CN101990960B - 一种茶叶杀青机及其模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种茶叶杀青机及其模糊控制方法。该方法为：采用燃烧器给茶叶杀青机的滚筒加温，T为给定的温度值，反馈值T_t为杀青机滚筒外壁当前温度值，温差E＝T_t-T，温差变化率EC＝T_t-T_t-1，模糊控制器的第一个输入量为K_e*E，模糊控制器的第二个输入量为K_C*EC；模糊控制器的输出量为U，茶叶杀青机的输入控制量为K_U*U；其中K_e、K_C、K_U分别为温差比例因子、温差变化率比例因子和控制量比例因子；所述的输入控制量K_U*U为电磁阀的电压信号即加载在电磁阀中电磁线圈的电压信号；该电磁阀用于控制燃烧器中可燃气体的流量。该茶叶杀青机及其模糊控制方法易于实施、自动化程度高以及茶叶杀青效果良好。

Description

一种茶叶杀青机及其模糊控制方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，涉及一种茶叶杀青机及其模糊控制方法，用于在绿茶初制阶段进行鲜叶杀青。

背景技术

杀青机是用来完成茶叶初制加工中杀青作业的机械。杀青是采取高温措施，散发叶内水分，钝化酶的活性，阻止酶促反应，并使鲜叶中的内含物发生一定的化学变化，从而形成绿茶的品质特征。所以在杀青过程中若锅温过低，叶温升高时间过长，会使茶多酚发生酶促反应，产生“红梗红叶”。相反，如果温度过高、叶绿素破坏较多，则导致叶色泛黄，有的甚至产生焦边、斑点，降低绿茶品质。

现有的用于茗优绿茶杀青的系列滚筒连续杀青机对人的依赖较强，需要人工准确地把握好杀青的温度，控制鲜叶的投叶量等具体工序。相关操作人员的经验以及操作熟练程度等对茶叶的杀青效果有较大影响。如操作不当，极易产生焦叶现象，严重影响茶叶的品质。另外，现有杀青机的燃烧系统一般采用普通式燃烧火排，这类火排对燃气燃烧不够充分，有着能耗大，存在安全隐患等不利因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种茶叶杀青机及其模糊控制方法，该茶叶杀青机及其模糊控制方法易于实施、自动化程度高以及杀青效果良好。

本发明的技术解决方案如下：

一种茶叶杀青机的模糊控制方法，采用燃烧器给茶叶杀青机的滚筒加温，T为给定的温度值，反馈值Tt为杀青机滚筒外壁当前温度值，温差E＝Tt-T，温差变化率EC＝Tt-Tt-1，模糊控制器的第一个输入量为Ke*E，模糊控制器的第二个输入量为KC*EC；模糊控制器的输出量为U，茶叶杀青机的输入控制量为KU*U；其中Ke、KC、KU分别为温差比例因子、温差变化率比例因子和控制量比例因子；

所述的输入控制量KU*U为电磁阀的电压信号即加载在电磁阀中电磁线圈的电压信号；该电磁阀用于控制燃烧器中可燃气体的流量。

温差E的论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，分别采用NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB共7个模糊子集来描述，NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，温差E的模糊变量采用三角形隶属度函数；

温差变化率EC的论域与输出量U的论域皆为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，其模糊子集选取与E相同。

根据权利要求2所述的茶叶杀青机的模糊控制方法，其特征在于，

采用3个燃烧器以及3个模糊控制器；3个模糊控制器分别控制3个燃烧器；茶叶杀青机的滚筒总长度为L，使用2次黄金分割法将滚筒分为三段，分别为0L～0.382L、0.382L～0.618L与0.618L～1L三段区域，3个非接触式温度传感器分别安置在每段的黄金分割点上，即0.236L、0.528L与0.764L处；3个燃烧器分别对前述三段区域实施加温操作。

一种茶叶杀青机，包括模糊控制器和给茶叶杀青机滚筒实施加温的燃烧器，在茶叶杀青机的滚筒外壁上设有温度传感器；受控于模糊控制器的用于调节燃烧器可燃气体流量的电磁阀与燃烧器连接；该茶叶杀青机采用前述的茶叶杀青机的模糊控制方法。

