CN105759772B - 一条双模糊控制的智能化绿茶生产线 - Google Patents

Abstract

一条双模糊控制的智能化绿茶生产线，由上料机构、传送机构、杀青机构、理条机构、烘干机构、动力传输机构、执行机构、PLC控制器、双模糊控制系统、数据采集与处理系统、Labview上位机实时监测系统等组成。双模糊控制系统调节杀青、理条、烘干电机的转速和温度，动力传输机构将变频电机的动力传动输出，整条绿茶生产线的杀青、理条、烘干机构均采用模糊控制，杀青机、理条机、烘干机各环节温度采用模糊PID控制，解决了茶叶加工温度、投叶量与杀青、理条、烘干时间实时配合的问题，输入不同等级的、不同重量的鲜叶可以输出相适应的杀青温度和时间，实现茶叶生产过程的精确控制，减少人为因素的干扰，实现绿茶的智能化生产。

Description

一条双模糊控制的智能化绿茶生产线

技术领域

本发明涉及一条茶叶生产线，更具体的来说，涉及一条采用双模糊控制的智能化绿茶生产线。

背景技术

绿茶是不经发酵工序制成的茶，以茶树鲜叶为原料，经摊放，杀青，理条做形，干燥等典型工艺制作而成的茶叶，保留了鲜叶的天然物质，含有的茶多酚、儿茶素、氨基酸等营养成分也较多，绿茶中的这些天然营养成份对防衰老、抗癌、杀菌等具有特殊效果，是其他茶类所不及的，因此，绿茶市场十分广阔。根据绿茶生产过程的具体要求，茶叶加工控制系统在完成对各设备参数准确控制的同时还要实现整条生产线各设备的协调运作。但我国的总体茶叶加工水平还处在传统的半手工，半机械化水平阶段，大多数茶叶加工企业多位于茶园附近，属于偏远山区，茶叶加工机械以单机作业为主，没有形成连续化生产，导致加工成本较高；此外，茶叶加工机械的智能化程度低，加工过程中控制茶叶在制品的质量只能凭操作人员的感觉和经验来掌握，随意性较大，很难使茶叶品质达到一致。现有茶叶加工设备的工艺参数、特别是茶叶加工过程中的温度控制不准确，投叶量和杀青、理条、烘干时间的配合不合理，导致茶叶标准化生产难度大，茶叶质量难以保证，附加值得不到体现，难以大规模推广。此外，虽然模糊控制在茶叶生产线上得到了广泛的运用，但基本都是基于某一生产环节(如杀青)的温度调节，还没有将模糊控制用于整条茶叶生产线，不能做到对茶叶加工整套设备整体进行模糊控制、实现绿茶智能化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供了一条在绿茶的全生产过程中对整套设备采用双模糊控制控制的智能化绿茶生产线，由于整个茶叶生产线各环节的加工机械均采用双模糊控制，杀青、理条、烘干等工序的各个控制点的温度控制都加入模糊PID控制，可以很好地解决茶叶加工温度的准确控制问题，以及投叶量与杀青、理条、烘干时间等相关参数实时配合的问题，实现茶叶生产过程的精确控制，能保证整个加工过程都处于接近恒温的状态中，减少人为因素的干扰，确保茶叶工业化生产的品质。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

包括：上料机构、传送机构、杀青机构、理条机构、烘干机构、动力传输机构、执行机构、PLC控制器、双模糊控制、数据采集系统、Labview上位机实时监测系统等，所述上料机构设置于所述杀青机构的旁侧，所述传送机构用于连接所述理条机构和烘干机构，所述执行机构包括电动机和加热器，所述电动机分别安装在所述杀青机构、理条机构、烘干机构、上料机构、传送机构底部，所述加热器均匀布置在所述杀青机构筒壁及理条机构、烘干机构底部；所述数据采集系统包括检测装置、信号调理装置、数据采集卡和Labview上位机程序，所述检测装置由温度传感器、重量传感器组成，所述温度传感器采用多点测量，所述重量传感器固定在所述杀青机构底部，所述数据采集卡连接所述信号调理装置和所述Labview上位机，所述PLC控制器及变频器固定在独立的电气柜中，用于调节所述杀青、理条、烘干机构底部各所述电机的转速和所述杀青、理条、烘干机构的温度，所述动力传输机构将所述电机的动力进行传动输出，所述上料机构、杀青机构、理条机构、烘干机构、检测装置、变频器、加热器、数据采集卡、Labview上位机均与所述PLC控制器连接。

