基于模糊控制的巖茶做青系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉江平 - 金心怡 -

(1. 廈門(mén)工學(xué)院機(jī)械工程系，福建 廈門(mén) 361021；2. 福建農(nóng)林大學(xué)園藝學(xué)院，福建 福州 350002)

武夷巖茶的制作工序是茶青通過(guò)萎凋、做青、殺青、揉捻、烘干、毛火、足火，最后形成毛茶。其中做青這一工序是形成綠葉紅鑲邊、花果香味的關(guān)鍵，其流程為：吹風(fēng)—搖青(滾筒轉(zhuǎn)動(dòng))—晾青(靜置)，并以此為周期，循環(huán)進(jìn)行。吹風(fēng)工藝能促進(jìn)青葉水分和熱氣的散發(fā)，吹風(fēng)時(shí)間由多到少，一般不超過(guò)50 min[1]；搖青工藝是通過(guò)機(jī)械力作用，使茶青發(fā)生旋轉(zhuǎn)、摩擦、葉緣組織損傷，使梗中水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)往葉肉細(xì)胞輸送，加強(qiáng)氧化還原酶的活性，搖青時(shí)間由少到多，一般不超過(guò)30 min[1]；晾青工藝使多酚類(lèi)化合物酶促氧化，茶葉內(nèi)含物逐步轉(zhuǎn)化，青草味散失，香氣顯露，晾青時(shí)間由少到多，一般不超過(guò)60 min[1]；經(jīng)多次反復(fù)達(dá)到做青要求，做青適度的葉子，葉脈透明，葉面黃亮，青氣消失，發(fā)出濃烈的花香。

研究[2]表明，武夷巖茶品質(zhì)的形成受溫度、濕度環(huán)境因素影響。做青溫度影響巖茶香氣和滋味的形成。高溫(29 ℃)做青芳香物質(zhì)種類(lèi)少、精油總量低，特征組分含量低；中溫(25 ℃)做青芳香物質(zhì)種類(lèi)多,精油總量、特征組分含量高[3]；低溫(15 ℃)酶促作用停止，溫度越低，化學(xué)反應(yīng)速度越慢。空氣相對(duì)濕度是影響巖茶品質(zhì)的又一重要因素。做青環(huán)境相對(duì)濕度75%左右的毛茶香氣高且持久，做青芳香物質(zhì)種類(lèi)多，精油總量高，特征組分含量高[4]，而當(dāng)相對(duì)濕度太高(90%以上)或相對(duì)濕度太低(60%以下)時(shí)，做青葉的芳香物質(zhì)種類(lèi)少，精油總量低，特征組分合量低。武夷巖茶做青控制常通過(guò)人工輔助調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，加工品質(zhì)并不穩(wěn)定。即便是同一批次巖茶毛茶原料，但因師傅和加工環(huán)境的不同，制作出的茶葉品質(zhì)也可能存在較大差異[5]。為此，陳孝照[6]設(shè)計(jì)了烏龍茶連續(xù)做青自動(dòng)控制系統(tǒng)，但尚不能實(shí)現(xiàn)對(duì)做青環(huán)境參數(shù)的在線反饋控制；何靜等[7]設(shè)計(jì)了武夷巖茶做青機(jī)智能溫控系統(tǒng)，將溫度作為單一影響因子，未充分考慮武夷巖茶品質(zhì)的形成受溫度、濕度等多個(gè)環(huán)境因子的綜合影響；曹成茂等[8]將模糊控制技術(shù)應(yīng)用在綠茶殺青的恒溫控制，通過(guò)檢測(cè)綠茶殺青中的鮮葉投葉量和鮮葉等級(jí)，應(yīng)用模糊控制決策，實(shí)時(shí)調(diào)整綠茶殺青機(jī)的殺青時(shí)間和殺青溫度，因不同茶類(lèi)的加工工藝不同、不同工藝的茶葉品質(zhì)影響因素不同，不適用作為巖茶的做青控制策略。

試驗(yàn)擬提出一種基于上位機(jī)專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)的巖茶做青控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以做青過(guò)程的溫濕度變化對(duì)茶葉品質(zhì)的影響為依據(jù)，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論和控制思想，設(shè)計(jì)搖(晾)青模糊控制器，下位機(jī)采集的溫度、濕度參數(shù)為輸入變量，搖(晾)青時(shí)間為輸出變量，調(diào)整做青工藝。

