丘文杰，劉庚強(qiáng)，黃隆勝，盧素珊，楊文杰，胡光華

（1.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510630；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；3.英德市龍潤農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 英德 513099）

0 引言

紅茶發(fā)酵的實(shí)質(zhì)是以多酚類化合物為主體，發(fā)生酶促或非酶促氧化反應(yīng)的化學(xué)變化過程。紅茶發(fā)酵的3 個關(guān)鍵要素是發(fā)酵環(huán)境溫度、濕度和含氧量。溫度影響茶黃素、茶紅素的形成速度。水是發(fā)酵過程中多酚類酶促氧化、香氣形成等化學(xué)變化不可缺少的介質(zhì)，發(fā)酵環(huán)境的相對濕度保持在一個較高的水平下，才能減少茶葉水分蒸發(fā)，保證茶葉中含水量充足。提高發(fā)酵環(huán)境的含氧量，能明顯加快工夫紅茶發(fā)酵過程中葉面色澤的紅變，促進(jìn)紅茶特征香氣的形成，提升發(fā)酵前期葉面的升溫速率，縮短整體發(fā)酵時間[1-3]。

有學(xué)者提出，高溫發(fā)酵有利于平行反應(yīng)中茶黃素形成量的增加，但不利于連串反應(yīng)中茶黃素的積累。而低溫發(fā)酵則有利于連串反應(yīng)中茶黃素的積累，不利于平行反應(yīng)中茶黃素的形成。由于平行反應(yīng)在前，連串反應(yīng)在后，因此為了獲得較大的茶黃素含量，發(fā)酵前期宜采用高溫，中后期轉(zhuǎn)為低溫，即變溫發(fā)酵法[4]。

國內(nèi)大部分的茶葉生產(chǎn)廠家仍然是利用空調(diào)、灑水、人工間歇性翻堆等傳統(tǒng)方式，使茶葉在自然環(huán)境或發(fā)酵房內(nèi)完成發(fā)酵。傳統(tǒng)發(fā)酵方式易受天氣影響，發(fā)酵的速度和質(zhì)量難以控制[5-6]。為實(shí)現(xiàn)茶葉發(fā)酵工藝的優(yōu)化，本文設(shè)計了一套茶葉發(fā)酵控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對茶葉發(fā)酵過程中的環(huán)境溫度、濕度、含氧量等影響因子的精確控制。同時兼具工藝控制功能，在整個發(fā)酵過程中可以按照預(yù)設(shè)工藝連續(xù)改變發(fā)酵環(huán)境的溫度、濕度和含氧量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該控制系統(tǒng)能較好地達(dá)成設(shè)計目的，保證紅茶發(fā)酵過程中參數(shù)的穩(wěn)定，提升了茶葉加工過程的品質(zhì)。

1 箱式紅茶發(fā)酵機(jī)結(jié)構(gòu)

箱式紅茶發(fā)酵機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，將需要發(fā)酵的茶葉放于物料托盤中，托盤分層放置。新鮮空氣從頂部的進(jìn)氣風(fēng)機(jī)進(jìn)入加熱箱。經(jīng)過發(fā)熱絲加熱后，由進(jìn)氣導(dǎo)風(fēng)管進(jìn)入發(fā)酵箱體底部與超聲波加濕器產(chǎn)生的水霧結(jié)合。由循環(huán)風(fēng)機(jī)使?jié)駸峥諝鈴南潴w底部抽至上方的風(fēng)道，最后從兩側(cè)的均風(fēng)板吹出。循環(huán)風(fēng)機(jī)的可以強(qiáng)制箱體內(nèi)部的空氣進(jìn)行流動，保證箱體內(nèi)各處的空氣溫濕度一致。排氣風(fēng)機(jī)和電動風(fēng)閥根據(jù)氧氣濃度開啟，當(dāng)發(fā)酵所需的O2濃度小于大氣O2濃度(約為21%)時，排氣風(fēng)機(jī)和電動風(fēng)閥開啟，輔助進(jìn)氣風(fēng)機(jī)加快外部空氣的流入，替換箱體內(nèi)含氧量較低的空氣。當(dāng)發(fā)酵所需O2濃度大于大氣O2濃度(約為21%)時，排氣風(fēng)機(jī)和電動風(fēng)閥不動作，使用供氧電磁閥輸入O2，保證發(fā)酵箱內(nèi)的含氧量。

2 控制原理

2.1 基于PID的溫濕度控制

溫度控制系統(tǒng)具有滯后性、非線性和時變性的特征，很難或無法建立一個準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，因此采用常規(guī)的線性控制理論難以做到精確控制[7-9]。所以，在溫濕度控制系統(tǒng)中采用模糊PID 控制的方式，提高其控制精度。