有益效果：

本发明采用非接触式温度传感器反馈当前杀青机滚筒外壁温度相较于现阶段茶叶杀青采用热电偶反馈温度具有测量精度高、响应时间快等优点；本发明将杀青机按黄金分割算法分为三段区域，反馈每段区域的黄金分割点上的即时温度，并采用三套独立的温度控制系统可以精确地控制杀青机的受热温度，相比较于目前市场上杀青机采用均段式温度反馈法本发明所采用的温度反馈机制所反馈的温度更加接近于整个杀青机滚筒的平均温度；本发明所采用的三段式金属红外燃烧器比普通燃烧火排燃烧更加充分、能耗更低、安全隐患小，可以有效的减低因LPG燃烧不完全而影响到茶叶的口感，本发明中金属红外燃烧器安装位置，采取电动推杆控制杀青机滚筒的倾斜度有效地保证了杀青机滚筒受热的均匀性，有效地降低目前杀青机因为滚筒受热不均而出现茶叶有焦边、斑点等现象，提高了杀青的效益与茶叶的品质。

温度控制是茶叶杀青的关键，由于茶叶杀青机滚筒的温度受青叶温度、温度及进料多少的影响，并且滚筒的热惯性较大，具有明显的非线性和时滞特性，如果采用传统的PID控制方法，很难确定精确的数学模型。而模糊控制不要求精确的数学模型，具有反应灵活、鲁棒性好、适应性强且超调量小等特点，并且不需要人工准备把握好杀青的温度与时间，控制鲜叶的投叶量等具体工序，可减低相关操作人员因为经验的不足以及操作不熟对茶叶杀青带来的负面影响。

附图说明

图1是红外线自动化茶叶杀青机的系统控制方框图；

图2是红外线自动化茶叶杀青机模糊控制方框图；

图3是模糊控制系统图；

图4是模糊控制算法的温度分布曲线图；

图5是红外线自动化茶叶杀青机结构示意图；

图6是隶属度函数示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

一套完整的红外线自动化茶叶杀青机控制系统包括人机交互界面、非接触式温度传感器、模糊控制器、电磁阀、金属红外燃烧器、报警装置、变频器、电动机、电动推杆9、杀青机支架10以及杀青机滚筒11。其中非接触式温度传感器、模糊控制器、电磁阀及金属红外燃烧器组成杀青机的加热系统。非接触式温度传感器采用欧姆龙ES1系列，其测量精度为0.5℃，响应速度为0.4秒，能较好地反馈温度即时值；模糊控制器采用西门子S7-200系列、芯片为CPU226的PLC进行自动化控制；电磁阀采用流量可调式电磁阀，其结构如下：1、阀体；2、套在阀体外部的电磁线圈；3、阀体腔中的永久磁钢；4、位于永久磁钢上方的小弹簧；5、位于永久磁钢下方的阀门。永久磁钢的极性与电磁线圈的极性相同。这样在电磁圈通以直流电后，电磁线圈可以对永久磁钢产生一个向上的斥力，斥力的大小与电磁线圈的电流大小成正比。当该斥力克服压缩的小弹簧的压力失去永久磁钢轴向向上滑动时，即可打开永久磁钢下方的阀门。电磁线圈中的电流越大，永久磁钢的向上位移也越大，阀门的开启度就越大。燃烧系统中的火排采用金属红外燃烧器，此类排相较于现阶段杀青机普遍采用的火排具有燃烧充分、热效高、节能性好及安全性能高等优势。其中，温度采样点的设置(即确定三个温度传感器的安置位置)方式为：设杀青机滚筒总长度为L(两个端点分别设为A、B)，在L上取一点C，使BC/AB＝AC/BC，此时，AC(0L～0.382L)为第一段取样区域；然后依同样方法在BC上取一点D，使BD/BC＝CD/BD得第二段取样区域CD(0.382L～0.764L)和第三段取样区域DB(0.764L～1L)；最后分别取线段AC、CD与CD的黄金分割点分别为0.236L、0.528L与0.764L作为温度传感器的安放位置；而燃烧火排则放置于此三段区域的正下方处，如此，可精准地反馈杀青机滚筒温度，使其受热均匀、升温快，控制系统灵敏度高。本发明在杀青机支架下方设有电动机与电动推杆，使其可按需要控制滚筒在杀青过程中的倾斜度。杀青机滚筒与杀青机支架用滑动滚轮连接，滑动滚轮的转速用电动机控制，从而使杀青机滚筒匀速转动；杀青机支架一头固定，一头与电动推杆相连接，电动推杆采用DTZ系列电动推杆，型号为DTZ10000，行程为200-1300mm，电动推初始行程为700mm，当电动机(该电机采用伺服电机)转动时，经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母，把电机的旋转运动变成直线运动，使电动推杆长度伸缩自如，可令与其相连的杀青机支架可向上或向上移动，从而达到控制杀青机滚筒倾斜度的目的。

