自適應模糊神經網絡在烏龍茶烘焙中的應用

郭　鵬，張海燕，劉振永（.石家莊學院物電學院；.石家莊郵電職業(yè)技術學院郵政通信管理系，河北石家莊05008）

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自適應模糊神經網絡在烏龍茶烘焙中的應用

郭鵬1，張海燕2，劉振永1
（1.石家莊學院物電學院；2.石家莊郵電職業(yè)技術學院郵政通信管理系，河北石家莊050018）

摘要：以PLC為核心設計了一種基于自適應模糊神經網絡的烏龍茶烘焙自動控制系統(tǒng)。通過模擬專家手工制茶過程，將烘焙分成兩部分進行，首先利用自適應模糊控制使烘焙溫度呈呼吸式變化，然后再進行恒溫烘焙。利用模糊解耦補償器解決了烘焙過程中的溫濕度耦合問題。仿真及實驗結果表明，該系統(tǒng)控制效果良好，成茶品質優(yōu)于同類產品。

關鍵詞：烏龍茶烘焙；PLC；模糊解耦

作為烏龍茶精制中的重要工序，烘焙具有除濕、去雜、熟化、提香、滅菌等作用[1，2]。傳統(tǒng)烘焙方法有炭焙（木炭焙籠）和機焙（電烘箱）兩種。炭焙耗時、費力且專業(yè)性強，不適合大規(guī)模茶葉生產。機焙效率高、品質穩(wěn)定，適合大規(guī)模茶葉生產但成茶品質較炭焙稍差。

烏龍茶機焙其實是利用自動控制技術控制茶葉烘焙過程中的溫濕度，從而對其進行精制。有學者利用PID、模糊等算法設計了多種自動烘焙控制系統(tǒng)，但控制效果難以令人滿意。為更好滿足烏龍茶烘焙工藝要求，提高茶葉品質，豐富產品種類，下面利用PLC設計一種基于自適應模糊神經網絡的烏龍茶烘焙控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)參數(shù)設計

烏龍茶的烘焙過程不能始終保持恒溫。因此，系統(tǒng)將烘焙分成兩個步驟進行。第一步，利用基于數(shù)據(jù)的自適應模糊控制器控制溫度進行時高時低的變化（85～110℃），時間為1～2h，使烏龍茶呼出水氣及臭青味，避免茶色變紅，香氣流失；第二步，根據(jù)產品要求獲取烘焙溫度（100～120℃）和時間（1～3h），利用模糊控制器實現(xiàn)恒溫控制，如秋茶鐵觀音[3，4]，烘焙溫度為118℃，烘焙時間2h，茶葉呈甜果香，湯色金黃，味道醇厚，品質較高；若烘焙溫度降為100℃，烘焙時間延長至4h，茶葉則略帶甜香，湯色清黃。

在烘焙過程中，加熱會使?jié)穸壬仙?，除濕會使溫度下降，二者存在嚴重的交叉耦合。因此，系統(tǒng)利用模糊解耦器解除了二者的耦合關系，使溫度和濕度控制相互獨立。

2　控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)由PLC、溫濕度檢測、加熱、除濕、顯示及按鍵、上位機等部分組成。PLC為控制核心，利用溫濕度檢測模塊采集電烘箱內的溫濕度后，根據(jù)茶葉生產要求，通過自適應模糊控制器獲得控制指令，控制電加熱管和除濕風機工作。其中，溫度控制由雙向可控硅控制電加熱管工作時間實現(xiàn)，濕度控制由變頻器控制風機轉速實現(xiàn)。顯示和按鍵用于LCD信息顯示及參數(shù)設置。為方便操作，利用組態(tài)王軟件設計了上位機組態(tài)界面，實現(xiàn)了烏龍茶烘焙過程的組態(tài)監(jiān)控。

3　自適應模糊控制器設計

在專家手工烘焙過程中，烘焙初期的溫度呈時高時低的呼吸式變化，而具體變化過程全憑專家經驗，難以口述。為改善機焙成茶品質，在采集專家手工烘焙數(shù)據(jù)的基礎上，利用模糊聚類（Fuzzy Clustering）和自適應神經模糊推理系統(tǒng)（Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System，ANFIS）設計了自適應模糊控制器，用于模擬專家手工烘焙過程。其中，模糊聚類用于生成初始模糊推理系統(tǒng)（Fuzzy Inference System，F(xiàn)IS），ANFIS用于建立T-S模糊控制器。

模糊聚類算法采用減法聚類，通過單次快速運算一組數(shù)據(jù)當中的聚類個數(shù)和聚類中心位置，進而產生聚類中心，初始FIS生成速度快且能避免規(guī)則爆炸[5]。利用MATLAB的ANFIS工具箱建立烘焙溫度T-S模糊控制推理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　ANFIS工作界面

初始FIS由烘焙過程實測數(shù)據(jù)歸一化后，通過減法聚類生成。部分數(shù)據(jù)如下：time={-1，-0.92，-0.84，-0.76，-0.68，-0.6，-0.52,…}；T= {0.429，0.509，0.519，0.420，0.07，-0.497，-0.397，…}