PID 結(jié)構(gòu)如圖2 所示，PID 以設(shè)定溫度t0和設(shè)定濕度p0為目標(biāo)值，發(fā)酵溫度t1和發(fā)酵濕度p1為反饋。首先確定目標(biāo)值t0和p0，代入結(jié)構(gòu)中的r（t）。當(dāng)前值t1和p1，代入結(jié)構(gòu)中的y（t）。計算出2 個誤差值△t=t0-t1和△p=p0-p1，代入結(jié)構(gòu)中的e（t）。通過控制器D（s）計算得出u（t），換算后得出PWM 得占空比，控制發(fā)熱絲和超聲波加濕器的輸出功率。

式中：

u（t）——輸出值；

e（t）——反饋誤差；

Kp——比例系數(shù)；

Tt——積分系數(shù)；

Td——微分系數(shù)。

PID 公式如式（1）所示，Kp影響當(dāng)前檢測值到目標(biāo)值的斜率，Kp越大，從當(dāng)前值到目標(biāo)值的時間越短。根據(jù)e（t）和Tt，周期性的調(diào)整u（t）。只要輸出值和目標(biāo)值存在誤差，則誤差一直累計，用于增大或減小輸出值，使輸出值接近目標(biāo)值。當(dāng)輸出值和目標(biāo)值相等時，累計誤差為0，不再影響輸出值；Td為微分時間常數(shù)，因?yàn)榘l(fā)熱絲和加濕器的做功具有滯后性，加熱和加濕時會產(chǎn)生過沖的現(xiàn)象。當(dāng)輸出值接近目標(biāo)值時，此時Td開始介入，提供緩沖的作用，使Kp的斜率減小，防止因?yàn)檫^沖導(dǎo)致的系統(tǒng)震蕩。上述公式中的Kp、Tt、Td是根據(jù)不同的使用環(huán)境和實(shí)際情況而標(biāo)定的參數(shù)。

PWM 是指脈沖寬度調(diào)制?？梢院唵卫斫鉃楣β蕿? kW，效率100%的發(fā)熱絲工作1 h 能產(chǎn)生1 kW的熱量，則工作0.5 h 就產(chǎn)生0.5 kW 的熱量。只要控制發(fā)熱絲在1 h 之內(nèi)開/關(guān)時間的比例（占空比），就能控制發(fā)熱絲在1 h 之內(nèi)輸出多少功率，相應(yīng)產(chǎn)生多少熱量?？刂频臅r間單位越小，控制精度越高。使用PID 計算出當(dāng)前時刻所需的熱量和濕度，然后轉(zhuǎn)換為占空比，控制發(fā)熱絲、加濕器的開關(guān)比例，就能不斷地調(diào)整發(fā)熱絲和加濕器的輸出功率，達(dá)到精確控溫控濕的效果。

2.2 基于模糊控制的含氧量控制

模糊控制的常用方法有查表法和公式法。查表法是根據(jù)輸入信號和輸出信號，預(yù)先把所有可能出現(xiàn)的情況列成表格?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)輸入信號查詢表格得出對應(yīng)的輸出信號[10]。含氧量控制中因?yàn)橛绊懸蛩剡^多，建立數(shù)學(xué)模型困難，因此采用模糊控制中的查表法。

首先確定氧含量設(shè)定值q0、加載值q加=q0－氧氣加載下偏差、卸載值q卸=q0＋氧氣卸載上偏差。當(dāng)q1＜q加，定義為氧氣含量不足，需要加氧。當(dāng)q1≥q卸，定義為氧氣含量充足，停止加氧。由于控制供氧的電磁閥只有開、關(guān)2 種狀態(tài)，所以加氧對應(yīng)電磁閥開的動作，停止加氧則對應(yīng)電磁閥關(guān)的動作。

2.3 變溫變濕發(fā)酵工藝控制

使用人機(jī)交互界面的配方功能，可以儲存20 種不同的工藝，每1 種工藝內(nèi)最多可包含25 個分段工藝。每段可設(shè)置不同的溫濕度、氧氣含量和發(fā)酵時間等工藝參數(shù)。發(fā)酵前在人機(jī)交互界面設(shè)定好不同階段所需的溫度、濕度、含氧量的值并保存。開始發(fā)酵后，控制系統(tǒng)按照保存的發(fā)酵工藝開始執(zhí)行程序。到達(dá)設(shè)定的發(fā)酵時間后，程序結(jié)束。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)使用臺達(dá)DVP-ES2PLC 作為控制核心，用于各控制參數(shù)的計算以及控制各被控對象的動作。使用臺達(dá)DOP-107CV 觸摸屏作為人機(jī)交互界面，用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、儲存發(fā)酵工藝、顯示測量數(shù)據(jù)以及各被控對象的動作狀態(tài)。

