基于模糊PID控制的茶葉炭焙烘焙機設計與試驗

高育森 任金波 李梅娟 林 建 吳傳宇

(1. 福建農(nóng)林大學機電工程學院，福建 福州 350002；2. 湄洲灣職業(yè)技術學院，福建 莆田 351119)

烘焙在整個茶葉加工工藝中占有至關重要的位置。通過烘焙可以降低茶葉含水量，有利于其貯藏；在烘焙過程中茶葉會發(fā)生一些化學變化，如其中的兒茶素、氨基酸等物質會相互作用提高茶葉的香氣[1]。目前，茶葉烘焙方式有木炭烘焙、電烘焙、電焙籠烘焙、微波、遠紅外烘焙等[2]。成子龍等[3]認為電烘焙的溫度、時間可以控制，烘焙出的茶葉品質穩(wěn)定。炭烘焙品質好，但烘焙程度難以控制，品質不穩(wěn)定；邵靜娜等[4]研究表明微波長時間烘焙會使茶葉發(fā)澀，香氣欠佳，遠紅外技術的烘焙品質較接近于傳統(tǒng)烘焙。吳全金等[5]認為，遠紅外烘焙能夠改善茶葉品質，但是遠紅外烘焙設備造價較高，維護成本高且復雜。整體上，微波、電烘焙及紅外線烘焙能夠準確地控制溫度、時間等烘焙參數(shù)，但機器耗能大、烘焙效果遠不及木炭烘焙。木炭吸附性強，能吸附硫化物等，且燃燒釋放的二氧化碳能與茶葉的內含物質進行物理或化學作用，提高茶葉口感及香氣[6]。木炭的火源能夠很大程度降低電能損耗，從目前的茶葉烘焙市場調研來看，木炭烘焙更受消費者喜愛[7]。但是木炭燃燒烘焙溫度不易控制，不能很好地實現(xiàn)智能烘焙。文章擬設計一種新型模糊PID控制炭焙的茶葉烘焙機，旨在解決木炭烘焙溫度不易控制的問題，為木炭的智能烘焙研究提供依據(jù)。

1 智能炭焙烘焙機整體結構

1.1 機械結構設計

茶葉炭焙烘焙機主要由箱體、木炭燃燒室、排氣口、托盤、電動推桿、溫度傳感器、流量控制裝置、控制系統(tǒng)等組成(圖1)[8]。熱源為木炭燃燒的熱輻射，溫度傳感器分布在烘焙機箱體的左右及頂部；通過電動推桿的伸縮用來控制空氣流量裝置的關與開；茶葉托盤為鍍鋅板制成的四方形盤，其主要設計參數(shù)見表1。

1.2 自適應模糊PID控制原理

恒溫烘焙有利于茶葉色澤及香氣的保持。木炭烘焙控制存在大慣性、大滯后、非線性、不穩(wěn)定性等特點，目前對于溫度的控制，大部分采用PID控制[9]。木炭烘焙容易受控制流通量、木炭量等因素影響，而傳統(tǒng)PID控制中的Kp、Ki、Kd為常數(shù)，很難實現(xiàn)恒溫的控制要求。而模糊控制具有魯棒性強、適應能力強等特點，能夠更好地進行溫度控制[10]。文章采用了傳統(tǒng)PID與模糊控制相結合的自適應溫度控制系統(tǒng)，它能夠實時修正PID控制的3個輸出參數(shù)，其結構圖如圖2所示。

1. 燃燒室 2. 熱氣出口 3. 托盤 4. 控制盒 5. 排氣口 6. 電動推桿 7. 空氣調節(jié)器圖1 木炭烘焙機整體結構圖Figure 1 Overall structure diagram of charcoal roasting machine

表1 木炭烘焙機主要參數(shù)

Tin(t)為設定烘焙溫度，e(t)為烘焙溫度誤差，es(t)為烘焙溫度誤差變化率，Ct為烘焙溫度控制輸出值，φ為烘焙溫度調整系數(shù)，Kt為烘焙溫度精度控制系數(shù)，Qt為空氣流通量，Tout(t)為輸出的烘焙實際溫度，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)圖2 自適應模糊PID控制結構圖Figure 2 Structure diagram of adaptive fuzzy PID control

該模糊PID控制器為兩輸入三輸出，兩輸入為e(t)、es(t)，三輸出為Kd、Ki、Kp，PID控制器工作時可以實時獲取e(t)和es(t)進行模糊化推理分析，輸出相應的Kd、Ki、Kp值，在自適應模糊PID控制輸出后，引入溫度調整系數(shù)以更好地控制空氣流通量，其表達式為：