1 巖茶做青模糊控制系統(tǒng)

滾筒做青機(jī)是目前福建閩北茶區(qū)普遍使用的做青機(jī)械，具有萎凋、搖青、晾青等多種功能。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1. 風(fēng)機(jī) 2. 可調(diào)進(jìn)風(fēng)門(mén) 3. 電控箱 4. 電加熱裝置 5. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 6. 進(jìn)出茶門(mén) 7. 滾筒 8. 通風(fēng)管 9. 觀察窗 10. 機(jī)架 11. 電動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)亦選擇滾筒做青機(jī)，采用“吹風(fēng)—搖青—晾青”做青工藝，根據(jù)茶樹(shù)品種、季節(jié)、氣候、鮮葉嫩度、采摘時(shí)段、萎凋程度，通過(guò)上位機(jī)專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)出與之相配套的做青工藝參數(shù)，以專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)的溫、濕度為依據(jù)，采集做青現(xiàn)場(chǎng)各階段的溫、濕度，將溫、濕度偏差作為搖(晾)青模糊控制器的兩個(gè)輸入量，經(jīng)模糊量化處理、模糊推理和模糊判決輸出搖(晾)青時(shí)間改變值，控制搖青機(jī)、風(fēng)機(jī)的啟閉，調(diào)整搖(晾)青時(shí)間，完成做青過(guò)程的模糊控制，達(dá)到“看天做青”的效果，做青模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 做青模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制分析與決策

影響做青質(zhì)量的環(huán)境因素有溫度和相對(duì)濕度[9]。張方舟等[10]發(fā)現(xiàn)，做青溫度低、濕度高，茶葉失水慢，應(yīng)重?fù)u(增加搖青時(shí)間)；做青溫度高、濕度低，茶葉失水快，應(yīng)輕搖(減少搖青時(shí)間)。蔡金福等[11]發(fā)現(xiàn)，夏季氣溫高，宜縮短搖、晾青時(shí)間；秋季氣溫低，濕度低，酶促氧化減慢而茶葉失水快，搖青時(shí)間宜延長(zhǎng)，晾青時(shí)間宜縮短。

綜上，溫度直接影響青葉的發(fā)酵進(jìn)程，而做青相對(duì)濕度影響青葉水分散發(fā)和走水速度，因此試驗(yàn)選定溫濕度偏差作為搖、晾青模糊控制器的輸入?yún)?shù)。搖(晾)青模糊控制器決策表，如表1、2所示。

表1 搖青模糊控制器決策表

2.2 輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的確定

模糊控制器輸入?yún)?shù)確定分為在線測(cè)定計(jì)算溫濕度、計(jì)算溫濕度偏差、分搖晾次確定輸入?yún)?shù)3個(gè)步驟。

2.2.1 在線測(cè)定計(jì)算溫濕度值 根據(jù)做青工藝，吹風(fēng)—搖青—晾青，反復(fù)6次，最后一次晾青稱(chēng)為“堆青”。依次測(cè)量晾青過(guò)程70%階段平均溫濕度及晾青全程平均溫濕度。

2.2.2 確定模糊控制器輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)源

(1) 確定搖青模糊控制器輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)源：第一搖時(shí)間不作模糊控制，以一晾全程平均溫濕度作為二搖搖青模糊控制器的輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)源，二晾全程平均溫濕度作為三搖搖青模糊控制器輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)源，其他依此類(lèi)推。

表2 晾青模糊控制器決策表

(2) 確定晾青模糊控制器輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)源：一晾過(guò)程70%階段平均溫濕度作為一晾模糊控制器輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)源；二晾過(guò)程70%階段平均溫濕度作為二晾模糊控制器輸入?yún)?shù)的數(shù)據(jù)源，其他依此類(lèi)推。

2.2.3 搖晾青模糊控制器的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)

(1) 搖青模糊控制器輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)：搖青模糊控制器的溫度輸入?yún)?shù)為實(shí)際溫度值與專(zhuān)家?guī)鞙囟葏⒖贾抵g偏差；搖青模糊控制器的濕度輸入?yún)?shù)為實(shí)際濕度值與專(zhuān)家?guī)鞚穸葏⒖贾抵g偏差；搖青模糊控制器的輸出參數(shù)為搖青時(shí)間變化量。

