富硒綠茶電磁殺青溫度控制器的設計與研究

余錚術，王晉鑫，桑 普，陳 成，譚愛國，2，廖紅華*

(1.湖北民族大學 信息工程學院，湖北 恩施 445000;2.湖北英孚電力有限公司，湖北 恩施 445000)

富硒綠茶加工過程中，殺青溫度控制及制茶加工工藝直接決定富硒綠茶成茶品質(zhì)[1-2].殺青溫度對富硒綠茶主要理化成分影響較大，若殺青溫度過高，富硒綠茶中硒含量會減少，溫度過低，又達不到殺青效果[3].同時，制茶加工工藝對不同品質(zhì)、不同地域、不同季節(jié)的鮮葉的工藝也不相同.如何在保障富硒綠茶茶葉高品質(zhì)的前提下，結(jié)合特定品質(zhì)鮮葉，有針對性地實現(xiàn)特定富硒綠茶殺青加工與控制，一直是富硒綠茶加工企業(yè)亟須完成的課題.

目前，殺青機普遍采用熱輻射式滾筒殺青、汽熱殺青和電磁滾筒殺青等加熱方式.其中，熱輻射式滾筒殺青利用電加熱管加熱，在溫度控制方面多采用模糊控制或神經(jīng)網(wǎng)絡等技術實現(xiàn)單一溫度的提高與保持[4-7].汽熱殺青采用蒸汽殺青，完成后需經(jīng)過熱風去除多余水分，盡管其茶湯色澤綠，但香氣不高.電磁滾筒殺青機可通過調(diào)節(jié)感應加熱電源輸出頻率，較快地改變感應加熱功率，能夠滿足富硒綠茶殺青所需的多段溫度快速調(diào)節(jié)的要求，且由于電磁加熱的特性，其能耗成本相較于熱輻射式滾筒殺青能大幅度降低[8-9].就目前而言，市面的茶葉電磁殺青機僅為通用性茶葉殺青設備，暫無有針對富硒綠茶電磁殺青的電磁殺青專用設備.

為此，本文結(jié)合實際項目需求設計了一種富硒綠茶電磁殺青溫度控制器，使之滿足富硒綠茶電磁殺青溫度控制及制茶加工工藝特定要求.該控制器具有控制參數(shù)、測量數(shù)據(jù)上下位機雙向傳輸，溫度控制精度高，響應時間快，工作頻率隨負載變化自動調(diào)節(jié)的優(yōu)點，能夠為富硒綠茶電磁殺青設備研發(fā)提供一定的技術支撐.

1 富硒綠茶電磁殺青溫度控制策略

富硒綠茶殺青工藝分為三個階段：第一階段需將青葉迅速升溫從而抑制發(fā)酵，同時減少葉中水分；第二階段需略微降溫令茶葉增香；第三階段需再次降溫實現(xiàn)茶葉定型，而又不導致過度殺青.因為當殺青滾筒溫度變化，滾筒的磁導率、電導率和比熱容并非定值，固定參數(shù)的傳統(tǒng)比例-積分-微分(PID)控制器難以滿足控制需求，所以為實現(xiàn)富硒綠茶電磁殺青溫度多段自適應調(diào)節(jié)，選用自適應增量式PID溫度控制算法，實現(xiàn)富硒綠茶殺青溫度控制.圖1為其控制原理框圖.

圖1 自適應增量式PID溫度控制原理框圖Fig.1 Block diagram of adaptive incremental PID temperature controller

自適應增量式 PID 溫度控制算法能夠適應非線性、滯后時間長的被控對象，并能根據(jù)控制增量自整定PID參數(shù)，增量Δuk的確定與最近3次的溫度采樣值相關[10]，具體算法如下：

Δuk=[e(k)-e(k-1)]Kp+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]，

(1)

式中e(k)是第k次采樣時刻的偏差，由此實現(xiàn)參數(shù)實時整定.此外，每次溫度調(diào)節(jié)將選取不同的PID基本參數(shù)，從而在多次溫度變化過程中，達到較為理想的控溫效果.

2 富硒綠茶電磁殺青溫度控制器硬件設計

富硒綠茶電磁殺青溫度控制器以STM32F407IGT6微控制器為核心、控制溫度采樣模塊、感應電源模塊、人機交互模塊、電壓電流采樣模塊、電磁感應加熱LC串聯(lián)諧振電路、滾筒轉(zhuǎn)速控制模塊，實現(xiàn)富硒綠茶電磁殺青溫度控制，其系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 富硒綠茶電磁殺青溫度控制器系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of electromagnetic temperature controller for selenium enriched green tea

工作原理：富硒綠茶鮮葉進入滾筒后，通過人機交互界面啟動控制器.首先，感應加熱電源模塊輸出高頻交流電，并配合頻率跟蹤模塊使LC串聯(lián)電路進入諧振狀態(tài).其次，溫度采樣模塊實時監(jiān)測滾筒內(nèi)溫度，由微控制器將數(shù)據(jù)處理后通過串口將該數(shù)據(jù)顯示在人機交互界面上.為實現(xiàn)加熱功率的調(diào)節(jié)，以此數(shù)據(jù)作為參考量，實現(xiàn)閉環(huán)控制.最后，微控制器通過RS-485通信方式建立微控制器與變頻器的聯(lián)系，從而向變頻器發(fā)送啟停調(diào)速等控制指令，實現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)控功能.

