基于模糊PID的茶葉烘干機(jī)恒溫控制系統(tǒng)研究

吳曉強(qiáng) 李亞莉 周紅杰 趙永杰（.內(nèi)蒙古民族大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 08000；.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)普洱茶學(xué)院，云南 昆明 6500；.昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 65008）

烘干是茶葉生產(chǎn)過(guò)程中最重要的一道工序，除了蒸發(fā)水分使茶葉便于貯藏之外，還有增加口感，促進(jìn)茶葉有機(jī)物質(zhì)形成的作用［1，2］。常見(jiàn)的茶葉烘干機(jī)多采用燃煤熱風(fēng)爐作為供熱設(shè)備，通過(guò)熱風(fēng)爐產(chǎn)生的熱風(fēng)實(shí)現(xiàn)茶葉干燥，所以熱風(fēng)溫度的控制是烘干機(jī)控制的關(guān)鍵［3］。目前對(duì)熱風(fēng)溫度的控制，大多采用人工控制方法，即當(dāng)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度偏差過(guò)大時(shí)，人為控制引煙機(jī)或熱風(fēng)機(jī)的關(guān)閉與開(kāi)啟［4］，勞動(dòng)強(qiáng)度大，燃燒效率低，控制效果也較差，因此，尋求一種能夠?qū)囟冗M(jìn)行自動(dòng)控制的智能控制系統(tǒng)成為目前研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。胡景川等［5］認(rèn)為通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速或進(jìn)氣風(fēng)門(mén)開(kāi)度，調(diào)節(jié)熱風(fēng)爐進(jìn)風(fēng)量可以改變熱風(fēng)溫度，從而實(shí)現(xiàn)恒溫控制；刑一丁等［6］對(duì)如何調(diào)節(jié)熱風(fēng)溫度、提高燃燒穩(wěn)定性進(jìn)行了探討，提出多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制方法。以上方法在進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)的過(guò)程中，溫度有明顯滯后現(xiàn)象，不能從根本上解決熱風(fēng)爐燃燒不穩(wěn)定、熱風(fēng)溫度變化大等問(wèn)題。基于此，本研究綜合以上研究特點(diǎn)，擬設(shè)計(jì)一種基于模糊PID的恒溫控制系統(tǒng)，通過(guò)控制變頻風(fēng)機(jī)的頻率和轉(zhuǎn)速，使引煙機(jī)的轉(zhuǎn)速、煤炭燃燒狀態(tài)、熱風(fēng)溫度達(dá)到最佳匹配，從而自動(dòng)控制空燃比，為節(jié)約燃煤、保護(hù)環(huán)境提供新的方法與途徑。

1 烘干機(jī)理論

1.1 茶葉烘干機(jī)的分類(lèi)

烘干機(jī)是使茶葉干燥的重要設(shè)備，按干燥方式分，主要包括熱風(fēng)干燥、金屬傳導(dǎo)、輻射干燥烘干機(jī)；按熱量來(lái)源分燃煤、電力、油氣等類(lèi)型［7］。

不同的干燥方法有著不同的傳熱方式，不同傳熱方式對(duì)待烘干茶的葉溫度變化、干燥速率、口感物質(zhì)形成及最終品質(zhì)均有不同的影響。金屬傳導(dǎo)傳熱速度快，需要不斷翻炒，使葉溫交替變化，但易產(chǎn)生受熱不均勻的現(xiàn)象。輻射干燥是利用紅外、微波等方法使茶葉內(nèi)部分子發(fā)生振動(dòng)、碰撞以及摩擦，從而產(chǎn)生熱能。這種方法穿透能力差，且容易傷害茶葉質(zhì)地，口感變差。熱風(fēng)干燥以空氣導(dǎo)熱為主，傳熱快且均勻，利于色香味等有機(jī)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，是目前應(yīng)用較為普遍的干燥方法。

1.2 結(jié)構(gòu)與工作原理

本研究以自動(dòng)鏈板式茶葉烘干機(jī)為例。其結(jié)構(gòu)包括箱體、傳動(dòng)系統(tǒng)、送料裝置和熱風(fēng)爐［8］，其中熱風(fēng)爐是烘干機(jī)的核心，控制效果的好壞，不僅關(guān)系到燃燒效率，還影響著茶葉的品質(zhì)。熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of hot blast stove

