基于DMC-PID串級控制的茶葉遠紅外烘干機設計與試驗

李兵，孫長應，李為寧，宋揚揚

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基于DMC-PID串級控制的茶葉遠紅外烘干機設計與試驗

李兵1,2，孫長應2,3*，李為寧1，宋揚揚1

1. 安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，安徽 合肥 230036；2．安徽農(nóng)業(yè)大學茶樹生物學與資源利用國家重點實驗室，安徽 合肥 230031；3. 安徽農(nóng)業(yè)大學茶與食品科技學院，安徽 合肥 230036

根據(jù)茶葉物料烘焙時具有遲滯、大慣性和非線性的特點，采用傳統(tǒng)PID控制時溫度控制精度不高，超調量較大，魯棒性差。設計了一種基于動態(tài)矩陣控制的茶葉烘干機，烘干機采用多層隧道式，上加熱方式，加熱元件為電加熱遠紅外輻射板，運用DMC-PID串級溫度控制系統(tǒng)，前級的DMC算法提高溫度控制系統(tǒng)的動態(tài)響應能力與魯棒性；后級PID算法提高系統(tǒng)的抗干擾性能。對樣機進行綠茶烘焙試驗，試驗表明，采用PID溫度控制系統(tǒng)時烘干機超調量為10.5%，而采用DMC－PID串級溫度控制其超調量為5.9%。DMC-PID可顯著提高茶葉烘干機的溫度控制精度及成茶品質。

茶葉烘干機；DMC-PID 控制器；紅外輻射板加熱單元

PID控制技術現(xiàn)已應用于茶葉烘干機的溫度控制，其結構簡單且不需要建立數(shù)學模型，但對于動態(tài)特性復雜且控制要求較高的茶葉溫度控制系統(tǒng)效果并不理想[1-2]。在茶葉烘干過程中，PID控制缺少對茶葉溫度的預見，PID算法僅用輸出偏差的微分來估計茶葉未來的溫度輸出趨勢，由于茶葉種類較多，各個制茶工序的含水量均不相同，烘干工藝也不一樣，導致被控對象比較復雜，具有較強的動態(tài)不確定性，因此普通PID算法在茶葉烘干機運用時存在遲滯及較大超調量，魯棒性較差，嚴重時可導致成茶品質下降。

動態(tài)矩陣控制（Dynamic matrix control, DMC）算法是預測控制的代表算法之一，近年來在工業(yè)控制中得以重視，具有較好的動態(tài)響應和魯棒性，但抗干擾性較差[3-4]，考慮到茶葉烘干過程的熱慣性、大遲滯的特點，對于茶葉烘干機，將動態(tài)矩陣控制算法與PID算法相結合，可以克服兩者的缺點，提高茶葉烘干品質。

1 茶葉烘干機總體結構與工作原理

茶葉烘干機采用三層隧道結構，由上振動式輸料器、排氣扇、機架、上加熱單元、中加熱單元、下加熱單元、上輸送帶、中振動式輸料器、下輸送帶、下振動式輸料器、中輸送帶等組成（圖1）。整機分三層，每層輸送帶由與主動帶輪直聯(lián)的變頻電機直接驅動，避免了傳動裝置潤滑油脂受熱揮發(fā)對茶葉的二次污染；輸送帶上方布置有加熱單元，傳統(tǒng)的紅外線石英加熱管的溫度場為線形，而本機采用的紅外線輻射板的溫度場為面形，烘焙溫度更加均勻，在紅外線輻射板的旁邊布置有紅外線溫度傳感器以監(jiān)測茶葉的溫度，實現(xiàn)其上紅外線輻射板的溫度調節(jié)。輸送帶為食品級輸送網(wǎng)帶，具有較好的透氣性能，每層加熱單元均采用上加熱方式（ZL200920180699.9）[5]；輸送帶前方布置有課題組專門設計的均勻布葉裝置（ZL200910185579.2），通過上部振動器實現(xiàn)前后方向振動，下部振動器實現(xiàn)左右方向的振動，在雙自由度振動系統(tǒng)的同時作用下，可以使茶葉均勻的以一定厚度鋪滿輸送帶，使茶葉在烘干過程中受熱均勻一致，以提高烘焙品質[6]。茶葉由上振動式輸料器供料并輸送到上輸送帶，依次進入中層及下層的輸送帶最后由下輸送帶輸出以完成整個烘焙工序，各層輸送帶的線速度及每塊紅外線輻射板溫度可獨立調節(jié)，本機也可實現(xiàn)變溫烘焙，以適應不同茶類的烘焙工藝，具有更好的適應性。整機技術參數(shù)如表1所示。

注：1. 上振動式輸料器；2. 排氣扇；3. 機架；4. 上加熱單元；5. 中加熱單元；6.下加熱單元；7. 上輸送帶；8. 中振動式輸料器；9. 下輸送帶；10. 下振動式輸料器；11. 中輸送帶。

