CN116225092A - 一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法及装置，涉及发酵领域。为解决现有技术中常规PID控制对于具有准确数学模型的控制系统效果很好，而对复杂的非线性系统的控制效果不太理想，如发酵罐温度的调节，导致每一批黄酒的口感都不尽相同的问题，本发明提供一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，包括：根据当前黄酒发酵温度，基于模糊算法调整PID控制器的输出信号，根据输出信号对黄酒发酵温度进行调整。调整PID控制器的输出信号的方法具体为：将当前温度作为模糊输入、PID控制器的上一次的输出信号作为输出，构建模糊算法模型，根据输入和输出的误差向PID控制器发送控制参数，PID控制器根据控制参数生成对应的控制信号。适合应用于黄酒的生产工作中。

Description

一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法及装置

技术领域

涉及发酵领域，具体涉及黄酒发酵。

背景技术

黄酒起源于中国，是我国的民族特产，有着悠久的酿造历史，被誉为“国酒”，文化底蕴非常深厚，与啤酒、葡萄洒一起被称作“世界三大古洒。在中华文化历史长河中，黄酒有着举足轻重的地位，是中华民族当之无愧的国粹。作为我国特有的酒种，黄洒的主要产地和消费地区都在国内，也有些销往日本、韩国等多个海外地区。近年来，随着经济的快速发展和生活水平的不断提高，黄酒行业有了飞速的发展，而且保持着较快的发展势头，在国内市场有着很大的发展空间，黄酒产业必将得到大力发展。

在黄酒行业生产和发展规模急需扩大的需求下，与啤酒、白酒等其他酒类相比，黄酒行业依然存在着不小的差距，主要体现在保证黄酒的口感以及提高黄酒生产的自动化程度，这是保证黄酒产品质量及降低生产成本所面临的关键问题，黄酒行业中普遍存在的问题主要集中在以下方面：

(1)发酵过程缺少准确的机理来进行描述，导致产品质量难以控制。黄酒的发酵过程是多种微生物共同作用形成的，这种复杂多样的生化反应使得黄酒的发酵控制难度加大。而部分黄酒企业处于传统手工作业的模式，凭借生产者的经验来判断发酵程度，研无法明确给出相关因素(比如发酵菌种、周围环境、发酵温度、湿度、pH值等)在发酵过程中的作用，在此情况下，对发酵过程建立准确的数学模型比较困难，因此导致产品质量难以保证。

(2)机械化、自动化生产技术水平偏低。目前，部分的黄酒企业在朝着机械化、自动化生产的方向发展，但总体还处于手工作坊的生产模式，并未形成综合生产与检测的控制系统，尤其是关键工艺仍旧以传统的手工操作方式为主。黄酒发酵过程的关键参数需要人工预判和控制，耗费大量的人力、物力和时间，使产量难以提升，质量难以保证，这就催生了黄酒发酵的机械化和智能化大罐生产工艺。

黄酒的机械化大罐生产具有机械化程度高、占地面积少等优点，被越来越多的大中型企业所采用，同时它也具有非线性、时滞性等缺点，传统控制方法显然无法满足控制要求，这就对发酵控制系统提出了更高的要求。在保持黄酒口味和质量、继承和发扬传统发酵工艺的基础上，充分应用当前的自动化技术、信息技术、管理科学等先进技术，实现集控制、优化、管理于一体的综合生产自动化模式，优化生产过程，形成黄酒生产的智能控制体系，加大黄酒自动化生产技术的研究力度，加快黄酒自动化生产进程，把黄酒的生产技术水平提高到一个新的层次，增大黄酒产量来满足市场需求，有着重大的意义。

国外对于发酵控制的研究相比国内要早，不论在发酵工艺还是相应的设备都要优于国内，他们研究的控制系统有着更好的稳定性，且在自动化程度、系统精度和安全性能等方面都比国内的相关研究更好。