烘干機(jī)的干燥過(guò)程是熱空氣與茶葉進(jìn)行熱交換的過(guò)程：引煙機(jī)促使燃燒產(chǎn)生的煙氣由煙囪排出，在煙氣流動(dòng)過(guò)程中對(duì)爐管進(jìn)行加熱，爐管內(nèi)被加熱的空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)輸送到烘干箱中，然后利用對(duì)流加熱方式與茶葉進(jìn)行熱交換，去除茶葉中的水分，使茶葉含水率達(dá)到要求。

2 恒溫控制策略

目前中國(guó)對(duì)于熱風(fēng)爐燃燒控制的方法大多仍為人工手動(dòng)控制（引煙風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率都是恒定的，只能人為頻繁開(kāi)關(guān)引煙機(jī)，以達(dá)到控制熱風(fēng)溫度的目的）。此法不僅增加勞動(dòng)強(qiáng)度、浪費(fèi)能源，而且控制效果也受到很大影響［9，10］。因此迫切需要建立一個(gè)恒溫控制系統(tǒng)，以保證烘干溫度穩(wěn)定。

2.1 模糊PID控制

傳統(tǒng)PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用較為廣泛。但是由于控制器參數(shù)不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，使其應(yīng)用范圍受到一定限制［11］。為達(dá)到最佳控制效果，將模糊推理運(yùn)用于PID參數(shù)的整定，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 模糊PID控制結(jié)構(gòu)框圖Figure 2 Structure diagram of fuzzy PID control

2.2 模糊控制規(guī)則

取熱風(fēng)溫度偏差E和偏差變化率EC為控制器的輸入變量，論域范圍為［－8.2，8.2］和［－0.5，0.5］，相應(yīng)的模糊論域?yàn)椋郏?，7］、［－3，3］；ΔKp，ΔPi，ΔPd為輸出變量，論域范圍是［－750，750］，對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋郏?，1］。定義輸入、輸出變量的模糊子集為：E，EC，ΔKp，ΔPi，ΔPd＝｛NB（負(fù)大）、NM（負(fù)中）、NS（負(fù)?。O（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）｝，量化因子ke和kec的取值分別為0.68和7.60，比例因子ku的取值為140，隸屬函數(shù)采用三角函數(shù)。結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，制定模糊控制規(guī)則［12－14］，見(jiàn)表1～3。

表1 ΔKp模糊控制規(guī)則表Table 1 Fuzzy rule table ofΔKp

表2 ΔPi模糊控制規(guī)則表Table 2 Fuzzy rule table ofΔPi

表3 ΔPd模糊控制規(guī)則表Table 3 Fuzzy rule table ofΔPd

2.3 茶葉烘干機(jī)恒溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)傳感器在線(xiàn)采集熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度和排煙溫度，通過(guò)熱風(fēng)溫度與烘干溫度的設(shè)定值作比較，應(yīng)用模糊PID控制器對(duì)偏差進(jìn)行控制，根據(jù)偏差大小，利用智能化變頻技術(shù)調(diào)節(jié)引煙機(jī)轉(zhuǎn)速，自動(dòng)控制空燃比，在節(jié)能減排的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)恒溫控制的目的，控制原理見(jiàn)圖3。

圖3 茶葉烘干機(jī)恒溫控制系統(tǒng)原理Figure 3 Principle of tea dryer temperature control system

3 仿真分析

把模糊PID控制器應(yīng)用于烘干機(jī)熱風(fēng)爐恒溫控制系統(tǒng)中，并在MATLAB軟件中建立恒溫系統(tǒng)（T－S）的仿真模型，見(jiàn)圖4。

圖4 恒溫控制系統(tǒng)仿真模型Figure 4 Simulation model of the constant temperature control system

在仿真過(guò)程中，理想熱風(fēng)溫度設(shè)定為165℃時(shí)，周期為30min，引煙機(jī)轉(zhuǎn)速為1 350r/min，采用智能變頻控制技術(shù)，仿真過(guò)程與手動(dòng)控制相對(duì)比，手動(dòng)過(guò)程中引煙機(jī)頻率為50Hz。仿真結(jié)果見(jiàn)圖5～7。

圖5 不同控制方式排煙溫度變化曲線(xiàn)Figure 5 Curve of the discharge temperature of the smoke control modes

圖6 不同控制方式熱風(fēng)溫度變化曲線(xiàn)Figure 6 Curve of the hot blast temperature under different control mode

圖7 不同控制方式引煙機(jī)頻率變化曲線(xiàn)Figure 7 Lead the frequency curve of range hood

為進(jìn)一步說(shuō)明智能溫度控制效果，把圖5～7曲線(xiàn)中各數(shù)據(jù)進(jìn)行列表分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 兩種控制方法數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果Table 4 Comparison results of two control methods