Qt=Kt×(1-φ)×Ct，φ=0～1。

(1)

φ可由經(jīng)驗試驗確定，分別取0.0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，當φ=0時，Qt值最大，此時空氣調節(jié)器裝置處于打開極限；當φ=1時，Qt=0，空氣調節(jié)器裝置處于關閉狀態(tài)。φ由1慢慢變小，空氣調節(jié)裝置慢慢打開，烘焙機的溫度振幅產(chǎn)生不同的變化，樣機試驗結果表明，當φ=0.6時，烘焙機的溫度振幅較為隨和，振幅波動較小。

1.2.1 模糊化設計 茶葉的最佳烘焙溫度為80 ℃，故將烘焙溫度控制為74～86 ℃，溫度偏差e(t)∈[-6,6] ℃，es(t)∈[-3,3] ℃，e(t)的模糊論域定義為Ne(t)={-6,-4,-2,0,2,4,6}，es(t)的模糊論域定義為Nes(t)={-3,-2,-1,0,1,2,3}。Kp={-6,-4,-2,0,2,4,6}，Ki={-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}，Kd={-6,-4,-2,0,2,4,6}，用PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、ZO(零)、NS(負小)、NM(負中)、NB(負大)7個等級表示es(t)、e(t)、Kd、Ki、Kp的模糊變量，即模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。當烘焙溫度誤差為PB(正大)時，烘焙誤差變化率為PB(正大)，此時應關閉空氣調節(jié)裝置阻斷空氣流量，即降低溫度。模糊子集的隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)(圖3)。

1.2.2 控制規(guī)則 PID的3個輸出參數(shù)Kp、Ki、Kd與不同時刻的es(t)、e(t)相關聯(lián)，比例系數(shù)Kp可提高控制系統(tǒng)的響應速度，Kp過大容易產(chǎn)生超調；積分系數(shù)Ki可控制系統(tǒng)穩(wěn)定程度，減少系統(tǒng)誤差，調節(jié)控制系統(tǒng)的精度；微分系數(shù)Kd會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應性能，可對偏差的變化產(chǎn)生影響。根據(jù)控制經(jīng)驗并參照相關文獻[11-12]，制定關于Kd、Ki、Kp的整定原則：

(1) 當|e(t)|大時，表明目標值與設定值偏差大，此時Kp應取大才能提高系統(tǒng)的響應速度，使目標值盡快地與設定值靠攏；Kd、Ki不能取大，應選較小，以免系統(tǒng)超

圖3 es(t)、e(t)、Kd、Ki、Kp隸屬函數(shù)Figure 3 The membership function for es(t)、e(t)、Kd、Ki、Kp

調、不穩(wěn)定。

(2) 當|e(t)|和|es(t)|適中時，Kp應取適中，以免較大使系統(tǒng)產(chǎn)生超調，為了避免微分環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的偏差增加抑制作用及不穩(wěn)定性，Ki取較小，Kd取適中。

(3) 當|e(t)|值小時，在確保整個系統(tǒng)穩(wěn)定的同時應減小系統(tǒng)在設定值周圍產(chǎn)生較大的波動，此時，Kp、Ki應取較大，Kd應根據(jù)|es(t)|的取值大小選擇適中的值。

(4) 當|es(t)|值較大時，此時Kp取小，Ki取大。

結合Kd、Ki、Kp的整定原則，設計49個模糊規(guī)則[13]：

Ife(t)=NB andes(t)=NB ThenKp=PB,Ki=NB,Kd=PS

Ife(t)=NB andes(t)=MN ThenKp=PB,Ki=NB,Kd=NB

…

Kp、Ki、Kd模糊規(guī)則見表2。

表2 Kp、Ki、Kd模糊規(guī)則表

對于PID控制的3個參數(shù)的計算，首先需優(yōu)化3個參數(shù)的初始值，再根據(jù)e(t)和es(t)確定Kp、Ki、Kd相應的修正值，并與對應的比例因子相乘[14-15]。

Kp=Kp0+ApΔKp，

(2)

Ki=Ki0+AiΔKi，

(3)

Kd=Kd0+AdΔKd，

(4)