进一步，所述变频器通过PLC控制器连接模拟量输出模块EM232输出频率信号，控制各电动机转速。

进一步，所述检测装置的温度检测采用Pt100作为测温元件，输出电阻值经温度变送器转换成电压值，再接入所述数据采集卡；所述检测装置的重量检测采用重量传感器，并对输出曲线进行线性补偿，精确测量投叶量。

进一步，所述加热器采用U型干烧式加热管，均匀布置在所述杀青机构筒壁及理条机构、烘干机构底部，由固态继电器控制通断，温度采用模糊PID调控，整个装置处在一个恒定的温度中。

进一步，所述数据采集卡与所述Labview上位机连接，用于读取所述温度与重量传感器检测值。

进一步，所述Labview上位机与所述PLC控制器控制模块通过串口通信，输出模糊PID调控脉冲及系统模糊控制的输出量。

进一步，所述Labview上位机程序由Labview编写，包括参数设定模块，设定杀青、理条和烘干环节的温度模糊PID控制的温度，手动输入鲜叶等级、杀青效果以及理条效果；数据采集模块，连续采集杀青机构中的鲜叶重量和各测温点温度传感器的实时温度信号；；数据处理模块，把采集到的信号转换成电压信号；数据显示模块，在Labview上位机显示界面显示各实时监测数据；杀青机构、理条机构、烘干机构的模糊控制模块，分别对杀青、理条和烘干环节进行双模糊控制；串口通信模块，串口方式将Labview上位机输出的模糊PID调控脉冲及系统模糊控制的输出量发送到PLC控制器；数据保存模块，存储生产环节所有的监测数据和控制参数，以备查询。

进一步，所述模糊控制设计由Labview中的PID and Fuzzy Logic Toolkit实现。

进一步，所述绿茶生产线双模糊控制是指对所述杀青、理条、烘干三个机构分别进行双模糊控制，即杀青环节模糊控制与温度模糊PID控制、理条环节模糊控制与温度模糊PID控制及烘干环节模糊控制与温度模糊PID控制，模糊控制的实现过程主要包括模糊化、模糊推理、决策和去模糊化三大部分，决策系统控制的输入量采集由所述NI数据采集卡与所述Labview上位机程序组成的数据采集系统实现，决策系统控制输出量的执行由西门子PLC控制器组成的控制系统实现。

本发明提供一种双模糊控制的绿茶生产线，分别对绿茶生产的三个环节进行模糊控制，涉及数据采集、模糊控制、茶叶加工等技术领域，是对茶叶智能化加工的一次大胆尝试，由于创造性地对整个绿茶加工生产线整体实行模糊控制技术，可以对茶叶的全生产过程的各环节的参数从整体上进行设置，在生产线的输入端输入不同等级的、不同质量的鲜叶后，通过智能模糊控制的处理，可以输出相适应的杀青温度和时间，不同的杀青效果也会自动匹配不同的理条频率、理条时间，从整体上有效解决茶叶加工受人为因素影响而带来茶叶品质不确定性的问题。

附图说明

图1是本发明实施方案中提供的绿茶生产线主要机械设备及其连接关系示意图；

图2是本发明实施方案中提供的绿茶生产线控制系统图；

图3是本发明实施方案中提供的Labview上位机程序界面；

图4是本发明实施方案中提供的杀青、理条、烘干机构模糊控制结构图；

图5是本发明实施方案中提供的温度模糊PID控制器结构图；

图6是本发明实施方案中提供的杀青环节模糊控制规则；

图7是本发明实施方案中提供的理条环节模糊控制规则；

图8是本发明实施方案中提供的烘干环节模糊控制规则。

具体实施方式

以下结合附图及实施方式，对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，整个绿茶生产线机械部分由杀青机构1、理条机构2、烘干机构4及传送机构3组成，茶叶在加工过程中被逐级输送，鲜叶先进入杀青机构，再依次进入理条机构、最后进入烘干机构。

如图2、3所示，所述绿茶生产线的控制系统由数据采集及控制系统硬件和Labview上位机程序两部分组成，其中所述数据采集硬件部分包括温度传感器7、重量传感器5、信号调理设备、NI数据采集卡,所述温度传感器检测到温度信号经过信号调理设备转换成电压信号，再由所述数据采集卡通信连接至所述Labview上位机；所述控制系统硬件包括西门子S7-200PLC控制器9、模拟量输出模块、变频器、电动机、固态继电器、加热器，Labview上位机通过串口输出杀青电动机频率控制参数、温度调节脉冲，理条电动机频率控制参数、温度调节脉冲，烘干电动机频率控制参数、温度调节脉冲8并传输给所述西门子S7-200PLC控制器9，所述PLC控制器9通过模拟量输出模块EM232输出频率控制信号给所述变频器，并控制所述各电动机10转速，输出脉冲用以控制固态继电器11，从而使杀青、理条、烘干各机构温度近似恒定在设定值；Labview上位机程序包括数据采集、输入、读取、显示子程序，杀青、理条、烘干环节双模糊控制子程序、串口通信子程序及数据保存子程序。前面板包括手动输入12、13和实时显示14两大模块。