3.1 控制流程

系統(tǒng)控制流程如圖3 所示，設(shè)備運(yùn)行，立即啟動循環(huán)風(fēng)機(jī)。循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)行一定時間后，比較發(fā)酵工藝中設(shè)置的溫度t0、濕度p0、氧氣濃度q0與發(fā)酵箱體內(nèi)的溫度t1、濕度p1、氧氣濃度q1。計算出加熱、加濕、加氧信號，根據(jù)3 種信號輸出不同的動作。圖3 中t0為設(shè)置溫度，t1為測量溫度，t2為開加濕溫度，p0為設(shè)置濕度，p1為測量濕度，p2為開排氣濕度，q0為設(shè)置O2濃度，q1為測量O2濃度，h0為工藝設(shè)置時間，h1為工藝運(yùn)行時間。

1）加熱、加濕信號。t0＞t1或p0＜p1時啟動進(jìn)氣風(fēng)機(jī)。進(jìn)氣風(fēng)機(jī)運(yùn)行后再次對比t0、t1和p0、p1。滿足t0＞t1時，輸出加熱信號。滿足p0＞p1且t1＞t2時，輸出加濕信號。加溫、加濕信號為并行分支，同時進(jìn)行對比，分別輸出。如果不滿足t0＞t1或p0＞p1，則不輸出加溫、加濕信號，回到程序起點(diǎn)重新判斷。

2）加氧、排氣信號。q0＞21%且q0＞q1時開啟排氣風(fēng)機(jī)。如果q0＞21%，開始對比q0和q1。當(dāng)q0＞q1，輸出加氧信號。當(dāng)q0≤21%且p1＞p2時，輸出排氣信號。

3）工藝切換信號。在工藝運(yùn)行時間h1＜h0時，程序重新循環(huán)，判斷是否輸出加熱、加濕、加氧信號。當(dāng)h1≥h0時，退出循環(huán)，程序停止。

3.2 動作輸出

1）循環(huán)風(fēng)機(jī)、進(jìn)氣風(fēng)機(jī)。程序開始，循環(huán)風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行，直到程序結(jié)束才停止。循環(huán)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時，可以強(qiáng)制發(fā)酵箱內(nèi)的空氣循環(huán)流動，保證發(fā)酵箱內(nèi)空氣的溫濕度一致，提高測量溫濕度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時帶動從發(fā)熱絲、加濕器出來的濕熱空氣至發(fā)酵箱頂部，和發(fā)酵箱頂部的干冷空氣混合，避免熱量和水分堆積在發(fā)酵箱底部。

2）發(fā)熱絲、超聲波加濕器。輸出加熱、加濕信號時，PID 根據(jù)設(shè)置的溫度、濕度，以及反饋的發(fā)酵溫度、濕度，計算出輸出值，然后轉(zhuǎn)換得出發(fā)熱絲、加濕器的占空比。利用PWM 的原理不斷調(diào)整發(fā)熱絲、加濕器的開停，控制發(fā)熱絲、超聲波加濕器增大或減小輸出功率。

3）供氧電磁閥。輸出加氧信號時，電磁閥打開。在開啟一段時間后關(guān)閉，等待氧氣與發(fā)酵箱內(nèi)空氣均勻混合。供氧時如果氧氣濃度超過設(shè)定值，立即停止供氧。到停止時間后如果仍有加氧信號，則繼續(xù)重復(fù)上述動作。

4）排氣風(fēng)機(jī)、電動風(fēng)閥。當(dāng)沒有加氧或排氣信號時，排氣風(fēng)機(jī)、電動風(fēng)閥不動作。輸出加氧信號時，電動風(fēng)閥關(guān)閉。由于發(fā)酵箱體的密封，且發(fā)酵箱內(nèi)溫度比外界溫度高，導(dǎo)致進(jìn)氣風(fēng)機(jī)背壓大，進(jìn)氣量小，可以保證發(fā)酵箱內(nèi)溫濕度的穩(wěn)定。此時茶葉發(fā)酵所消耗的氧氣由電磁閥供給。

輸出排氣信號時，電動風(fēng)閥開啟。進(jìn)氣風(fēng)機(jī)背壓減小，進(jìn)氣量增大，快速補(bǔ)充新風(fēng)至發(fā)酵箱內(nèi)，把箱內(nèi)含氧量低的空氣置換出去。但持續(xù)開啟排氣風(fēng)機(jī)，發(fā)酵箱內(nèi)的濕熱空氣也會被排出，這時就需要加大發(fā)熱絲和加濕器的輸出功率，維持發(fā)酵箱內(nèi)的溫濕度，造成能耗加大，設(shè)備整體效率下降。所以輸出排氣信號時，排氣風(fēng)機(jī)和電動風(fēng)閥以間歇的方式運(yùn)行，相隔一段時間開啟一次補(bǔ)充新風(fēng)，可以減少能耗損失，提高設(shè)備效率。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