表1 茶葉烘干機主要技術參數(shù)

2 茶葉烘干DMC-PID串級控制系統(tǒng)

2.1 茶葉烘干動態(tài)矩陣控制（DMC）

動態(tài)矩陣控制本質上是基于被控對象階躍響應的增量控制[7]，對象的階躍響應離散系數(shù)為模型，避免了對傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間方程模型參數(shù)的辨識，同時采用多步預估技術，以解決滯后問題[8]。為了更接近于茶葉人工炭火烘干的品質，被控對象為茶葉溫度，布置于茶葉上方的紅外線溫度傳感器感知茶葉溫度，這比普通茶葉烘干機以熱電偶感知發(fā)熱元件溫度的方式將更加準確并有利于減小系統(tǒng)滯后與熱慣性。茶葉溫度的動態(tài)變化通過一系列動態(tài)系數(shù)α，α……，α描述，是階躍響應在各個采樣時刻的值，為模型時域長度[9]，此時茶葉溫度預測模型為：

式中

是由階躍響應系數(shù)組成的矩陣，稱為動態(tài)矩陣。為預測步程，是指預測輸出的數(shù)目；M為控制步程，是指控制的增量數(shù)目[10]。

DMC控制是以滾動方式對未來有限時域進行優(yōu)化，當前控制是通過在線計算進行。

時刻優(yōu)化性能指標為：

其中qi,rj為權系數(shù)，分別表示對跟蹤誤差及控制量變化的抑制。

為實現(xiàn)茶葉溫度反饋校正，控制系統(tǒng)相當于在輸入端加上的階躍，利用預測模型可算出輸出預測值。

考慮到外界干擾等因素，上式給出的預測值可能與實際值存在誤差，因此需利用實時檢測的茶葉溫度(+1)進行反饋校正，實時誤差是實時茶葉溫度與預測茶葉溫度輸出值1的差值。

因為造成誤差的因素的不確定性，可采用對誤差(+1)加權的方式修正對未來茶葉溫度的預測。

式中

：校正系數(shù)（0＜＜1）

的選擇要兼顧到魯棒性與抗干擾性，當→0時系統(tǒng)的魯棒性增強，但對擾動的靈敏度下降，抗干擾性差；當→1則抗干擾性增強，魯棒性差。校正后的預測輸出值ycor(+1)作為+1時刻的初始預測值，則茶葉溫度控制系統(tǒng)按此過程循環(huán)在線進行。

2.2 茶葉烘干DMC-PID串級控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)PID控制廣泛應用于工業(yè)控制中，即通過比例作用的反應迅速、積分作用的消除余差和微分作用的超前控制的能力，當偏差階躍出現(xiàn)時，微分立即動作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久并起主要作用的控制規(guī)律，也是促使系統(tǒng)穩(wěn)定的主要環(huán)節(jié)；而積分作用是克服余差。當控制參數(shù)選擇合適，便可充分發(fā)揮3種控制規(guī)律的優(yōu)點，得到較為理想的控制效果。其抗干擾性較好，但用于茶葉烘干溫度控制時具有較大的遲滯性及超調，實際制茶會出現(xiàn)較大的溫差，出現(xiàn)烘焙不足或過烘現(xiàn)象，影響茶葉品質。DMC控制輸入為階躍響應，由于外界存在干擾等因素，可能造成較大的誤差，DMC的控制結構主要由預測模型、滾動優(yōu)化、誤差校正等環(huán)節(jié)構成，以不斷的實時在線進行“滾動優(yōu)化”可直接處理帶有純滯后的被控對象，與單一的PID優(yōu)化相比，DMC-PID串級是在原先的PID閉環(huán)控制基礎上加入了預測算法，具有更好的跟蹤性及魯棒性[11]。

茶葉烘干DMC-PID控制系統(tǒng)采用DMC與PID串級方式進行（圖2）。

系統(tǒng)由兩個閉環(huán)系統(tǒng)構成，外環(huán)采用DMC閉環(huán)控制，更利于處理茶葉烘干工藝過程中茶葉溫度動態(tài)特性復雜，具有純滯后特點的被控對象，將具有更好的時實性并減小超調；內(nèi)環(huán)采用PID閉環(huán)控制，利于PID對干擾的良好抑制效果，干擾信號加于PID內(nèi)環(huán)，更有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能，再將PID內(nèi)環(huán)與被控制對象一起作為廣義對象加到外環(huán)，進行DMC控制。

圖2 DMC-PID溫度控制系統(tǒng)圖

圖2中，T為設定的茶葉烘焙溫度，DMC是外環(huán)動態(tài)矩陣控制算法，PID為內(nèi)環(huán)PID控制算法，為干擾信號，為內(nèi)環(huán)負反饋；T是內(nèi)環(huán)輸出，為外環(huán)負反饋，T為系統(tǒng)輸出。