Denac发酵过程中使用加入了P1D算法的自动控制系统，并将多种算法揉合在一起，能够使系统稳态误差降低；Murnleitner将预测控制与模糊控制相结合对发酵过程进行控制。Peter Holubar等人对采集甲烷的发酵罐进行控制，同时对甲烷采集的实时数据建立模型，结合神经模糊算法进行了可靠的控制。

德国贝朗公司研发的发酵罐采用柜式集成自动化关联控制系统，其优点是能达到对发酵总体要求进行自动化多级参数关联调节。发酵控制过程中，通过调节精度和范围，能够使温度、pH等相关参数在自动关联时出现较大的误差，从而使整个发酵过程优化，有效控制了发酵。

Odetunj等人在发酵过程变量的自动控制中引入模糊算法，结合过程变量设计了模糊控制器，通过模拟仿真得到相关参数的变化情况，进而优化系统相关参数，提高系统的控制效率，减少成本投入。Guerreiro研发了一个专为乙醇发酵的专家系统，理论计算得到的结果与实际测量值之间的差异很小，被证明具有非常高的可靠性。Jayati等人在Mond方程的基础上对发酵过程进行改进，引入遗传算法，使产量大大提高，同时使得蛋白酶的生产更为有效。陈玉凡等人在研究酵母发酵过程的控制中，对温度进行研究，基于人工智能算法建立的人工神经网络动态模型，实现了温度的智能控制，被证明有着良好的控制效果。

但是常规PID控制对于具有准确数学模型的控制系统效果很好，而对复杂的非线性系统的控制效果不太理想，如发酵罐温度的调节，导致控制精度不高且波动较大、每一批黄酒的口感都不尽相同。

发明内容

为解决现有技术中常规PID控制对于具有准确数学模型的控制系统效果很好，而对复杂的非线性系统的控制效果不太理想，如发酵罐温度的调节，导致控制精度不高切波动较大、每一批黄酒的口感都不尽相同的问题，本发明提供的技术方案为：

一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，所述方法包括：

根据当前黄酒发酵温度，基于模糊算法调整PID控制器的输出信号，根据所述输出信号对所述黄酒发酵温度进行调整。

进一步，提供一个优选实施方式，所述调整PID控制器的输出信号的方法具体为：

将当前温度作为模糊输入、所述PID控制器的上一次的输出信号作为输出，构建模糊算法模型，根据所述输入和输出的误差向所述PID控制器发送控制参数，所述PID控制器根据所述控制参数生成对应的控制信号。

进一步，提供一个优选实施方式，所述发送控制参数的具体方法具体为：将所述输入和输出的误差进行模糊化、模糊推理和解模糊，根据所述解模糊的结果，想所述PID控制器发动控制参数。

进一步，提供一个优选实施方式，所述发送控制参数的方法还包括：将所述当前黄酒发酵温度直接进行模糊化的步骤，所述直接进行模糊化的步骤与所述将输入和输出的误差进行模糊化的步骤同时进行。

进一步，提供一个优选实施方式，所述生成对应控制信号的过程还包括：将所述给定温度和所述输入和输出的误差作为输入信号，直接输入所述PID控制器的步骤，所述PID控制器根据所述所述输入信号与所述控制参数，生成对应的控制信号。

进一步，提供一个优选实施方式，所述温度传感器根据传递函数模型对采集到的温度进行处理，得到的结果作为当前黄酒发酵温度。

进一步，提供一个优选实施方式，所述传递函数模型为：

G(s)表示系统的开环传递函数，k表示增益系数，t表示之后时间，e表稳态误差，s表示直流分量，T,表示时间常数，S表示s趋于0，p指的是极点。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种黄酒发酵过程的智能温度控制装置，所述装置包括：

用于根据当前黄酒发酵温度，基于模糊算法调整PID控制器的输出信号，根据所述输出信号对所述黄酒发酵温度进行调整的模块。

基于同一发明构思，本发明还提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，所述计算机程序用于被计算机读取，使所述计算机执行所述的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法。

