魏欣

南京信息职业技术学院（南京 210023）

随着经济的发展，人们的消费水平也逐渐提高，生活中对啤酒的需求量逐渐增多，为满足人们的生活需求，啤酒的产量也在随着需求增多而增多，现在我国已成为世界啤酒产量第一大国[1]。但是我国的啤酒生产相比世界而言也存在一些问题，例如啤酒种类少，缺乏高端产品。为此在以后的啤酒生产中要注重质量，提升口感、新鲜感，特别是要针对性解决啤酒的风味及其稳定性，这就需要加强对其杀菌过程的技术研究[2]。

啤酒杀菌的主要目的是使原啤酒中的发酵酶失活，防止啤酒在后期存储过程中发生其他的化学反应；另一个目的是杀灭啤酒中的微生物，从而保持啤酒的品质。目前国内啤酒杀菌通常采用巴氏杀菌，该杀菌方法虽然简单可靠，但PU值过高，保鲜期较短，能量消耗也过高，导致生产成本增多。随着啤酒生产技术的不断发展和设备的不断改进，高温杀菌技术以其低能源消耗、低口味影响等优点，在啤酒杀菌技术中得到非常广泛的应用。啤酒高温杀菌技术中对温度进行精确控制是非常关键的一步，目前对杀菌温度控制通常使用PID控制，传统PID控制虽然算法简单、响应速度快，但该方法由于其在控制过程中比例-积分-微分参数固定不变，很难应对非线性、时变性、参数不确定的复杂系统[3-6]。

模糊控制理论特别适用于非线性、时变、滞后、模型不完全系统的控制[7-9]。为了提高杀菌温度控制的自适应在线控制能力，将模糊控制理论与PID相结合，形成了具有自适应调节功能的模糊PID控制器，最后通过仿真分析验证了该控制方法的有效性。

1 啤酒套管杀菌系统

啤酒套管杀菌工艺流程如图1所示。该杀菌主要设备为套管式杀菌器，套管中通过的热水对壳程中的啤酒加热从而实现杀菌的目的。套管杀菌主要分为泵送系统、高温杀菌系统、板换预热系统以及冷却系统。啤酒通过送料泵将啤酒首先送入预热板换，通过对出料泵传送过来的中温啤酒进行预热，被传送到出料挂灌中存储。泵组将存储罐中的啤酒再次传送到套管式换热器中，管式换热器中通入了高温热水，通过高温热水实现啤酒在套管式换热器中的杀菌过程。杀菌完成后啤酒被出料泵传送到预热板换，再通过一个三通阀送出，送出的啤酒最终经过冷却板换进行冷却后，再被输送到啤酒灌装瓶中，从而完成啤酒的杀菌灌装。在此过程中，套管式换热器中的温度传感器将热水温度实时传送到控制器中，控制器根据此温度反馈值，通过PID实现蒸汽阀的自动控制，从而实现套管式换热器中温度的闭环自动控制。

图1 啤酒套管杀菌工艺流程

2 模糊PID温控器

啤酒温度杀菌工艺通常采用PID算法进行控制，PID控制由于算法结构简单，易实现，对控制器性能要求较低，被广泛应用于各种工业控制领域中，PID控制器结构如图2所示。PID控制器中通过比较设定目标值与实际值之间的误差，根据偏差的比例、积分、微分等线性组合，计算出PID控制器实际的输出量，通过输出量对控制对象进行控制。传统PID控制器中比例、积分、微分等参数固定不变，当系统出现扰动或者其他变化时，控制器性能便大大降低。

图2 传统PID控制器结构

模糊控制是一种非线性智能化控制方法，主要通过模糊集合、模糊逻辑、模糊推理等几部分组成，模糊控制由于不依赖于精确的数学模型，较适用于非线性、时变性的复杂系统，通过模糊控制理论，能够实现PID参数的在线自我调整[10-11]。图3为模糊PID控制器结构。其中e为目标温度与实际温度偏差，其中，ec为误差变化速率，αe、αec和βpid为速率变化因子；通过量化因子Ke、Kec以及比例因子LK(m)(m=p,i,d)对模糊控制的输出论域的实时调整。

图3 模糊PID控制器结构

模糊PID控制器输出控制量为ΔKp、ΔKi、ΔKd，根据啤酒杀菌温度的动态范围[emin,emax]、[ecmin,ecmax]、[Δkmin(m),Δkmax(m)] (m=p,i,d)，选取量化因子Ke、Kec，以及比例因子LK(m)(m=p,i,d)。模糊论域的变换表达式为：

通过加权平均法获得模糊控制器输出：

假设PID经过模糊控制调整后的参数为Kp、Ki、Kd，其值为：

则PID经过模糊调整后最终输出为

模糊控制器中的伸缩因子为：

式中：τ为常数，0＜τ＜1。

模糊控制器的伸缩程度大小：

式中：KI为比例增益因子。

3 仿真分析

啤酒套管是杀菌系统中数学模型通常为一阶时滞性系统，套管式杀菌系统数学模型为假设杀菌温度为120 ℃。为了验证设计的模糊PID控制算法的有效性，采用Matlab仿真软件对模糊PID控制器和传统PID控制进行仿真分析。仿真曲线如图4所示。

图4 传统PID和模糊PID控制仿真曲线

为了验证啤酒套管模糊PID杀菌控制系统能够应对系统中的干扰，在50 s时引入负载扰动。传统PID控制和模糊PID控制应对干扰的仿真曲线如图5所示。由图5可以看出，当出现干扰时，模糊PID控制器重新趋于收敛的时间明显短于传统PID控制，能够以较快的速度收敛到正常值。

图5 传统PID控制和模糊PID控制应对干扰的仿真曲线

4 结语

为解决啤酒套管杀菌温度控制系统的非线性、时滞性、控制精度不高等问题，首先介绍了啤酒套管杀菌工艺流程。结合模糊控制和PID控制，设计了一种基于模糊PID的啤酒杀菌温湿度控制方法。通过模糊规则实现PID参数的在线自适应调整。仿真结果表明：模糊PID控制方法相比于传统PID控制拥有更快的调节速度，能够在很短时间内使系统目标值收敛。