如图4、5所示模糊控制的设计主要包括模糊化、模糊推理、决策和去模糊化三大部分，所述模糊控制的输入主要由NI数据采集卡与Labview上位机程序组成的数据采集系统提供，所述模糊控制的输出由西门子PLC控制器组成的控制系统实现。模糊控制设计包括杀青机构模糊控制与杀青温度模糊控制、理条机构模糊控制与理条温度模糊控制、烘干机构模糊控制与烘干温度模糊控制。下面详细介绍杀青、理条、烘干机构及温度模糊控制的设计，模糊决策实现的具体步骤如下(以杀青环节为例介绍):

以一定周期内检测的杀青机构内茶叶重量和茶叶等级作为决策系统控制的输入，茶叶等级采用0-100评分制手动输入系统；

将上述步骤(1)中测得的茶叶重量和茶叶等级按照三角隶属函数进行模糊化；

将上述步骤(2)中得出的模糊向量按照模糊规则表进行推理，得到杀青温度、杀青时间的模糊控制输出向量；

对上述步骤(3)中的两个输出量模糊控制向量用最大平均值法进行解模糊；

将杀青时间通过函数关系转换成电动机的频率通过串口发送给PLC控制器控制电机转速，输出的杀青温度作为温度模糊PID控制的温度设定值，与温度传感器检测到的温度实际值进行比较，得到温度偏差值E和温度偏差变化率EC作为温度模糊PID控制系统的输入，按上述(2)、(3)步骤得到比例(P)、微分(I)、积分(D)的模糊控制输出向量，并用最大平均法进行解模糊得到精确值作为PID控制器的输入，从而调节PID控制器输出的脉冲。

1、杀青环节模糊控制设计

一定周期内检测的杀青滚筒内鲜叶重量和鲜叶等级建立三角隶属函数法如下：

鲜叶等级和鲜叶重量分别采用5元素的模糊子集{0-20(A)、20-40(B)、40-60(C)、60-80(D)、80-100(E)}和5元素的模糊子集{少(S)、中少(MS)、中(M)、中多(MB)、多(B)}进行模糊化。

进一步，根据鲜叶的颜色深浅、光泽度明暗、纹理的粗细以及形状等项目评定鲜叶的老嫩程度，建立杀青规则如下所示：

(1)鲜叶越嫩，量越多，则杀青温度越高，杀青时间越长；

(2)鲜叶越老，量越少，则杀青温度越低，杀青时间越短；

(3)鲜叶嫩度适中，量适中，则杀青温度与杀青时间也应适中。

得出以下鲜叶等级、鲜叶重量与杀青温度、杀青时间的模糊控制规则表如附图6所示。

进一步，采用最大平均值法进行解模糊决策。

2、理条机构模糊控制过程

将杀青叶的杀青效果分为3个等级，论域为[0,100]。

其中甲等级为杀青效果最好的一个等级，分数档(30,70)，其中杀青叶效果为50时，杀青效果最佳，分数档50至30，杀青逐渐趋向不足；分数档50至70，杀青逐渐趋向过度。

乙级为杀青不足的等级，分值(0,30)，分数由0至30，杀青由严重不足逐渐向略微不足。

丙级为杀青过度分值(70，100)，杀青由稍过度趋向严重过度。

杀青效果采用3元素的模糊子集{甲、乙、丙}，用三角形隶属函数实现杀青叶杀青效果的模糊化，定义隶属函数如下：

根据专家经验，采用往复式理条机构对杀青叶进行理条处理时，U型锅槽的温度应控制在90-120℃，锅台往复频率应控制在180-220次/min为宜。根据进入理条机构杀青叶的量及杀青效果，通过经验判断，现将理条机构U型锅槽温度简称理条温度采用5元素模糊子集{低(L)、中低(ML)、中(M)、中高(MH)、高(H)}，取值范围为(90,120),采用三角形隶属函数将其模糊化。

将理条机构的锅台往复频率简称理条频率采用5元素模糊子集{低(L)、中低(ML)、中(M)、中高(MH)、高(H)}，取值范围(180,220)次/min，采用如下隶属函数将其模糊化:

进一步，根据专家经验总结理条规则如下：

(1)杀青越不足，杀青叶越多，则理条温度越高，理条频率越高；

(2)杀青越过度，杀青叶越少，则理条温度越低，理条频率越低；

(3)杀青适度，杀青叶量适中，则理条温度与频率也应适中”等。

根据上述理条规律建立理条环节模糊控制规则表如附图7所示

进一步，采用最大平均法解模糊，得出具体的杀青时间和杀青温度。

3、烘干环节模糊控制设计

将经理条机构理条做型结束后的茶叶的干湿度采用5元素模糊子集{湿(W)、中湿(MW)、中(M),中干(MD)、干(D)},论域(0,100)，数值越大，含水率越低，干燥度越高，采用三角隶属函数将其模糊化：

根据理条做型后茶叶的干湿度及投叶量，应将茶叶烘干机构的温度设置在90-120℃，烘干时间应控制在8-15分钟，由此将烘干机构的烘干温度设定为5元素模糊子集{低(L)、中低(ML)、中(M)、中高(MH)、高(H)}，论域为(90,120)，采用三角形隶属函数将其模糊化：

将烘干时间建立5元素模糊子集{短(S)，中短(MS),中(M)，中长(ME),长(E)},论域为(8,15)，采用三角形隶属函数将其模糊化：

进一步，根据专家经验总结烘干规则如下：

(1)若理条叶含水率高即湿度高且叶量大，烘干温度应偏高，烘干时间应偏长；

(2)若理条叶含水率低即湿度小且叶量小，则烘干温度应偏低，烘干时间应偏短；

(3)若理条叶含水率适中即湿度适中且叶量不多不少，则烘干温度与烘干时间也应适中。

建立烘干环节模糊控制规则表如附图8所示。

进一步，用最大平均法解模糊，得出具体的烘干时间和烘干温度。

4、绿茶生产线温度模糊PID控制实现方法如下

首先对参数进行模糊化,采用三角形模糊化的方法，设偏差E和EC的语言变量为{NL，NS，NM，Z，PS，PM，PL},分别代表:负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，所控制茶叶生产线加工机械的加热系统均属大惯性系统，根据经验将偏差E的论域设为[－15，15]。可以采用三角形隶属函数实现温度参数的模糊化。

定义隶属函数如下：

进一步，根据PID算法，总结PID整定规律如下：

比例系数Kp作用与误差同步，系数越大，系统反应越灵敏,K_P增加，上升时间减少，超调量增大；但K_P过大，易产生超调，甚至导致系统不稳定。K_P取值过小，则会使响应速度变缓，从而延长调节时间，使系统的动静态性能变坏。

(2)积分调节的作用是消除系统的稳态误差，积分系数越小，积分作用越明显,但积分系数过大会在响应过程的初期阶段产生积分饱和现象，产生较大超调；但积分系数过小，系统的稳态误差将难以消除，影响调节精度。

(3)微分调节的作用是改善系统的动态特性，在响应过程中抑制偏差向任何方向变化，对偏差的变化进行提前调节。微分系数越大，微分的作用越强，但K_D过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，降低系统的抗干扰能力。

(4)当系统输出的温度超过设定值时，适当减小K_I，当上升时间大于要求时，增大K_I；在稳态时，系统输出产生波动现象，适当增大K_D，当系统对干扰信号反应灵敏，适当减小K_D；上升时间过长，增大K_P,系统输出发生振荡现象，减小K_P。

根据PID参数整定规律，通过计算的误差E和误差的变化率EC进行模糊推理。建立针对模糊控制的输出ΔKp，ΔK_I，ΔK_D的模糊控制规则表。

进一步，选用最大平均值法进行解模糊，得出PID控制参数。以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一条双模糊控制的智能化绿茶生产线，其特征在于，包括：上料机构、传送机构、杀青机构、理条机构、烘干机构、动力传输机构、执行机构、PLC控制器、双模糊控制系统、数据采集系统、Labview上位机实时监测系统；所述传送机构用于连接所述理条机构和烘干机构；所述执行机构包括电动机和加热器，所述电动机分别安装在杀青机构、理条机构、烘干机构、上料机构、传送机构底部，所述加热器均匀布置在所述杀青机构筒壁及理条机构、烘干机构底部；所述数据采集系统包括检测装置、信号调理装置、数据采集卡和Labview上位机程序，所述检测装置由温度传感器、重量传感器组成，温度传感器采用多点布置，重量传感器固定在杀青机构底部，数据采集卡连接信号调理装置和Labview上位机；所述PLC控制器及变频器固定在独立的电气柜中，用于调节所述杀青机构、理条机构、烘干机构底部各所述电动机的转速和所述杀青机构、理条机构、烘干机构的温度；动力传输机构将电动机的动力进行传动输出；所述上料机构、杀青机构、理条机构、烘干机构、检测装置、变频器、加热器、数据采集卡、Labview上位机均与所述PLC控制器连接；