基于同一发明构思，本发明还提供了计算机，包括处理器和储存介质，所述储存介质用于储存计算机程序，所述计算机程序用于被处理器读取，使所述计算机执行所述的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法。

与现有技术相比，本发明提供的技术方案的有益之处在于：

本发明提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，对于复杂的非线性系统的控制效果更加出色，如发酵罐温度的调节，控制精度高，达到波动更小、使得经过该方法监控发酵的黄酒，每一批的口感相差无几。

适合应用于黄酒的生产工作中。

附图说明

图1为实施方式五提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法的控制器结构示意图；

其中，e(t)表示t时刻的误差，de/dt表示输入，ΔK_p、ΔK_D和ΔK₁表示PID控制器的控制信号；

图2为实施方式十一提到的黄酒发酵过程智能温度控制过程中，温度随时间变化的波形示意图。

具体实施方式

为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处体现得更清楚，现结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，具体的：

实施方式一、本实施方式提供了一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，所述方法包括：

根据当前黄酒发酵温度，基于模糊算法调整PID控制器的输出信号，根据所述输出信号对所述黄酒发酵温度进行调整。

实施方式二、本实施方式是对实施方式一提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法的进一步限定，所述调整PID控制器的输出信号的方法具体为：

将当前温度作为模糊输入、所述PID控制器的上一次的输出信号作为输出，构建模糊算法模型，根据所述输入和输出的误差向所述PID控制器发送控制参数，所述PID控制器根据所述控制参数生成对应的控制信号。

实施方式三、本实施方式是对实施方式二提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法的进一步限定，所述发送控制参数的具体方法具体为：将所述输入和输出的误差进行模糊化、模糊推理和解模糊，根据所述解模糊的结果，想所述PID控制器发动控制参数。

实施方式四、本实施方式是对实施方式三提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法的进一步限定，所述发送控制参数的方法还包括：将所述当前黄酒发酵温度直接进行模糊化的步骤，所述直接进行模糊化的步骤与所述将输入和输出的误差进行模糊化的步骤同时进行。

实施方式五、本实施方式是对实施方式四提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法的进一步限定，所述生成对应控制信号的过程还包括：将所述给定温度和所述输入和输出的误差作为输入信号，直接输入所述PID控制器的步骤，所述PID控制器根据所述所述输入信号与所述控制参数，生成对应的控制信号。

具体的，得到了合适的PID参数后，再对温度控制器的控制效果进行仿真验证。考虑到发酵过程的运行周期比较长，操作难度很大，所以在这里对控制算法进行概念性仿真，即缩短输入信号的变化周期和仿真时间，将输入信号由前面的阶跃信号换成随时间变化的时钟信号来模拟发酵过程中的温度变化；

作为对比，在PID温度控制器中同样将输入换成模拟发酵时温度变化的时钟数，在示波器上得到得到仿真结果。运行完模糊PID控制系统(本实施方式提供的，经过模糊算法调整后的PID控制器)后，将两种仿真曲线与标准的发酵温度变化曲线进行对比。与常规PID控制比起来，模糊PID控制的温度变化曲线跟踪性良好，超调量小。

模糊PID控制器结合模糊控制和PID控制，本实施方式采用二维模糊控制器，它包含两个输入、三个输出，工作过程是通过模糊推理来确定PID参数，并对其进行调整，达到最佳控制效果，实现对发酵罐中温度的控制，发酵温度模糊PID控制器的结构如图1所示。

作为模糊控制的第一步，它以现有的精确量为输入，经过推理生成模糊化量给下一环节使用。首先将输入量做尺度变换，换算到对应的论域上即转换成模糊集合的形式，再进行模糊化过程；

解模糊就是把前面经过模糊推理得到的模糊量作为操作对象，通过反模糊化转化成精确量，作为输出信号传输给执行机构，这就是解模糊过程。在这个过程中，首先要做的就是将模糊推理、计算得到的模糊结论通过一定的方法转化成模糊论域的精确量，然后再通过与比例因子的运算转换成实际物理控制量，得到系统出。解模糊有多种方法，以最大隶属度法、中位数法和重心法最为常用。

