基于PID的智能化紅茶發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王帥 楊天園 周繼榮 郭帥慶 聶占一 舒慶寧 吳麗莉

摘要：針對(duì)目前溫度和濕度對(duì)紅茶發(fā)酵的影響和季節(jié)對(duì)紅茶發(fā)酵的限制，設(shè)計(jì)了基于PID的智能化紅茶發(fā)酵系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用自動(dòng)控制技術(shù)，使其能根據(jù)PID預(yù)設(shè)參數(shù)自動(dòng)調(diào)控溫度、濕度和空氣交換流量，并實(shí)時(shí)顯示在LCD彩屏上，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的精確調(diào)節(jié)，達(dá)到紅茶發(fā)酵不受環(huán)境條件制約的目的。

關(guān)鍵詞：紅茶；發(fā)酵系統(tǒng)；PID算法

中圖分類號(hào)：TS272.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）05-1284-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.050

Design of Intelligent Fermentation System of Black Tea Based on PID

WANG Shuaia，YANG Tian-yuana，ZHOU Ji-rongb，GUO Shuai-qingb，NIE Zhan-yib，SHU Qing-ningb，WU Li-lib

（a.College of Engineering and Technology；b.College of Horticulture and Forestry Sciences，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract： In view of the influences of fermentation temperature and humidity on black tea and the seasonal restrictions to fermentation of black tea， an intelligent fermentation system of black tea based on PID was designed. Automatic control technology was adopted to automatically adjust and control the temperature， humidity and the flow of air exchange according to PID preset parameters， which were displayed on the LCD color screen to regulate the temperature and humidity accurately， so as to achieve the purpose of black tea fermentation not affected by any environmental conditions.

Key words： black tea；fermentation system； PID arithmetic

近年來(lái)中國(guó)紅茶發(fā)展非常迅速，年產(chǎn)量持續(xù)增加[1，2]。發(fā)酵過(guò)程是紅茶加工工藝中最為重要的部分，也是對(duì)紅茶品質(zhì)影響最大的環(huán)節(jié)。中國(guó)的高檔紅茶發(fā)酵一般在春季和秋季進(jìn)行，由于環(huán)境溫度低，濕度達(dá)不到要求，難以完成發(fā)酵過(guò)程，因此需要通過(guò)發(fā)酵裝置創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臏囟取穸群屯鈼l件。如果采用水蒸氣加濕，發(fā)酵箱內(nèi)充滿霧氣，且蒸汽在茶葉表面凝結(jié)，氧氣交換不充分，導(dǎo)致發(fā)酵不充分；如果采用常溫下超聲加濕，通過(guò)熱風(fēng)加溫，發(fā)酵箱內(nèi)環(huán)境不穩(wěn)定，發(fā)酵效果也會(huì)受到影響。而且溫室環(huán)境系統(tǒng)由于自身的復(fù)雜性，各種環(huán)境因素之間相互影響，采用傳統(tǒng)的控制方法很難達(dá)到最佳的效果[3]。

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種由PID自動(dòng)控制的單通道加溫加濕通氣發(fā)酵系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和可操作性，通過(guò)PID自動(dòng)控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)紅茶發(fā)酵環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

1 智能化紅茶發(fā)酵系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該茶葉發(fā)酵溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置包括超聲波霧化器、水深傳感器、風(fēng)機(jī)、氣體流量計(jì)、氣體緩沖箱、恒溫預(yù)熱箱、水溫控制模塊、溫濕度傳感器、溫控模塊、氣體流量計(jì)、電機(jī)、發(fā)酵箱（圖1）。其中超聲波霧化器與風(fēng)機(jī)輸入端通過(guò)短硬管連接，風(fēng)機(jī)輸出端通過(guò)短軟管與氣體緩沖箱輸入端連接，氣體緩沖箱輸出端通過(guò)凹形長(zhǎng)硬管與發(fā)酵箱輸入端連接，長(zhǎng)硬管的凹形部分浸在恒溫預(yù)熱箱中，發(fā)酵箱輸出端與氣體流量計(jì)連接，氣體緩沖箱的數(shù)目與發(fā)酵箱的氣體傳輸管數(shù)相同。當(dāng)外界環(huán)境溫度改變時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)并對(duì)發(fā)酵箱加熱；當(dāng)檢測(cè)到發(fā)酵箱中濕度超過(guò)設(shè)定的濕度裕度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)鼓入水蒸氣。水蒸氣在恒溫預(yù)熱箱預(yù)熱，恒溫預(yù)熱箱與加熱器共同調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度和濕度相對(duì)恒定。