ANFIS生成的T-S模糊控制器為單輸入量單輸出，輸入量為時間time，輸出量為烘焙溫度T。該控制器可使電烘箱溫度在烘焙初期實現(xiàn)忽高忽低的呼吸式變化，在不降低茶葉品質的前提下去除茶葉的水氣和雜味。

4　溫濕度控制器及解耦補償器設計

4.1恒溫模糊控制器

在茶葉烘焙第二階段，利用模糊控制器Fuz1對烘焙溫度進行恒溫控制。Fuz1為兩輸入一輸出。其中，輸入e為給定溫度與箱內溫度之差；輸入de/dt為溫度變化率；輸出量T為給定周期內雙向可控硅導通時間。模糊輸入（E，EC）和模糊輸出的模糊子集均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，隸屬函數(shù)為高斯函數(shù)，模糊控制規(guī)則略。

4.2濕度模糊控制器

茶葉烘焙過程中產生的水氣須及時排出，否則電烘箱內部壓力過大會使茶葉水氣無法排出，影響品質。除濕風機由變頻器控制轉速，而變頻器輸入電壓由兩輸入一輸出的模糊控制器Fuz2控制，輸入量為濕度h及濕度變化率dh/dt，輸出為變頻器輸入電壓u。濕度控制較溫度控制簡單，模糊輸入（H，RH）和模糊輸出的模糊子集為{NB，NS，Z，PS，PB}。模糊控制規(guī)則表略。

4.3溫濕度模糊解耦補償器

電烘箱內溫濕度之間的強耦合會嚴重影響烘焙控制效果，因此，利用模糊解耦補償器對二者解耦以提高控制精度。模糊解耦補償器是以模糊控制器的通用逼近性為基礎設計的，如圖2所示。

圖2　模糊解耦補償示意圖

根據(jù)Fuz1和Fuz2輸出之間的耦合關系，設計溫度對濕度的補償量Comp1以及濕度對溫度的補償量Comp2。以Fuz1輸出T和Comp2控制給定周期內雙向可控硅導通時間，以Fuz2輸出u和Comp1控制變頻器。實驗發(fā)現(xiàn)，除濕對加熱影響較大，所以Comp2較大；加熱對濕度影響較小，所以Comp1較小。

部分模糊補償規(guī)則如下：

If T is NB and u is NB Then Comp1 is PB

If T is NM and u is NM Then Comp1 is PM

…

If T is PB and u is PB Then Comp2 is NM

為對比解耦前后溫濕度控制效果，對模糊補償器使用前后的控制效果進行了Matlab仿真。仿真結果表明，利用模糊補償器解耦后，溫度T和濕度h的響應曲線均優(yōu)于解耦之前，且溫度對濕度影響相對較小，故解耦后控制效果更明顯；而濕度溫度影響較大，故解耦后控制效果稍弱。

5　成茶對比

為驗證系統(tǒng)性能，對人工烘焙、PID烘焙控制系統(tǒng)及本系統(tǒng)的成茶從色、香、味、形等方面進行了對比。

人工烘焙由于有熟練工人的全程參與，因此成茶品質從外觀、口感、香氣來說，均呈現(xiàn)較高水平。PID烘焙控制系統(tǒng)由于控制算法簡單，未考慮烘焙過程中溫濕度的細節(jié)變化，始終維持恒溫烘焙，導致茶葉色澤枯暗，香味流失，品質較差。本系統(tǒng)由于采用了模擬專家制茶過程的分段控制策略，充分考慮了烘焙過程中溫度與濕度的微弱變化對茶葉品質的影響。在烘焙初期，控制溫度呈呼吸式變化，使茶葉排出部分水氣及雜味；烘焙中后期通過精確恒溫控制，茶葉充分吃火、熟化、提香，從外觀、口感、香氣上與人工烘焙幾乎沒有區(qū)別，品質良好。

6　結束語

實驗結果表明，本文設計的烏龍茶烘焙自動控制系統(tǒng)通過模擬專家手工烘焙過程，使成茶品質得到了顯著提高，系統(tǒng)使用方便，控制效果良好，工作穩(wěn)定，能夠較好滿足大規(guī)模、多品種的烏龍茶烘焙需求。

參考文獻

[1]王漢生.《烏龍茶制造生化原理》第五講[J],廣東茶葉科技,1985.04

[2]林木姬.烏龍茶精制烘焙[J],福建茶葉,2001.04：61

[3]吳建華,陳林海.武夷巖茶烘焙加工方法選擇初探[J],福建茶葉,2015.01：29-30

[4]張燕忠,張凌云,王登良.烘焙技術在烏龍茶精制中的應用研究現(xiàn)狀與探討[J],茶葉,2008.02：75-77

[5]孫丙香,高科,等.基于ANFIS和減法聚類的動力電池放電峰值功率預測[J],電工技術學報,2015.04

作者簡介：郭鵬（1981-），男，河北永年人，碩士研究生，講師，研究方向：智能控制。

項目名稱：2015年河北省科技計劃項目，項目編號：15214313；2015年石家莊學院教學改革研究項目，項目編號：JGXM201521A；石家莊學院科研團隊資助項目，項目編號：XJTD004。