最大隶属度法作为解模糊方法中最简单的一种，其原则是从模糊推理得到的结果中选择模糊集合中隶属度最大的那个元素作为输出。倘若出现多个最大值，就求平均值作为输出。中位数法是找到x轴坐标和隶属度函数曲线所围成面积的均分点，求得离散论域上对应的数值。重心法与重心计算比较相近，它是将模糊推理得到的模糊集合中的各个元素分别乘以其隶属度，然后相加，再对隶属度取平均作为解模糊后的精确值，这种方法又被称作加权平均法。

实施方式六、本实施方式是对实施方式一至五任意一项提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法的进一步限定，所述温度传感器根据传递函数模型对采集到的温度进行处理，得到的结果作为当前黄酒发酵温度。

实施方式七、本实施方式是对实施方式六提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法的进一步限定，所述传递函数模型为：

G(s)表示系统的开环传递函数，k表示增益系数，t表示之后时间，e表稳态误差，s表示直流分量，T,表示时间常数，S表示s趋于0，p指的是极点。

具体的：

得到系统的响应曲线的数学模型为

实施方式八、本实施方式提供了一种黄酒发酵过程的智能温度控制装置，所述装置包括：

用于根据当前黄酒发酵温度，基于模糊算法调整PID控制器的输出信号，根据所述输出信号对所述黄酒发酵温度进行调整的模块。

实施方式九、本实施方式提供了计算机储存介质，用于储存计算机程序，所述计算机程序用于被计算机读取，使所述计算机执行实施方式一至七任意一项提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法。

实施方式十、本实施方式提供了计算机，包括处理器和储存介质，所述储存介质用于储存计算机程序，所述计算机程序用于被处理器读取，使所述计算机执行实施方式一至七任意一项提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法。

实施方式十一、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式七提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法提供一个具体的实施例，以验证本发明的优点和有益之处，具体的：

黄酒发酵是典型的分批发酵过程，可以分为前发酵和后发酵，其中前酵过程按温度变化可分为四个阶段：

a：第一阶段，即自然发酵阶段，这是发酵的初始阶段，温度自然上升，这个阶段不需要对温度进行控制，一般在8-12h后即进入下一阶段。

b：第二阶段，即主发酵阶段，在这期间，酵母繁殖能力较强，酒液中的糖分会迅速被分解成酒精和二氧化碳，同时伴随着大量发酵热的释放，因此发酵温度上升比较快，当达到32℃时，就需要进行人工降温，否则温度继续升高会杀死微生物，影响其繁殖和发酵能力。一般大罐发酵降温途径有两种，其一是通过开耙，定期向发酵罐内通入无菌空气，该方法既可以达到小范围的降温，还能使酒液中的溶氧量提高，从而增强酵母活力。其二是在发酵罐外壁包裹冷却夹套，往其中通入冷媒即可制冷。

c：第三阶段，主发酵阶段温度要保持在32℃，大概需要维持I4h左右，之后便进入第三个发酵阶段，该阶段需要在2-3天内，让发酵罐内的酒液温度缓慢降至15℃，且保持该温度值10-15h左右，前酵过程接近尾声。

d：这个阶段的发酵处于平稳状态，温度不会再有剧烈的波动，只需将温度值保持在15℃左右静置即可。

前发酵作为较复杂的发酵阶段，其中开耙主要由经验丰富的老师傅来操作，比较难控制，可控参数主要包括温度、压力及其余各状态量的初始值。前发酵的温度变化相对较复杂，一般要3-5天完成；后发酵一般需要25-30天完成，维持品温和室温在15-18℃，较为容易控制。

当在特定的时间需要进行人工降温时，通过调节阀的开度，将一定量的冷媒通入夹套对发酵罐进行制冷。其中，控制量为阀的开闭，被控量为温度。前发酵是典型的双边发酵过程，整个过程的温度都在随时间变化，主要具有以下几个特点：