3 茶葉烘干試驗

3.1 DMC-PID串級溫度控制試驗

為了驗證控制系統(tǒng)的性能，對FUZZY- PID溫度控制系統(tǒng)及DMC-PID串級溫度控制進行了茶葉烘焙試驗，原料為綠毛茶20?kg，輸送帶茶葉厚度4?cm，設定茶葉烘焙葉溫為85℃，烘焙時間為40?min，試驗結果如圖3所示，最大超調量按公式（7）進行計算。

式中：σ：最大超調量；Y：輸出最大值；：穩(wěn)態(tài)值。

從兩種不同的溫度控制曲線可以計算出，采用DMC-PID串級溫度控制與FUZZY- PID控制的初始升溫速率基本一致，到達到預定溫度后前者具有較小的超調（5.9%），而后者超調量較大（10.5%）；從控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性來看，前者到達穩(wěn)態(tài)時間為200?s（占總烘焙時間8.3%），而后者需要400?s（占總烘焙時間16.6%）。

3.2 茶葉烘焙對比試驗

樣機制成后，分別對傳統(tǒng)PID控制及DMC-PID溫度控制系統(tǒng)對樣茶進行烘焙試驗。并對相應茶樣的人工審評，試驗采用人工評審的方法，按照SB/T 10157—1993（茶葉感觀評審方法）標準進行，綠茶品質評審因子權數(shù)分配如表2所示。

圖3 DMC-PID與FUZZY-PID溫度控制曲線

表2 綠茶品質評審因子權數(shù)分配表

Table 2 Factor weights allocation table of green tea quality evaluation

其得分按下式計算：

式中：：加權總分；i：品質審評因子的評分；i：品質審評因子權數(shù)。

人工審評結果如表3，茶葉外觀方面，兩種溫度控制方式在外形及凈度上基本一致，差別較小，但DMC-PID在碎度及色澤上優(yōu)于FUZZY-PID；在茶葉內(nèi)質方面，兩種溫度控制方式在湯色及葉底上得分基本一致，但DMC-PID控制在香氣及滋味上優(yōu)于FUZZY-PID控制。

表3 人工審評得分

Table 3 Manual review scoring

4 結論

針對茶葉物料烘焙時具有遲滯、大慣性和非線性的特點，設計了基于DMC-PID串級控制的茶葉烘干機，烘干機采用多層隧道式，加熱元件為電加熱遠紅外輻射板，其特點是：茶葉烘干機和各層輸送帶線速度可調；采用上加熱方式且每塊紅外線輻射板溫度獨立可調，可實現(xiàn)變溫烘焙。進行的茶葉烘焙實驗結果表明，DMC-PID串級控制可提高茶葉烘干機的溫度控制精度及減小最大超調量，其成茶品質優(yōu)于FUZZY-PID控制的烘干機，DMC-PID串級控制可以用于相關茶葉加工機械的溫度控制系統(tǒng)中，同時也可以為其它農(nóng)產(chǎn)品烘干機械提供理論借鑒。

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Design and Experiment of Tea Far Infrared Dryer Based on DMC-PID Cascade Control

LI Bing1,2, SUN Changying2,3*, LI Weining1, SONG Yangyang1

1. School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230031, China; 2. State Key Laboratory of Tea Plant Biology and Utilization, Anhui Agricultural University, Hefei 230031, China; 3. China School of Tea and Food Science and Technology, Anhui Agricultural University, Hefei 230031, China

According to the characteristics of delay, inertia and nonlinearity in the baking of tea materials, the low accuracy of temperature control, large overshoot and poor robustness of traditional PID control largely limited relative application. A tea drying machine was designed based on DMC-PID control in this paper. The drying machine adopted multi-layer tunnel with the infrared radiation plate heating element above the conveyor belt. The DMC-PID cascade temperature control system was also used. The first DMC algorithm improved the robustness and capability of the dynamic temperature control system and the second PID algorithm improved the anti-jamming performance simultaneously. The green tea baking experiment on the prototype was carried out. The results showed that when the PID temperature control system was adopted, the overshoot of the dryer became 10.5%. When the DMC PID cascade temperature control was used，the overshoot was 5.9%. DMC-PID control could improve the temperature control precision and tea quality of the tea dryer.

tea dryer, DMC-PID control, infrared radiation heating unit

TS272.5

A

1000-369X(2018)04-410-06

2018-02-28

2018-03-20

國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0400801、2018YFD0700500）、安徽省教育廳自然重點項目（KJ2017A133）

李兵，男，安徽明光人，副教授，博士，主要從事茶葉機械研究。*通訊作者