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基于嵌入式啤酒发酵控制器的研究

作　者: 高艳丽
导　师: 綦星光
学　校: 山东轻工业学院
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 啤酒发酵 ARM 嵌入式系统 Smith预估器 双自由度Smith预估器
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 81次
引　用: 2次
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内容摘要


在我国的食品工业中,啤酒工业是一个非常重要的产业部门。伴随着国民经济的稳定发展和人民生活水平不断提高,啤酒工业的发展异军突起。发酵过程是啤酒工业生产过程中的重要环节之一,因而啤酒发酵过程的控制至关重要。随着自动化技术的不断发展和深入应用,啤酒生产的自动化水平如何进行提高就成为了一个非常好的研究课题。本文针对已有的自动控制理论进行了分析、研究和比较,并且以啤酒发酵过程为工程背景,针对啤酒发酵过程中所存在的大时滞、时变性等特点,运用了双自由度Smith预估器控制,使整个系统具备较强的鲁棒性;为提高整个过程的控制精度及速度,硬件运用了性能/价格比高、可靠实用、技术先进的嵌入式系统。本文中啤酒发酵的自动控制系统采用集散控制系统,上位机采用PC机集中监视、管理;下位机基于ARM处理器LPC2200的嵌入式系统啤酒发酵控制系统,它具备极低的功耗、独特的加速结构、有多个定时器,并且带有A/D转换等等,从而精简了外部设备,能够提高控制的精度及速度,并且在LPC2200内采用双自由度Smith预估器控制控制策略,实现对温度的准确控制,从而提高啤酒发酵的自动化控制水平。啤酒发酵过程中,温度变化是主要因素。因此,啤酒发酵过程温度控制的好坏将直接影响啤酒质量。发酵过程具有大惯性、大时滞、非线性等特点。用传统Smith预估器难以实现及时、准确地跟踪工艺曲线的要求,并且当对象发生改变时,系统不稳定。针对啤酒发酵温度控制过程中的难点,本文引入了双自由度Smith预估器控制算法,系统具备了较强的适应能力和抗干扰能力。上位机界面的实现采用西门子研发软件WinCC。它提供了友好的人机界面和方便的操作方式,实现了数据库管理及传送、工艺参数及发酵罐温度曲线的显示(打印)、显示示意图模块、数据维护等等。上位机与下位机通信系统采用RS485传输标准。基于嵌入式的啤酒发酵控制系统,不仅可以获得良好得监控效果,而且具备维护性好、便于扩展、可靠性高、成本比较低等特点,可以满足啤酒发酵工业的需求,提高了啤酒发酵控制的自动化水平。

全文目录


摘要  8-9
ABSTRACT  9-11
第1章 绪论  11-14
  1.1 选题的目的和意义  11-12
  1.2 国内啤酒发酵自动控制系统  12-14
第2章 啤酒发酵过程工艺及被控对象的描述  14-20
  2.1 啤酒发酵过程的概述  14-15
  2.2 啤酒发酵设备简介  15-17
    2.2.1 啤酒发酵方式分类  15-16
    2.2.2 锥形发酵罐简介  16-17
  2.3 啤酒发酵过程的工艺曲线  17-18
  2.4 啤酒发酵过程的温度特性与控制要求  18-20
    2.4.1 啤酒发酵过程的温度特性分析  18-19
    2.4.2 啤酒发酵控制系统的控制要求  19-20
第3章 系统总体设计  20-24
  3.1 概述  20
  3.2 分布式控制系统  20-21
  3.3 系统的总体结构  21-24
第4章 系统硬件的设计  24-34
  4.1 温度测量与变送  24
  4.2 模／数转换与数/模转换  24-26
    4.2.1 模／数转换  24-25
    4.2.2 数/模转换  25-26
  4.3 电压/电流转换  26-28
  4.4 嵌入式系统概述  28-29
  4.5 存储器Nand-Flash 接口电路  29-30
  4.6 输入输出设计  30-32
    4.6.1 键盘电路  30-31
    4.6.2 液晶接口电路  31-32
  4.7 通讯接口设计  32
  4.8 JATG 接口电路设计  32-34
第5章 发酵过程控制算法的研究  34-50
  5.1 PID 控制  35-37
    5.1.1 模拟PID 控制  35-36
    5.1.2 数字PID 控制  36-37
    5.1.3 PID 控制器参数的整定  37
  5.2 大滞后过程中的Smith 预估补偿控制  37-39
  5.3 双自由度Smith 预估控制  39-44
    5.3.1 设定值跟踪器的设计  41-42
    5.3.2 扰动控制器的设计  42-44
  5.4 系统的仿真  44-50
    5.4.1 Matlab 软件介绍  44-45
    5.4.2 被控系统的仿真及其结果  45-50
第6章 啤酒发酵控制系统软件设计  50-61
  6.1 下位机软件设计  50-54
    6.1.1 下位机软件流程  50-51
    6.1.2 下位机通信设计  51-54
  6.2 上位机软件设计  54-61
    6.2.1 上位机软件流程  54
    6.2.2 WinCC 的概述  54-55
    6.2.3 上位机通信设计  55-58
    6.2.4 上位机界面设计  58-61
第7章 总结与展望  61-63
参考文献  63-66
致谢  66-67
附录  67-73
在学期间主要科研成果  73
  一、发表学术论文  73
  二、获奖情况  73

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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