(2) 晾青模糊控制器輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)：晾青模糊控制器的濕度輸入?yún)?shù)為實(shí)際濕度值與專(zhuān)家?guī)鞚穸葏⒖贾抵g偏差；晾青模糊控制器的溫度輸入?yún)?shù)為實(shí)際溫度值與專(zhuān)家?guī)鞙囟葏⒖贾抵g偏差；晾青模糊控制器的輸出參數(shù)為晾青時(shí)間變化量。

2.3 輸入、輸出變量模糊語(yǔ)言變量

模糊化就是將輸入和輸出值轉(zhuǎn)化為其隸屬度函數(shù)度的過(guò)程。搖(晾)青模糊控制在專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行小范圍調(diào)整，其模糊語(yǔ)言變量可表示為正中(PM)、正小(PS)、零(Z)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)[12-13]。

2.4 變量論域、量化因子和比例因子

巖茶做青的適宜溫度22～25 ℃，適宜的相對(duì)濕度55%～85%，搖(晾)青時(shí)間控制量為20%專(zhuān)家?guī)靺⒖贾礫U搖(晾)]，變量論域、量化因子和比例因子如表3所示。

表3 變量論域、量化因子和比例因子表

2.5 定義各變量的隸屬度函數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)[14-15]論證，三角形隸屬函數(shù)形式簡(jiǎn)單且計(jì)算效率高，因此系統(tǒng)選用三角形隸屬函數(shù)，各模糊狀態(tài)的隸屬度函數(shù)均用三角形來(lái)表示[16]，如圖3所示。

圖3 溫、濕度偏差的隸屬度函數(shù)曲線

根據(jù)隸屬度函數(shù)曲線，可以得到各模糊狀態(tài)的賦值表如表4所示。搖(晾)青時(shí)間變化量的隸屬度函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 搖(晾)青時(shí)間變化量的隸屬度函數(shù)曲線

表4 溫、濕度模糊變量各狀態(tài)的隸屬度賦值表

根據(jù)隸屬度函數(shù)曲線，可以得到搖(晾)青時(shí)間變化量。輸出控制量U各模糊狀態(tài)的賦值表如表5所示。

表5 搖(晾)青時(shí)間變化量控制量U各狀態(tài)的隸屬度賦值表

2.6 建立模糊控制規(guī)則表

對(duì)于雙輸入單輸出的搖青模糊控制器，其輸入變量為溫度偏差Te和相對(duì)濕度偏差He，輸出變量為搖青時(shí)間偏差U，將模糊推理語(yǔ)言規(guī)則用模糊控制狀態(tài)表示。

搖青模糊控制器規(guī)則與晾青模糊控制器規(guī)則不同，見(jiàn)表6、7。

2.7 生成模糊控制表

通過(guò)查詢(xún)模糊控制規(guī)則表6，根據(jù)對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣，計(jì)算出總模糊推理關(guān)系矩陣R，根據(jù)公式U=(Te×He)×R可求得在輸入溫度偏差(Te)和濕度偏差(He)作用下的輸出模糊向量集U搖，采用最大隸屬度法進(jìn)行模糊判決，可得該系統(tǒng)的搖青模糊控制表，見(jiàn)表8。

表8 搖青模糊控制表

表6 搖青模糊控制規(guī)則表

同理，通過(guò)查詢(xún)模糊控制規(guī)則表7，根據(jù)對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣采用最大隸屬度法進(jìn)行模糊判決，可得該系統(tǒng)的晾青模糊控制表，見(jiàn)表9。

表9 晾青模糊控制表

表7 晾青模糊控制規(guī)則表

利用MATLAB軟件專(zhuān)用的模糊邏輯工具箱對(duì)模糊控制進(jìn)行仿真。根據(jù)建立的模糊控制規(guī)則，得到搖青、晾青模糊控制器輸入、輸出特性曲面圖，如圖5、6所示，控制系統(tǒng)特性曲面過(guò)渡平緩，輸出控制較為穩(wěn)定。