2 智能化紅茶發(fā)酵系統(tǒng)調(diào)控部分設(shè)計(jì)

2.1 溫度調(diào)節(jié)部分

工夫紅茶品質(zhì)取決于鮮葉質(zhì)量和加工技術(shù)，發(fā)酵是工夫紅茶初制的關(guān)鍵工序，合理調(diào)控發(fā)酵溫度和發(fā)酵程度對(duì)提高紅茶品質(zhì)至關(guān)重要[4]。溫度是紅茶發(fā)酵過(guò)程中的重要因素，溫度偏高易導(dǎo)致紅茶發(fā)酵過(guò)度，茶葉色澤暗淡，茶湯氣色差，嚴(yán)重影響紅茶品質(zhì)；溫度偏低則會(huì)導(dǎo)致紅茶發(fā)酵不均勻，發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)，茶湯色澤不艷，底色欠濃，所以在紅茶發(fā)酵過(guò)程中對(duì)發(fā)酵溫度有嚴(yán)格要求。目前中國(guó)的紅茶一般在春、秋季發(fā)酵，春、秋季的溫度適宜，對(duì)紅茶發(fā)酵過(guò)程的影響較小。基于此，系統(tǒng)在發(fā)酵箱中用PID算法模擬春秋季節(jié)的溫度，以達(dá)到對(duì)紅茶發(fā)酵溫度的調(diào)控。

一般應(yīng)用的PID控制規(guī)律表達(dá)式為：

u（t）=Kp[e（t）+■■e（t）d（t）+TD■] （1）

通過(guò)溫度傳感器測(cè)量箱內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度R（t），與目標(biāo)溫度Y（t）做差，得到偏差值e（t）。將偏差值乘以比例項(xiàng)系數(shù)Kp得到比例項(xiàng)，將偏差值做積分并乘以積分項(xiàng)系數(shù)Ki得到積分項(xiàng)，將偏差值做微分并乘以微分項(xiàng)系數(shù)Kd得到微分項(xiàng)。當(dāng)實(shí)時(shí)溫度與目標(biāo)溫度有差值時(shí)，比例項(xiàng)就會(huì)起作用，調(diào)節(jié)加熱模塊使溫度趨于目標(biāo)值。比例項(xiàng)影響溫度調(diào)節(jié)的速度，過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)振蕩，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)過(guò)慢[5]。積分項(xiàng)用來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前已被微分調(diào)節(jié)作用消除。

溫度調(diào)節(jié)過(guò)程中增量PID表達(dá)式為：

u（t）=Kpe（t）+Ki■e（t）d（t）+KD■ （2）

式中，Ki為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)；偏差值e（t）=R（t）-Y（t）；R（t）為發(fā)酵箱的實(shí)時(shí)溫度；Y（t）為設(shè)定的目標(biāo)溫度[6]。

通過(guò)PID控制加熱模塊，當(dāng)系統(tǒng)溫度低于溫度下限時(shí)，控制溫控模塊的加熱程度，對(duì)系統(tǒng)加熱；當(dāng)系統(tǒng)溫度高于溫度上限時(shí)，PID控制溫控模塊處于不工作狀態(tài)。通過(guò)PID調(diào)控，發(fā)酵箱內(nèi)溫度能夠迅速精確地控制在預(yù)設(shè)溫度裕值內(nèi)。PID調(diào)節(jié)溫度流程如圖2所示。