2.1 溫度采集模塊

依據(jù)富硒綠茶殺青工藝，殺青溫度必須控制在200～300 ℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)選用K型熱電偶為溫度傳感器.溫度信號調(diào)理電路如圖3所示.

圖3 溫度信號調(diào)理電路Fig.3 Temperature signal conditioning circuit

在圖3中，K型熱電偶將信號送至AD8495芯片，其目的就是將熱電偶信號放大輸出及冷端補償[6].為了避免系統(tǒng)噪聲干擾，設計時采用AD822，HCNR201實現(xiàn)線性光耦隔離功能，具體電路如圖4所示.

圖4 線性光耦隔離電路Fig.4 Isolation circuit of linear optocoupler

2.2 頻率跟蹤模塊及感應加熱電源驅(qū)動電路

頻率跟蹤模塊采用數(shù)字+模擬復合方式實現(xiàn)頻率跟蹤控制，頻率跟蹤模塊及感應加熱電源驅(qū)動電路如圖5所示.

圖5 感應加熱電源驅(qū)動電路及頻率跟蹤模塊Fig.5 Driving circuit and frequency tracking module of induction heating power supply

當感應加熱電源開始工作，微控制器在設定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)PWM輸出占空比，實現(xiàn)可變電壓輸出至SG3525的輸出頻率控制引腳.SG3525輸出的一路PWM波與逆變器負載反饋回的電流通過CD4046鑒相器比較相位，CD4046會將相位差信號轉(zhuǎn)化為電壓傳送至微控制器.微控制由此調(diào)節(jié)輸出的PWM波占空比，直至找到目標頻率，并鎖定輸出.隨著溫度變化，負載電阻及電感值會發(fā)生改變，控制器通過重復上述步驟實現(xiàn)再次頻率跟蹤.

在感應加熱電源驅(qū)動電路中，SG3525將兩路互補的PWM波分別送至兩片IGBT驅(qū)動芯片的IN+腳.兩枚驅(qū)動芯片的OUT引腳輸出信號分別控制IGBT模塊的兩個單元，將兩相交流電逆變?yōu)楦袘訜崴璧妮敵鲭妷?

2.3 感應加熱電源主電路及電磁感應加熱LC串聯(lián)諧振電路

本設計中感應加熱電源輸出額定功率為8 kW，電路如圖6所示.

圖6 感應加熱電源主電路及電磁感應加熱LC串聯(lián)諧振電路Fig.6 Main circuit of induction heating power supply and LC series resonant circuit

在假定整流及逆變的效率為90%、功率因數(shù)為0.95的前提下，可求得三相不控整流橋輸出平均電流值Id為22.59 A，因此選用SQL 40 A三相不控整流橋，其額定電流為40 A.Ld1、Ld2為平波電抗器用于抑制整直電壓中的紋波.圖中L1與R為感應線圈的等效模型.在保障在工作頻率范圍內(nèi)電磁感應加熱LC串聯(lián)阻抗為感性的前提下，根據(jù)諧振頻率計算公式，取諧振電感L1=160 μF，R=3 Ω，f=20 kHz可求得C10=C11=0.396 μF，因此選取0.4 μF/3 000 V的諧振電容.

3 軟件設計

軟件設計如圖7所示，主要包括自適應增量式PID溫度控制算法、人機交互程序、自動殺青程序.

圖7 軟件流程圖Fig.7 The software flow diagram

當控制器開始工作，電壓電流采集模塊檢測是否存在欠壓欠流等異常情況.若無，可進入狀態(tài)監(jiān)測控制界面，狀態(tài)監(jiān)測控制界面中可點擊自動殺青按鈕進入的自動殺青模式.在自動殺青模式下，控制器通過調(diào)頻鎖相程序使電磁感應加熱LC串聯(lián)電路工作在準諧振狀態(tài)，當接近目標溫度時調(diào)用自適應增量式PID算法，根據(jù)實時溫度調(diào)節(jié)半橋逆變電路工作頻率，從而獲得更好的加熱效果.最后，根據(jù)設定的殺青時間完成富硒綠茶電磁殺青流程.與此同時，微控制器實時將溫度、電流、電壓等參數(shù)通過串口發(fā)送至串口屏中相對應的字符框組件，從而實現(xiàn)實時觀察殺青參數(shù)的功能.

