般是通過軟件固化而實現的，也有的PID模塊是通過硬件實現的。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能擴充模擬量輸入輸出模塊的，具有連網通訊功能的可編程控制器（CPU芯片、輸入輸出電路、內存及電源）、一個模擬量輸入單元和一個模擬量輸出單元，開關量輸入和開關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 啤酒發酵控制系統軟件設計

　　利用可編程控制實現生產過程的閉環控制，和其它控制方式一樣，應參加用戶程序的巡回掃描，在取得采樣參數后按照PID運算規律予以處理，并將有關結果輸出以實現控制作用。 

　　4 PID液位閉環控制的仿真及參數整定 

　　PID控制算式的參數整定主要是確定采樣周期、KP、Ki、K。的取值，在PID調節過程中，系統的參數K1、Kd的取值直接影響到控制效果的好壞，PID控制算式的參數主要取決于被控對象的特性以及對控制系統動態與靜態性能的要求。

　　在自動控制理論中，PID控制參數的整定方法很多，常見的整定方法有試湊法、階躍曲線法等,但這些參數整定方法耗時較長。隨著計算機仿真技術的發展，各種仿真軟件的應用，為PID參數的整定提供了方便。利用動態仿真軟件MATLAB的SIMULINK模塊仿真技術可以對系統的情況進行仿真，并通過對仿真結果的觀察，找準控制的最佳結果,得到各控制參數的最佳值，即完成系統參數的整定工作。

　　利用控制系統仿真軟件MATLAB中的SIMULINK提供的子模塊及在其環境下編寫S函數的方法。可得出系統的控制模型。 

　　在該系統仿真模塊創建過程中，假定該全自動灌裝壓蓋機酒缸的液位設定值為250mm，該系統的其它控制參數處于正常的情況下。該控制系統由三大部分組成，即PID調節模塊（采用了傳統PID的調節方式，參考SIMULINK工具包中的P功仿真模塊設置而成）、一個VALVE模塊（用來給定閉環比例閥的預開口量，包含了一些內部比較信息）、一個系統被控對象的傳遞函數模塊（包含了該系統特有的信息，也是液位P功控制過程設計的核心所在）。

　　在仿真設計過程中，采用了變步長的仿真方法，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，也可將數據存儲到MATLAB的工作空間work印ace中，再利用繪圖命令plot畫出輸出曲線，是對某種型號全自動灌裝壓蓋機酒缸液位用PID調節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在很短的時間內就趨于穩定，因此采用PID調節來控制全自動灌裝壓蓋機酒缸的液位是切實可行的。本文應用做TLAB軟件仿真設計啤酒灌裝機酒缸液位的P功控制，其結果還可以表明：采用MATLAB軟件的S工MULINK仿真設計可以取代繁瑣的反復實驗和整定，縮短設計周期、提高設計精度。這對于提高啤酒灌裝機的灌裝精度，保證啤酒自動包裝生產線的平穩運行具有深遠的意義。 

　　5 結論

　　采用PID控制液位的方法有利于在啤酒包裝生產線控制管理系統上直接用組態的方式，利用組態軟件提供的PID模塊，將現場I/O站上采集的液位實時數據傳遞給上位機監控系統，并加以控制，有利于實現整個啤酒包裝生產線的集散控制