由表4可知，人工控制熱風(fēng)溫度變化幅度較大，且響應(yīng)速度也較為緩慢，不能及時(shí)根據(jù)外部條件變化進(jìn)行調(diào)節(jié)；模糊PID恒溫控制的溫度變化幅度較平緩，溫度升高和降低時(shí)系統(tǒng)能及時(shí)根據(jù)溫度偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，使溫度變化范圍減小，基本實(shí)現(xiàn)恒溫控制功能；人工控制引煙機(jī)的頻率為定值，不能自動(dòng)調(diào)節(jié)，這必然增加電能的損耗，造成不必要的浪費(fèi)。而模糊PID控制的引煙機(jī)通過(guò)變頻技術(shù)，可根據(jù)設(shè)定溫度要求，自動(dòng)改變電機(jī)頻率和轉(zhuǎn)速，在實(shí)現(xiàn)恒溫控制的同時(shí)，減少能量損耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

4 結(jié)論

烘干爐是茶葉加工過(guò)程中的必要設(shè)備，烘干效果在很大程度上影響著茶葉有機(jī)物質(zhì)的合成速度和品質(zhì)，對(duì)茶葉色、香、味等品質(zhì)有著很重要的影響。傳統(tǒng)的烘干爐多為人工控制，不僅浪費(fèi)人力，烘干效果也不是很理想。本研究以烘干機(jī)燃煤熱風(fēng)爐為研究對(duì)象，以建立恒溫控制為目標(biāo)，把模糊PID應(yīng)用到熱風(fēng)爐的煙機(jī)控制系統(tǒng)上，采用變頻技術(shù)自動(dòng)控制引煙機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率，使熱風(fēng)溫度能在很小的范圍內(nèi)變化，從而獲得很好的烘干效果；在提高茶葉品質(zhì)的同時(shí)，降低燃煤損耗，減少有害氣體排放。

1 吳澤球，陶中南.茶葉烘干機(jī)械的技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展［J］.食品與機(jī)械，2014，30（1）：263～265.

2 張春龍，劉國(guó)海，黃兆春.多路溫度自適應(yīng)控制系統(tǒng)的研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002（4）：56～58.

3 張喜梅，吳雪輝，李昌寶，等.油菜籽的熱風(fēng)干燥特性及數(shù)學(xué)描述［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38（8）：116～118.

4 Wang J，Xi Y S.Drying characteristics and drying quality of carrot using a two－stage microwave process［J］.Journal of Food Engineering，2005，68（4）：505～511.

5 胡景川，蔡亞軍.熱風(fēng)爐溫度的可調(diào)控性能［J］.茶葉機(jī)械雜志，2002（2）：11～14.

6 刑一丁，溫治，劉訓(xùn)良，等.高爐熱風(fēng)爐高效送風(fēng)策略的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)［J］，工業(yè)爐，2008（5）：10～13.

7 張德炎，李國(guó)軍.外燃式熱風(fēng)爐的自動(dòng)控制［J］.機(jī)械與電子，2010（15）：89～91.

8 Feng Yan－ling，Huang Xin.Design of constant temperature control system based on fuzzy control［J］.Modern Electronics Technique，2010（19）：135～138.

9 Fudholi A，Sopian K，Ruslan M H，et al.Review of solar dryers for agricultural and marine products［J］.Renewable and Suatainable Eeergy Reviews，2010，14（1）：1～30.

10 S J Temple，A J B van Boxtel.Control of fluid bed tea dryers：controller design and tuning［J］.Computers and Electronics in Agricultere，2000，26（2）：159～170.

11 張秦權(quán)，文懷興，袁越錦.遠(yuǎn)紅外聯(lián)合低溫真空干燥設(shè)備研究與設(shè)計(jì)［J］.食品與機(jī)械，2013，29（1）：157～150.

12 趙永潔，黃云戰(zhàn)，周紅杰，等.普洱茶發(fā)酵車(chē)間測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.食品與機(jī)械，2012，28（2）：98～101.

13 吳紹帥，李亞莉，黃云戰(zhàn)，等.普洱茶發(fā)酵自動(dòng)化生產(chǎn)專(zhuān)利技術(shù)的研發(fā)［J］.食品與機(jī)械，2011，27（6）：183～185.

14 李界家，付平，片錦香，等.參數(shù)自調(diào)整模糊控制在爐溫控制中的應(yīng)用［J］.控制工程，2004，11（1）：14～16.