式中：

Ap、Ai、Ad——Kp、Ki、Kd對應的比例因子；

Kp0、Ki0、Kd0——Kp、Ki、Kd對應的初始值；

ΔKp、ΔKi、ΔKd——Kp、Ki、Kd對應的模糊推理變化值。

1.3 模糊控制系統(tǒng)設計

為了實現(xiàn)對炭自動控制烘焙機茶葉烘焙溫度的控制，設計了一種以Stc12c5a60s2單片機為主要控制核心，外接溫度檢測模塊、空氣流量調節(jié)模塊和人機交互模塊的控制系統(tǒng)，其結構如圖4所示。烘焙機內的溫度傳感器檢測陣列輸出的信號經(jīng)A/D轉換被單片機控制核心采集，單片機系統(tǒng)通過對檢測溫度與設定溫度差值的運算分析得到空氣流量的調節(jié)參數(shù)，然后經(jīng)D/A轉換成執(zhí)行電機的通電時長調整空氣調節(jié)裝置的流量，進而實現(xiàn)控制烘焙溫度的目的。整個烘焙工作包含自動控制模式和手動控制模式，顯示器主要顯示烘焙時間、溫度及工作電壓。烘焙時，茶農(nóng)可根據(jù)經(jīng)驗選擇手動模式，結合顯示器上的顯示參數(shù)進行茶葉的烘焙。系統(tǒng)采用模塊化結構，其主程序如圖5所示。

1.4 工作原理

茶葉木炭烘焙機選擇生物炭為火源，生物炭于抽屜式的燃燒室1內燃燒，再通過熱輻射方式向兩側的出熱氣口2發(fā)出，對置于托盤3中的茶葉進行烘焙，整個箱體上端裝有可調節(jié)大小的排氣口5，當傳感器檢測到的溫度大于烘焙設定溫度時，電動推桿6開始工作，伸長推桿關閉空氣進出調節(jié)器7，使燃燒室內的生物炭因缺少氧氣降低烘焙溫度，當傳感器檢測到的溫度小于烘焙設定溫度時，電動推桿6收縮，打開進出調節(jié)器7，增加空氣流通，從而提高溫度。整個烘焙過程中翻茶環(huán)節(jié)由人工來實現(xiàn)。

圖4 溫度控制系統(tǒng)原理圖Figure 4 Schematic diagram of temperature control system

圖5 主程序流程圖Figure 5 Main program flow chart

2 試驗方法

2.1 試驗方案

為了更好地判定試驗設計的茶葉烘焙機性能及茶葉品質，采用以下幾種方法進行驗證。① 木炭烘焙機連續(xù)烘焙茶葉以判斷烘焙機性能的穩(wěn)定；② 與電烘焙茶葉進行品質對比，采用香氣成分測定+生化成分測定+感官評審三者相結合綜合評價木炭烘焙機烘焙的茶葉品質。目前，茶葉香氣成分的提取方法較多，如蒸餾萃取法(SDE)、頂空固相微萃取法(HS-SPME)、溶劑輔助風味蒸發(fā)法(SAFE)等，試驗采用靈敏度高、操作簡單，被廣泛應用的頂空固相微萃取法結合GC-MS分析(HS-SPME/GC-MS)方法[16-17]，通過香氣物質的萃取、生化成分分析及感官審評對所設計的木炭烘焙機進行可行性探討。

將選取的祥華清香型鐵觀音半成品12 kg平均分成兩份，分別在自行設計的木炭烘焙機和安溪興民機械生產(chǎn)的電烘干機上烘焙。將茶葉攤放于烘焙機托盤上，每個托盤1 kg左右，攤平厚度為4 cm左右；根據(jù)林起存[18]的方法，選擇共同的烘焙溫度80 ℃，烘焙3 h，烘焙完成后打開烘焙機箱門使茶葉冷卻。

2.2 性能指標測定

2.2.1 溫度 為了更好地反映溫度上升速度，于烘焙5 min 時首次測量，后每10 min測量一次。

2.2.2 香氣成分 將烘焙后的鐵觀音磨成粉末，分別準確稱取6 g于250 mL錐形瓶中，并加入1.5% NaCl溶液，隨后加入100 mL純凈沸水和10 μL癸酸乙酯，60 ℃水浴6 min，插入SPME吸附針吸附70 min，取10 μL濃縮液進行檢測分析，根據(jù)各化合物峰面積百分比與定標物峰面積之比計算各香氣成分含量，每種茶葉進行3次重復取平均值。