圖5 搖青模糊控制器輸入、輸出特性曲面

2.8 模糊控制器的運(yùn)用步驟

將做青過(guò)程中測(cè)量的溫度偏差(Te)和濕度偏差(He)乘以量化因子(四舍五入)，查詢(xún)搖(晾)青模糊控制表(表8、9)，將控制量U乘以比例因子，得到搖(晾)青時(shí)間實(shí)際變化值。

3 做青試驗(yàn)驗(yàn)證

選擇肉桂品種，在武夷山巖上茶葉研究所進(jìn)行模糊控制做青試驗(yàn)，以手工控制對(duì)照。萎凋工藝相同，在做青機(jī)中通過(guò)吹熱風(fēng)萎凋，萎凋歷時(shí)1 h。做青階段，從上位機(jī)輸入巖茶做青初始參數(shù)：品種(肉桂)；嫩度(中)；季節(jié)(秋)；天氣(晴)；時(shí)段(晚)；萎凋程度(中)。從專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)入做青工藝參數(shù)，專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)比較成熟的做青工藝參數(shù)。其中的字段名包含3大內(nèi)容，① 做青初始參數(shù)：品種、季節(jié)、天氣、時(shí)段、嫩度、萎凋程度等；② 做青溫濕度參考值：包括各次的搖青、晾青適宜溫、濕度的參考值；③ 做青工藝參數(shù)參考值：包括各次的吹風(fēng)、搖青、晾青時(shí)間的參考值。專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)內(nèi)容必需經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的生產(chǎn)工藝積累和反復(fù)驗(yàn)證而確定。做青工藝參數(shù)確定后，開(kāi)啟做青智能控制，直至做青結(jié)束；做青結(jié)束后，統(tǒng)一經(jīng)殺青、揉捻、烘干工藝成毛茶。

圖6 晾青模糊控制器輸入、輸出特性曲面

表10為現(xiàn)場(chǎng)采集的溫濕度表，專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)定溫度為26 ℃，相對(duì)濕度為80%。表11中，3種做青工藝參數(shù)，專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)工藝參數(shù)是輸入初始參數(shù)后由數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)入的參數(shù)；模糊控制工藝參數(shù)是程序通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)溫濕度，查詢(xún)搖青模糊控制表和晾青模糊控制表，自動(dòng)調(diào)節(jié)生成工藝參數(shù)；手工控制是由制茶大師根據(jù)茶青和做青環(huán)境在生產(chǎn)過(guò)程中使用的工藝參數(shù)；做青現(xiàn)場(chǎng)，采用模糊控制和手工控制兩種做青方法。由表11可知，模糊控制、手工控制與專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)相比，搖青時(shí)間、晾青時(shí)間均適當(dāng)延長(zhǎng)，模糊控制各搖次時(shí)間調(diào)整趨勢(shì)與手工控制調(diào)整趨勢(shì)相同。

表11 3種做青工藝參數(shù)對(duì)比表

表10 做青現(xiàn)場(chǎng)采集的環(huán)境溫濕度表

如表12所示，根據(jù)武夷巖茶國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，兩種做青方法制成毛茶均達(dá)到特級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表12 兩種方法毛茶審評(píng)結(jié)果(同一批次樣品)

4 結(jié)論

針對(duì)武夷巖茶因人工、環(huán)境因素變化導(dǎo)致毛茶品質(zhì)不穩(wěn)定的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了能根據(jù)做青環(huán)境因素有效調(diào)整工藝參數(shù)的模糊控制方法，該方法能減少人工參與，降低了勞動(dòng)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能滿足做青智能控制要求，其工藝參數(shù)的控制與手工控制趨勢(shì)基本一致，達(dá)到了優(yōu)良的制茶效果，毛茶綜合評(píng)分94.5。與常規(guī)的時(shí)間設(shè)置控制相比，模糊控制能自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，可以很好地處理生產(chǎn)中不確定環(huán)境參數(shù)的變化帶來(lái)的影響。與單一溫度控制反饋相比，控制更為精細(xì)。但需要大量生產(chǎn)試驗(yàn)才能完善做青專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)中各種工藝數(shù)據(jù)。后續(xù)可對(duì)做青過(guò)程中各階段內(nèi)含物成分變化進(jìn)行檢測(cè)，反饋于控制，優(yōu)化控制效果，使智能控制手段多元化。