(1)非线性

黄酒的发酵过程中，酵母的生化反应较为复杂，很多时候，即使所有的冷媒阀门都打开且处于最大开度，罐内的温度也不一定能均匀地降下来。

(2)时滞性

对于大部分工业控制对象来说，“延迟”几乎是普遍存在的。由于发酵罐体积较大，温度的分层和料液的对流无法避免，这便影响到测温点，在外部温度变化后，测温点处的温度不会立即发生变化，必须经过一段时间，被控量才会变化，这便造成被控量滞后控制量，因此使得黄酒发酵温度控制表现出大时滞性。

(3)时变性

黄酒发酵是一个相对漫长的过程，而且涉及很多复杂的生化反应，同时伴随着热量的释放。在不同的发酵阶段，酵一母的活性也不相同，在新陈代谢速度和生长繁拍能力上差别也很大，造成了发酵过程中酒液温度随着时间变化而变化，所以被控对象具有明显的时变性。

采用实施方式七提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法。对黄酒样发酵过程中的温度进行持续跟踪监测，结果如图2，图中可以直观看到温度的持续变化，落缸以后温度逐渐升高，升高到峰值35℃进行开耙降温，头耙以后温度升上去以后还有二耙等后续，进行黄酒工艺和温度的持续调控。通过实施方式七提供的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法可以让该过程实现全自动控制。

以上通过几个具体实施方式对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出本发明的优点和有益之处，不过以上所述的技术具体实施方式仅仅用于作为对本发明的解释和支撑，并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神和原则范围内的，对本发明的合理修改和改进，实施方式的合理组合和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，其特征在于，所述方法包括：

根据当前黄酒发酵温度，基于模糊算法调整PID控制器的输出信号，根据所述输出信号对所述黄酒发酵温度进行调整。

2.根据权利要求1所述的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，其特征在于，所述调整PID控制器的输出信号的方法具体为：

将当前温度作为模糊输入、所述PID控制器的上一次的输出信号作为输出，构建模糊算法模型，根据所述输入和输出的误差向所述PID控制器发送控制参数，所述PID控制器根据所述控制参数生成对应的控制信号。

3.根据权利要求2所述的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，其特征在于，所述发送控制参数的具体方法具体为：将所述输入和输出的误差进行模糊化、模糊推理和解模糊，根据所述解模糊的结果，想所述PID控制器发动控制参数。

4.根据权利要求3所述的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，其特征在于，所述发送控制参数的方法还包括：将所述当前黄酒发酵温度直接进行模糊化的步骤，所述直接进行模糊化的步骤与所述将输入和输出的误差进行模糊化的步骤同时进行。

5.根据权利要求4所述的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，其特征在于，所述生成对应控制信号的过程还包括：将所述给定温度和所述输入和输出的误差作为输入信号，直接输入所述PID控制器的步骤，所述PID控制器根据所述所述输入信号与所述控制参数，生成对应的控制信号。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，其特征在于，所述温度传感器根据传递函数模型对采集到的温度进行处理，得到的结果作为当前黄酒发酵温度。

7.根据权利要求6所述的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法，其特征在于，所述传递函数模型为：

G(s)表示系统的开环传递函数，k表示增益系数，t表示之后时间，e表稳态误差，s表示直流分量，T,表示时间常数，S表示s趋于0，p指的是极点。

8.一种黄酒发酵过程的智能温度控制装置，其特征在于，所述装置包括：

用于根据当前黄酒发酵温度，基于模糊算法调整PID控制器的输出信号，根据所述输出信号对所述黄酒发酵温度进行调整的模块。

9.计算机储存介质，用于储存计算机程序，其特征在于，所述计算机程序用于被计算机读取，使所述计算机执行权利要求1-7任意一项所述的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法。

10.计算机，包括处理器和储存介质，所述储存介质用于储存计算机程序，其特征在于，所述计算机程序用于被处理器读取，使所述计算机执行权利要求1-7任意一项所述的一种黄酒发酵过程的智能温度控制方法。

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