4 電磁殺青溫度控制器測試與分析

4.1 控制算法仿真與分析

電磁滾筒殺青溫度控制模型具有非線性和滯后性的特點，因此采用實驗與理論分析相結(jié)合的方法，把溫度作為集中參數(shù)，其數(shù)學模型可用一階慣性時滯環(huán)節(jié)來描述.傳遞函數(shù)如公式(2)所示：

(2)

通過測試對象的階躍響應并采用科恩-庫恩公式可求得：K=0.95，τ=5s，Tp=400.利用Matlab分別建立常規(guī)PID和自適應增量式PID的溫度控制仿真模型.設定仿真時間為650 s，采樣周期為0.1 s，溫度控制仿真結(jié)果如圖8所示.

圖8 常規(guī)PID控制與自適應增量式PID控制響應曲線 圖9 鎖頻后的負載電壓電流波形Fig.8 Response curve of conventional PID control and self-tuning incremental PID control Fig.9 Load voltage and current waveform after frequency locking

由仿真曲線比較可知，常規(guī)PID控制在第一次升溫的調(diào)節(jié)時間ts為127 s，自適應增量式PID控制的調(diào)節(jié)時間僅需29 s.此外相較于常規(guī)PID控制，增量式PID控制的穩(wěn)態(tài)精度能達到±2 ℃.因此采用自適應增量式PID控制電磁殺青溫度，能夠全面改善溫度控制器的動態(tài)性能，從而更好地滿足富硒綠茶電磁殺青的工藝需求.

4.2 感應加熱電源仿真與分析

建立感應加熱電源及電磁感應加熱LC電路模型，其負載達到穩(wěn)態(tài)后的電壓電流波形結(jié)果如圖9所示.

模型中，電磁感應加熱LC串聯(lián)諧振電路采用與硬件設計一致的元器件參數(shù)，并設定半橋逆變電路初始工作頻率為24 kHz.根據(jù)頻率跟蹤硬件電路工作原理，在Simulink中搭建頻率跟蹤模塊.當半橋逆變電路工作頻率下降至19.894 kHz時半橋逆變電路由他激轉(zhuǎn)為自激，從而鎖定工作頻率.由圖9可知，電流幅值為23.47 A.當電流達到最大瞬時值時，電壓換向，電磁感應加熱LC串聯(lián)諧振電路工作于準諧振狀態(tài).此時電磁感應加熱LC串聯(lián)電路阻抗最小，流過電感線圈的電流最大，能夠獲得更好的加熱效果.

4.3 加熱實驗分析

通過測試，實現(xiàn)了本文所提的富硒綠茶電磁殺青溫度控制器功能.未加入頻率跟蹤模塊不同工作頻率對應穩(wěn)態(tài)輸出電流幅值如圖10(a)所示，不同工作頻率下同一感應加熱電源加熱滾筒外點溫度隨時間變化如圖10(b)所示.當感應加熱電源輸出頻率低于電磁感應加熱LC串聯(lián)電路固有諧振頻率時，IGBT模塊將被反向擊穿，因此感應加熱電源輸出頻率需略高于固有諧振頻率19.894 kHz.由圖10(a)可知，半橋逆變電路工作頻率越接近固有諧振頻率，流過電感線圈的電流越大.由于渦流大小與交變磁場的強度和頻率同時有關，通過對圖10(b)分析可知，在同一時間段內(nèi)，半橋逆變電路工作頻率越接近電磁感應加熱LC電路固有諧振頻率其升溫速度越快，所以在電磁殺青溫度控制器中加入頻率跟蹤模塊能更好地提高升溫速度，從而滿足富硒綠茶殺青工藝快速加熱溫度需求.

(a) 工作頻率與穩(wěn)態(tài)電流幅值關系 (b)滾筒外點溫度隨時間變化圖圖10 加熱實驗數(shù)據(jù)Fig.10 Heating experiment data

5 結(jié)語

根據(jù)富硒綠茶殺青工藝需求，設計了一種針對富硒綠茶電磁殺青的溫度控制器，并研究了其控制算法以及不同工作頻率條件下同一感應加熱電源加熱滾筒外點溫度變化情況.結(jié)果表明，采用自適應增量式PID的控制策略，能有效提高富硒綠茶電磁殺青穩(wěn)態(tài)溫度控制精度，降低調(diào)溫時間；采用頻率跟蹤模塊能較好實現(xiàn)調(diào)頻鎖相，能使電磁感應加熱LC串聯(lián)諧振電路工作在準諧振狀態(tài)，實現(xiàn)最大功率輸出.