所述双模糊控制系统对杀青机构、理条机构、烘干三个机构分别进行双模糊控制，即杀青环节模糊控制与温度模糊PID控制、理条环节模糊控制与温度模糊PID控制及烘干环节模糊控制与温度模糊PID控制，模糊控制的实现过程包括模糊化、模糊推理、决策和去模糊化三大部分，决策系统控制的输入量采集由NI数据采集卡与Labview上位机程序组成的数据采集系统实现，决策系统控制的输出量执行由西门子PLC控制器组成的控制系统实现；

模糊决策实现的具体步骤如下:

(1)以一定周期内检测的杀青滚筒内鲜叶重量和鲜叶等级作为决策系统控制的输入，鲜叶等级采用0-100评分制手动输入系统；

(2)将上述步骤中的鲜叶重量和鲜叶等级按照三角隶属函数进行模糊化得到模糊向量；

(3)将上述步骤中的模糊向量按照模糊规则表进行推理，得到杀青温度、杀青时间的模糊控制输出向量；

(4)对上述步骤中的两个输出模糊控制向量用最大平均值法进行解模糊；

将杀青时间通过函数关系转换成电动机的频率通过串口发送给PLC控制器控制电动机转速，输出的杀青温度作为温度模糊PID控制的温度设定值，与温度传感器检测到的温度实际值进行比较，得到温度偏差值E和温度偏差变化率EC作为温度模糊PID控制系统的输入，按上述(2)、(3)步骤得到比例(P)、微分(I)、积分(D)的模糊控制输出向量，并用最大平均法进行解模糊得到精确值作为PID控制器的输入，从而调节PID控制器输出的脉冲。

2.如权利要求1所述的智能化绿茶生产线，其特征在于，所述电动机由变频器控制，通过PLC控制器连接模拟量输出模块EM232输出频率信号，控制各电动机转速。

3.如权利要求1所述的智能化绿茶生产线，其特征在于，所述检测装置包括温度检测和重量检测，温度检测采用Pt100作为测温元件，输出电阻值经温度变送器转换成电压值，再接入数据采集卡，重量检测采用重量传感器，对输出曲线进行线性补偿，精确测量投叶量。

4.如权利要求1所述的智能化绿茶生产线，其特征在于，所述加热器采用U型干烧式加热管，由固态继电器控制通断，温度采用模糊PID调控，整个装置处在一个恒定的温度中。

5.如权利要求1所述的智能化绿茶生产线，其特征在于，所述数据采集卡与所述Labview上位机连接，用于读取温度与重量传感器检测值。

6.如权利要求1所述的智能化绿茶生产线，其特征在于，所述Labview上位机程序包括参数设定模块，设定杀青、理条和烘干环节的温度模糊PID控制的温度，手动输入的鲜叶等级、杀青叶效果和理条叶效果，数据连续采集模块，连续采集杀青机构中的鲜叶重量和各测温点温度传感器的实时温度信号；数据处理模块，把采集到的信号转换成电压信号；数据显示模块，在Labview上位机显示界面显示各实时监测数据；杀青机构、理条机构、烘干机构的模糊控制模块，分别对杀青、理条和烘干环节进行双模糊控制；串口通信模块，串口方式将Labview上位机输出的模糊PID调控脉冲及系统模糊控制的输出量发送到PLC控制器；数据保存模块，存储生产环节所有的监测数据和控制参数，以备查询。

7.如权利要求6所述的智能化绿茶生产线，其特征在于，所述模糊控制设计由Labview中的PID and Fuzzy Logic Toolkit实现。

8.如权利要求1所述智能化绿茶生产线，其特征在于，所述模糊控制按如下方法在一定周期内检测的杀青滚筒内鲜叶重量和鲜叶等级间建立连续型三角隶属函数：

鲜叶等级和鲜叶重量分别采用5元素的模糊子集{0-20(A)、20-40(B)、40-60(C)、60-80(D)、80-100(E)}和5元素的模糊子集{少(S)、中少(MS)、中(M)、中多(MB)、多(B)}进行模糊化。