本系统的控制过程是：每台杀青机配置三套相互独立的加热系统即使用三个温度传感器(P1、P2、P3)、三组燃烧器及一个控制器，控制器采用曼达尼(Mamdani)模糊控制算法，将温度传感器反馈的t时刻杀青机滚筒外壁当前温度值与给定值r(t)(即杀青最佳温度值，可根据不同的茶叶品种人工设定值的大小，本发明以绿茶杀青时所需最佳温度300℃为例说明)进行比较，得出t时刻温度的差值，另外再将t-1时刻的温度反馈值与t得到的温度反馈值进行比较得到温度的变化率作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器将输入数据经过模糊化、处理并反模糊化(采用西门子s7-200cpu226PLC编程实现，具体过程见本发明的具体实施方式)后得出模糊控制器的输出值(控制系统图见图3)，控制器根据其值的大小给电磁阀一个电流模拟量，电磁阀的电磁线圈根据输出电流的大小对永久磁钢产生一个相应大小的向上斥力，斥力的大小决定电磁阀阀门的开启大小，从而控制可燃性气体(LPG)经电磁阀流入金属红外燃烧器的气体量，来改变火势大小以达到温度控制的目的。三套加热系统根据温度传感器(P1、P2、P3)反馈的不同温度值独立控制每个燃烧火排的火势大小。

在杀青过程中，PLC比较安置在杀青机滚筒两端的两个红外线传感器(即P1、P3，其中P3一端靠近电动推杆)反馈的即时温度，如果P1反馈的温度值小于P3反馈的温度值2℃或者以上，PLC将会给电机一个正电压脉冲使电机正转，这时电动推杆行程延长，则杀青机滚筒P3一端上移。反之，如果P1反馈的温度值大于P3反馈的温度值2℃或者以上，PLC将会给电机(该电机采用伺服电机)一个负电压脉冲使电机反转，这时电动推杆行程缩短，则杀青机滚筒P3一端下移，从而方便快捷控制杀青机滚筒的倾斜度。

茶叶杀青是一个连续过程，茶叶鲜叶从进料口进入杀青机后，随着杀青机滚筒的不断旋转倾斜到了杀青机的出料口，该过程便是一次杀青过程。进料口不断有鲜叶进入杀青机，出料口也不断有青叶输出。在杀青过程中，杀青机滚筒上的三个温度采样点(P1、P2、P3，其中P1靠近进料口一端)的给定值是一个恒值，P1、P2、P3点的温度给定值依次为320℃、300℃、280℃。