2.2 濕度調(diào)節(jié)部分

紅茶發(fā)酵過(guò)程中，濕度的相對(duì)穩(wěn)定尤為重要。采用傳統(tǒng)沸水加溫加濕方法，高溫水蒸氣會(huì)在低溫茶團(tuán)上凝結(jié)，水膜阻抑茶與空氣交換[7]；采用傳統(tǒng)常溫加濕方法，所產(chǎn)生的是霧狀水滴而不是分子狀態(tài)的水，難以參與發(fā)酵過(guò)程；采用茶堆發(fā)酵方式，在厚度較大時(shí)，如翻動(dòng)不充分，會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)程中水分不均勻，最終導(dǎo)致發(fā)酵程度不一致。為解決以上問(wèn)題，系統(tǒng)采用超聲波霧化器通過(guò)加熱、節(jié)流和電極使水變成水蒸氣，對(duì)被調(diào)節(jié)空氣進(jìn)行加濕，濕蒸氣呈分子狀態(tài)，系統(tǒng)的濕度支持人工設(shè)定，并且系統(tǒng)采用負(fù)壓抽氣方式和送氣兩種方式共同協(xié)作，確保溫濕度分布均勻，且換氣均勻充分。

濕度調(diào)節(jié)過(guò)程如圖3所示，當(dāng)濕度傳感器檢測(cè)到系統(tǒng)濕度超出濕度裕度后，系統(tǒng)按照PID參數(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)1和風(fēng)機(jī)2的轉(zhuǎn)速。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)濕度低于預(yù)設(shè)濕度下限時(shí)，控制器在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)1加速向系統(tǒng)鼓入水蒸氣。同時(shí)，加速風(fēng)機(jī)2鼓出系統(tǒng)內(nèi)干燥的氣體，風(fēng)機(jī)1的轉(zhuǎn)速高于風(fēng)機(jī)2，使系統(tǒng)內(nèi)的濕度保持在裕值范圍內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的濕度超過(guò)預(yù)設(shè)濕度上限時(shí)，控制器在調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)1減速向系統(tǒng)鼓入水蒸氣的同時(shí)，減速風(fēng)機(jī)2鼓出系統(tǒng)內(nèi)的水蒸氣，風(fēng)機(jī)2的轉(zhuǎn)速高于風(fēng)機(jī)1，保證風(fēng)機(jī)2鼓出水蒸氣的流量大于風(fēng)機(jī)1鼓入水蒸氣的流量，使系統(tǒng)內(nèi)的濕度處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

3 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)中使用 PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)變量的穩(wěn)定調(diào)控。PID調(diào)節(jié)的反饋強(qiáng)度與反饋控制量應(yīng)該呈線性關(guān)系，因此，氣壓升降壓速率與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系是穩(wěn)壓控制的前提[8]。通過(guò)控制兩個(gè)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部溫度和濕度的動(dòng)態(tài)調(diào)控。

如圖4所示，通過(guò)溫度傳感器、濕度傳感器和氣壓傳感器采集系統(tǒng)內(nèi)溫度并記錄，設(shè)計(jì)各部分PID算法，實(shí)時(shí)將采集到的溫濕度信息發(fā)送至控制終端，在控制器的調(diào)控下，系統(tǒng)內(nèi)溫度和濕度在PID閉環(huán)控制的作用下處于穩(wěn)定，趨近于設(shè)定值，收斂于設(shè)定裕度，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化控制。系統(tǒng)內(nèi)的溫度、濕度和氣壓值由傳感器采集，并實(shí)時(shí)顯示在LCD屏幕上，可更加直觀地看出系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)的過(guò)程。

4 小結(jié)

基于PID的智能化紅茶發(fā)酵系統(tǒng)，采用自動(dòng)控制技術(shù)PID算法實(shí)時(shí)調(diào)控紅茶發(fā)酵過(guò)程中溫度、濕度和氣壓，可人工設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，具有良好的可操作性和實(shí)用性。通過(guò)控制風(fēng)機(jī)的工作模式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)氣壓和濕度的調(diào)整，控制溫控模塊的工作模式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的實(shí)時(shí)調(diào)控，而在風(fēng)機(jī)的工作模式和溫控模塊的工作模式有相互影響的前提下，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)紅茶發(fā)酵箱內(nèi)部環(huán)境的實(shí)時(shí)調(diào)控，表明系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性和可移植性。本研究采用自動(dòng)控制技術(shù)，使其能根據(jù)PID預(yù)設(shè)參數(shù)自動(dòng)調(diào)控溫度、濕度和空氣交換流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度和氣壓的精確控制，嚴(yán)格模擬春秋季節(jié)的相關(guān)環(huán)境特點(diǎn)，達(dá)到紅茶發(fā)酵不受環(huán)境條件制約的目的，對(duì)于中國(guó)紅茶發(fā)酵具有重要意義，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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