研制出的箱式茶葉發(fā)酵設(shè)備在英德某茶葉生產(chǎn)廠進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，并且對生產(chǎn)過程中的溫濕度等數(shù)據(jù)做詳細(xì)記錄。試驗(yàn)中選用英紅九號的紅茶作為生產(chǎn)對象。每批物料總重40 kg，分為4 個托盤。托盤分布在發(fā)酵箱的上、中、下3 個位置。物料溫度選擇上部托盤的物料作為測量對象，上部托盤為整體風(fēng)道的末端，屬于溫濕度最低的區(qū)域。一共生產(chǎn)試驗(yàn)了26 批次的物料。選取其中2 個批次的數(shù)據(jù)作為討論。選取批次的發(fā)酵工藝如表1 所示。

表1 發(fā)酵工藝

4.2 溫濕度數(shù)據(jù)分析

發(fā)酵過程溫濕度變化如圖4 和圖5 所示，在發(fā)酵的0～1 h 階段，因發(fā)酵箱內(nèi)溫濕度偏離目標(biāo)值，且物料在吸收熱量以及水分。為了使發(fā)酵箱內(nèi)溫濕度快速到達(dá)目標(biāo)值，發(fā)熱絲和加濕器加大輸出功率，所以發(fā)生輕微的過沖。在發(fā)酵0.5 h 后，物料的溫度和含水量與發(fā)酵箱內(nèi)溫濕度接近目標(biāo)值后，溫濕度開始趨近目標(biāo)值。即使試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值不相同，且在試驗(yàn)途中工人多次開門取料的情況下，溫濕度在圖中都在圍繞著目標(biāo)值在上下波動，且波動的幅值不大。

兩組數(shù)據(jù)的溫度平均值為29.8 ℃和33.6 ℃，濕度平均值為88.5 %RH 和94.4 %RH。溫度最大值（超調(diào)量）為31.6 ℃和35.4 ℃，濕度最大值為92.8 %RH 和98.7 %RH。數(shù)據(jù)和圖表同時反映出，采用 PID 控制發(fā)酵溫濕度的控制方式，有良好的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和抗干擾性。

4.3 氧氣濃度數(shù)據(jù)分析

發(fā)酵過程氧氣濃度變化如圖6 和圖7 所示，由氧氣曲線的波動幅度可以看出，在紅茶前期1～4 h的發(fā)酵階段耗氧量最大，后期的5～7 h 耗氧量逐漸減小。兩組數(shù)據(jù)的最大值都出現(xiàn)在前期發(fā)酵的1～4 h的階段。兩組氧氣濃度數(shù)據(jù)的平均值為21.13%和22.02%，最大值為22.08%和23.19%，最大偏差為1.08%和1.19%。

根據(jù)平均值的數(shù)據(jù)，模糊控制氧氣濃度的方式，在適應(yīng)性方面基本符合設(shè)計目標(biāo)。但最大值和偏差值也反映出，模糊控制和PID 控制相比，在跟隨性和抗干擾性方面較差。原因是發(fā)酵箱在實(shí)際生產(chǎn)過程中，受機(jī)械結(jié)構(gòu)和工人操作的影響，不能保證其氣密性（漏氣量大約每分鐘占箱內(nèi)空氣體積的5%），而大氣中氧氣含量可以認(rèn)為恒定在21%，當(dāng)發(fā)酵箱內(nèi)所需的氧氣濃度越大，干擾也就越大，系統(tǒng)為了接近目標(biāo)值，輸出調(diào)整的次數(shù)也隨之增加。加之模糊控制原理是把干擾因素理想化的一種控制方式，只要出現(xiàn)疊加干擾的情況，系統(tǒng)的超調(diào)量會更大。在濃度曲線圖上的表現(xiàn)就是氧氣濃度一直波動，無法穩(wěn)定在目標(biāo)值附近。

5 結(jié)語

試驗(yàn)結(jié)果表明，基于PID、PWM 和模糊控制的箱式茶葉發(fā)酵機(jī)控制系統(tǒng)，可以控制茶葉發(fā)酵過程中的環(huán)境溫度、濕度以及氧氣濃度，實(shí)現(xiàn)了茶葉發(fā)酵中連續(xù)變溫、變濕、變氧氣濃度的功能。該系統(tǒng)還能對紅茶發(fā)酵過程中的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并記錄，以便于分析不同發(fā)酵環(huán)境下，對紅茶發(fā)酵質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

采用PID 的溫濕度控制方式，能迅速糾正因干擾引起的溫濕度波動，可認(rèn)為該控制方式具有良好的魯棒性。相較于PID 的控制方式，氧氣濃度因發(fā)酵箱體氣密性的原因，采用模糊控制的方式在穩(wěn)定性上仍有較大的提升空間。