在茶叶杀青前，先通过人机交互界面人工设定本次杀青茶叶品种所需的最佳温度值T，控制系统将其值保存在变量寄存器VB1中，如图2所示，变量寄存器VB2的初始值默认为室温20℃；在杀青过程中，非接触式红外传感器返回当前时刻t的杀青机滚筒外壁温度值Tt，经过温度转换模块PRG1进行数/模转换输送到PLC温度比较模块PRG2中，PRG2将T分别与Tt、Tt-1(Tt-1为上一时刻返回的温度值)进行比较得到温差E＝Tt-T和温差变化率EC＝Tt-Tt-1，分别保存在PLC累加器AC1与PLC累加器AC2中，累加器AC1与累加器AC2再分别将E与EC输送到PLC温度比较模块PRG3与PLC温度比较模块PRG4中(PRG3与PRG4中存放的是根据经验和实验结果总结出的阈值表)，检查E及EC的值是否达到模糊控制系统所设定的阈值，并根据比较结果得出量化因子Ke与Kc，分别保存于PLC变量寄存器VB3与PLC变量寄存器VB4中，PLC累加器AC3和PLC累加器AC4分别计算E与Ke与EC与Kc的乘积并保存，作为模糊计算模块PRG5的两个输入值，此过程在模糊控制中被称做模糊化。模糊计算模块PRG5中保存的是根据特定的模糊算法生成的表，通过对表的查询得到模糊结果，将模糊结果与PLC变量寄存器VB5所保存的比例因子Ku相乘(此过程在模糊控制中被称做反模糊化或者清晰化)便得到系统的输出值。将输出值经过电信号转化后便可调节电磁阀阀门大小以改变红外金属燃烧器的火势大小。在金属红外燃烧器上设有报警装置，一旦系统探测到燃烧不充分，空气中液化气的含量超标便自动报警。每台杀青机都有三台独立的温度检测、控制及燃烧系统，所以可根据各段的温度反馈值，比较其差异，给电机一个脉冲信号，通过改变电动机的转向及速度以控制杀青机滚筒的倾斜度。

本发明控制杀青机滚筒的倾斜度的实施方式是，在杀青机支架下方设有电动机与电动推杆，使其可按需要控制滚筒在杀青过程中的倾斜度。杀青机滚筒与杀青机支架用滑动滚轮连接，滑动滚轮的转速用电动机控制，从而使控制杀青机滚筒匀速转动；杀青机支架一头固定，一头与电动推杆相连接，当电动机转动时，，经齿轮减速后，带动一对丝杆螺母，把电机的旋转运动变成直线运动，可使电动推杆长度伸缩自如，在杀青过程中，PLC比较安置在杀青机滚筒两端的两个红外线传感器(即P1、P3，其中P3一端靠近电动推杆)反馈的即时温度，如果P1反馈的温度值小于P3反馈的温度值2℃或者以上，PLC将会给电机一个正电压脉冲使电机正转，这时电动推杆行程延长，则杀青机滚筒P3一端上移。反之，如果P1反馈的温度值大于P3反馈的温度值2℃或者以上，PLC将会给电机一个负电压脉冲使电机反转，这时电动推杆行程缩短，则杀青机滚筒P3一端下移，从而方便快捷控制杀青机滚筒的倾斜度。

本发明采用曼达尼(Mamdani)模糊控制算法，并在此基础上增加反馈调节环节，即基于变论域与仿人智能思想根据意误差的反馈值大小动态自调整量化因子与比例因子的值。

在模糊运算前，需要使用3个量化因子或比例因子(Ke、KC、KU)将温差和温差变化率的实际值转化为包含于模糊量论域中的值。其中Ke是将实际温差量转化为模糊输入量的量化因子，其大小决定了模糊量E的覆盖域，当Ke选择较大时，系统的超调也较大，过渡过程较长；Kc是将实际温差变化率转化为模糊量EC的量化因子，其大小决定了模糊量EC的覆盖域，当Kc选择较大时，超调量减小，但系统的响应速度变慢；KU是将模糊输出量U转换为实际输出量的比例因子，KU选择过小会使系统响应过程变长。

研究表明，Ke、KC、KU对系统的性能有着较大影响，在基本模糊控制器的基础上增加自调整机构，其基本思想为根据控制变量温差量E及温差变化率EC的变化情况实时自动调整量化因子和比例因子的大小。调整策略为：当温差量E及温差变化率EC较大时，增大Ke的值，进而缩小论域区间，有利于减少系统误差，并增大Ku的值进而增快系统响应速度；当温差量E及温差变化率EC较小时，控制系统将接近稳态，此时应适当减小Ke，加大论域区间，提高稳态精度，同时减少KU的值，以减少超调量。为了使调整规则在全论域范围内起作用，本发明采用温差量εi作为阈值，设温差量E的物理论域为[a，b]且b≠a，ΔE为某一温差阈值量，ΔE∈[a，b]，模糊论域为[-nj，nj]，则量化因子Ke＝nj/ΔE。则仿人智能调整机的控制决策如下：