2.2.3 生化成分

(1) 水分：按GB/T 8304—2013執(zhí)行。

(2) 水浸出物：按GB/T 8305—2002執(zhí)行。

(3) 游離氨基酸：按GB/T 8314—2002執(zhí)行。

(4) 茶多酚：按GB/T 8313—2002執(zhí)行。

(5) 可溶性糖：采用蒽酮比色法。

(6) 咖啡堿：按GB/T 8312—2002執(zhí)行。

2.2.4 感官評審 按SB/T 10157—1993及NY/T 787—2004執(zhí)行。由5位具有高級評茶師(男性)的評審員采用密碼審評法進行打分及集體討論評語，采用品質因子加權百分平均法和評語法相結合進行評定[19]，各因子加權百分數(shù)分配見表3，其評審綜合得分按式(5)計算。

表3 因子權數(shù)分配表

(5)

式中：

grade——綜合評審平均數(shù)；

i——專家編號；

j——因子序號；

Aj——評審因子得分；

aj——評審因子權數(shù)。

2.2.5 數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)以多次試驗求得的平均值表示，采用Excel 2007與SPSS 2.0相結合對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、計算及顯著性分析。

3 試驗結果對比分析

3.1 烘焙機性能測試

由圖6可知，試驗設計的烘焙機在3 h的烘焙時間中性能穩(wěn)定可靠，且能夠很好地控制溫度。炭烘焙溫度誤差為±2 ℃，烘焙20 min后整個溫度基本能夠保持在(80±2) ℃；電烘焙溫度誤差為±1 ℃，烘焙5 min后能保持在(80±1) ℃；雖然木炭烘焙機的溫度控制誤差大于電烘焙機的，但能滿足日常烘焙要求，同時也符合試驗設計目標。

圖6 溫度測量曲線Figure 6 Temperature measurement curve

3.2 香氣成分

由表4可知，鐵觀音茶葉中共測出23種主要香氣化合物。兩種烘焙工藝下，鐵觀音的香氣成分組成相同，但含量有所差異，其中芳樟醇類含量最多，其次為酯類和烴類；鐵觀音中各化合物含量順序為反-橙花叔醇>植物醇>法尼烯，且木炭烘焙茶葉中的含量顯著高于電烘焙的，說明木炭烘焙的香氣比電烘焙的濃，且茶葉品質更好。

3.3 生化成分

由表4可知，與電烘焙相比，木炭烘焙茶葉中水分、水浸出物、茶多酚、咖啡堿含量差異顯著。其中木炭烘焙的茶葉水分、可溶性糖、咖啡堿含量略低于電烘焙，水浸出物、氨基酸、茶多酚含量略高于電烘焙。水分少易于貯藏；水浸出物較少說明茶葉湯色較??；氨基酸含量較多反映了茶湯鮮爽味較濃，香氣持久；茶多酚和可溶性糖含量較多可以使茶湯甜醇；咖啡堿含量較少，說明茶葉中苦味降低[20-21]。綜上，木炭烘焙與電烘焙在生化成分上有顯著差異，木炭烘焙的茶葉品質略好，與占琪等[22]的結果相符；同時也說明試驗設計的木炭烘焙機的烘焙效果好。

3.4 感官評審

由表6可知，木炭烘焙茶葉感官評審綜合得分為92.66，電烘焙的感官評審綜合得分為91.44，木炭烘焙得分略高于電烘焙；在外形和葉底上，兩者無顯著差異，但在滋味、湯色、香氣上，木炭烘焙得分高于電烘焙。綜上，木炭烘培機性能良好，其烘培茶葉品質優(yōu)于電烘培，茶葉加工中可以采用木炭烘培機進行烘培。

表4 木炭與電烘焙鐵觀音主要香氣成分的組成及平均含量?

4 結論

設計了一種采用自適應模糊PID控制系統(tǒng)的智能茶葉炭焙烘焙機，該烘焙機可以滿足茶葉的烘焙要求，且烘焙的茶葉品質優(yōu)于電烘焙的。自適應模糊PID控制系統(tǒng)可以使智能茶葉炭焙烘焙機在烘焙過程中的溫度控制在(80±2) ℃，從而解決了木炭智能烘焙的關鍵問題，為茶葉烘焙提供了一種高效簡易的方法，但設計中未進行優(yōu)化試驗，后續(xù)可進一步對其整體結構、控制系統(tǒng)進行優(yōu)化仿真分析。炭烘焙可以提高茶葉品質，但其燃燒產(chǎn)生的二氧化碳等對環(huán)境不力，后續(xù)可以積極探索采用生物炭或其他對環(huán)境影響小的新能源。

表5 烘焙對茶葉主要生化成分含量的影響?

表6 感官評審結果