If |E|＞ε₁then ΔE＝K₁。

   or

If |E|＜ε₂then ΔE＝K₂。

   or

              ……

   or

If |E|＜ε_nthen ΔE＝K_n。

其中ε1···εn是根据经验以及大量实验数据设定的阈值，K1····Kn是根据εi的值而设定的变量。例如，根据专家经验，认为系统偏差e(t)＝r(t)-c(t)的值即E大于等于ε＝20℃时就应该是语言值的最大值“PB”，E的值小于等于-20℃就是“NB”，那么偏差e(t)的论域为[-20，20]，则ΔE＝20。按一般情况nj的取值为6。则Ke的初选值为Ke＝6/20，则Ke＝0.3，根据上述控制决策，本发明设定当15＜|E|＜20时，ΔE取值15，Ke＝6/15＝0.4；由此可得|E|值不同时Ke的大小，如表1所示，其中nj皆取值为6。

表1Ke取值表

同理可确定Kc、Ku的初值，由于本发明采用的非接触式温度传感器的测量精度为0.5℃，则将在相邻两个采样时刻温差值为3℃时视为最快温升速度，nj取值为6，从而得出KC＝6/3＝2；本发明采用多路块供电装置为电磁阀提供直流电，其最大可提供电压为24V，nj值取6，则Ku＝6/24＝0.25。

本发明设定温差论域E为E＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，分别采用NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)和PB(正大)共7个模糊子集来描述，其模糊分布见图6。

其中隶属度函数uNB(x)为降半梯形分布，uPB(x)为升半梯形分布，其余为三角形分布。温差变化率论域EC与输出论域U皆为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，其模糊子集选取与E相同。其模糊控制规则表见表2。

表2模糊控制规则表

根据输入输出变量论域的设定以及上表的控制规则，使用Mamdani推理，采取中心值平均法进行反模糊化运算可得到模糊控制关系表见表3。

表3模糊控制关系表

采用Visual Studio 2005.net作为仿真平台可得出本发明所采用模糊控制算法温度颁布曲线图，见图3。从图中可以看出，本发明采用模糊控制技术对杀青机进行温度控制相较于其他温度控制方式具有升温快、超调量小、稳定性能好并且有较高的控制精度等优点。

Claims (3)

1.一种茶叶杀青机的模糊控制方法，其特征在于，采用燃烧器给茶叶杀青机的滚筒加温，T为给定的温度值，反馈值T_t为杀青机滚筒外壁当前温度值，温差E=T_t–T,温差变化率EC=T_t–T_t-1，模糊控制器的第一个输入量为K_e*E，模糊控制器的第二个输入量为K_C*EC；模糊控制器的输出量为U，茶叶杀青机的输入控制量为K_U*U；其中K_e、K_C、K_U分别为温差比例因子、温差变化率比例因子和控制量比例因子；

所述的输入控制量K_U*U为电磁阀的电压信号即加载在电磁阀中电磁线圈的电压信号；该电磁阀用于控制燃烧器中可燃气体的流量；

$K_e=\frac{n_j}{\mathrm{\ΔE}},$ n_j＝6；

△E为温差阈值；|E|值不同时Ke的取值见下表：

采用3个燃烧器以及3个模糊控制器；3个模糊控制器分别控制3个燃烧器；茶叶杀青机的滚筒总长度为L，使用2次黄金分割法将滚筒分为三段，分别为0L～0.382L、0.382L～0.618L与0.618L～1L三段区域，3个非接触式温度传感器分别安置在每段的黄金分割点上，即0.236L、0.528L与0.764L处；3个燃烧器分别对前述三段区域实施加温操作。

2.根据权利要求1所述的茶叶杀青机的模糊控制方法，其特征在于，温差E的论域为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，分别采用NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB共7个模糊子集来描述，NB、NM、NS、ZO、PS、PM和PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中和正大，温差E的模糊变量采用三角形隶属度函数；

温差变化率EC的论域与输出量U的论域皆为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，其模糊子集选取与E相同。

3.一种茶叶杀青机，其特征在于，包括模糊控制器和给茶叶杀青机滚筒实施加温的燃烧器，在茶叶杀青机的滚筒外壁上设有温度传感器；受控于模糊控制器的用于调节燃烧器可燃气体流量的电磁阀与燃烧器连接；该茶叶杀青机采用权利要求1-2任一项所述的茶叶杀青机的模糊控制方法。

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