自适应模糊神经网络在乌龙茶烘焙中的应用

郭　鹏，张海燕，刘振永（.石家庄学院物电学院；.石家庄邮电职业技术学院邮政通信管理系，河北石家庄05008）



自适应模糊神经网络在乌龙茶烘焙中的应用

郭鹏1，张海燕2，刘振永1
（1.石家庄学院物电学院；2.石家庄邮电职业技术学院邮政通信管理系，河北石家庄050018）

摘要：以PLC为核心设计了一种基于自适应模糊神经网络的乌龙茶烘焙自动控制系统。通过模拟专家手工制茶过程，将烘焙分成两部分进行，首先利用自适应模糊控制使烘焙温度呈呼吸式变化，然后再进行恒温烘焙。利用模糊解耦补偿器解决了烘焙过程中的温湿度耦合问题。仿真及实验结果表明，该系统控制效果良好，成茶品质优于同类产品。

关键词：乌龙茶烘焙；PLC；模糊解耦

作为乌龙茶精制中的重要工序，烘焙具有除湿、去杂、熟化、提香、灭菌等作用[1，2]。传统烘焙方法有炭焙（木炭焙笼）和机焙（电烘箱）两种。炭焙耗时、费力且专业性强，不适合大规模茶叶生产。机焙效率高、品质稳定，适合大规模茶叶生产但成茶品质较炭焙稍差。

乌龙茶机焙其实是利用自动控制技术控制茶叶烘焙过程中的温湿度，从而对其进行精制。有学者利用PID、模糊等算法设计了多种自动烘焙控制系统，但控制效果难以令人满意。为更好满足乌龙茶烘焙工艺要求，提高茶叶品质，丰富产品种类，下面利用PLC设计一种基于自适应模糊神经网络的乌龙茶烘焙控制系统。

1　系统参数设计

乌龙茶的烘焙过程不能始终保持恒温。因此，系统将烘焙分成两个步骤进行。第一步，利用基于数据的自适应模糊控制器控制温度进行时高时低的变化（85～110℃），时间为1～2h，使乌龙茶呼出水气及臭青味，避免茶色变红，香气流失；第二步，根据产品要求获取烘焙温度（100～120℃）和时间（1～3h），利用模糊控制器实现恒温控制，如秋茶铁观音[3，4]，烘焙温度为118℃，烘焙时间2h，茶叶呈甜果香，汤色金黄，味道醇厚，品质较高；若烘焙温度降为100℃，烘焙时间延长至4h，茶叶则略带甜香，汤色清黄。

在烘焙过程中，加热会使湿度上升，除湿会使温度下降，二者存在严重的交叉耦合。因此，系统利用模糊解耦器解除了二者的耦合关系，使温度和湿度控制相互独立。

2　控制系统设计

控制系统由PLC、温湿度检测、加热、除湿、显示及按键、上位机等部分组成。PLC为控制核心，利用温湿度检测模块采集电烘箱内的温湿度后，根据茶叶生产要求，通过自适应模糊控制器获得控制指令，控制电加热管和除湿风机工作。其中，温度控制由双向可控硅控制电加热管工作时间实现，湿度控制由变频器控制风机转速实现。显示和按键用于LCD信息显示及参数设置。为方便操作，利用组态王软件设计了上位机组态界面，实现了乌龙茶烘焙过程的组态监控。

3　自适应模糊控制器设计

在专家手工烘焙过程中，烘焙初期的温度呈时高时低的呼吸式变化，而具体变化过程全凭专家经验，难以口述。为改善机焙成茶品质，在采集专家手工烘焙数据的基础上，利用模糊聚类（Fuzzy Clustering）和自适应神经模糊推理系统（Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System，ANFIS）设计了自适应模糊控制器，用于模拟专家手工烘焙过程。其中，模糊聚类用于生成初始模糊推理系统（Fuzzy Inference System，FIS），ANFIS用于建立T-S模糊控制器。

模糊聚类算法采用减法聚类，通过单次快速运算一组数据当中的聚类个数和聚类中心位置，进而产生聚类中心，初始FIS生成速度快且能避免规则爆炸[5]。利用MATLAB的ANFIS工具箱建立烘焙温度T-S模糊控制推理系统，如图1所示。

图1　ANFIS工作界面

初始FIS由烘焙过程实测数据归一化后，通过减法聚类生成。部分数据如下：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模糊控制器为单输入量单输出，输入量为时间time，输出量为烘焙温度T。该控制器可使电烘箱温度在烘焙初期实现忽高忽低的呼吸式变化，在不降低茶叶品质的前提下去除茶叶的水气和杂味。

4　温湿度控制器及解耦补偿器设计

4.1恒温模糊控制器

在茶叶烘焙第二阶段，利用模糊控制器Fuz1对烘焙温度进行恒温控制。Fuz1为两输入一输出。其中，输入e为给定温度与箱内温度之差；输入de/dt为温度变化率；输出量T为给定周期内双向可控硅导通时间。模糊输入（E，EC）和模糊输出的模糊子集均为{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，隶属函数为高斯函数，模糊控制规则略。

4.2湿度模糊控制器

茶叶烘焙过程中产生的水气须及时排出，否则电烘箱内部压力过大会使茶叶水气无法排出，影响品质。除湿风机由变频器控制转速，而变频器输入电压由两输入一输出的模糊控制器Fuz2控制，输入量为湿度h及湿度变化率dh/dt，输出为变频器输入电压u。湿度控制较温度控制简单，模糊输入（H，RH）和模糊输出的模糊子集为{NB，NS，Z，PS，PB}。模糊控制规则表略。

4.3温湿度模糊解耦补偿器

电烘箱内温湿度之间的强耦合会严重影响烘焙控制效果，因此，利用模糊解耦补偿器对二者解耦以提高控制精度。模糊解耦补偿器是以模糊控制器的通用逼近性为基础设计的，如图2所示。

图2　模糊解耦补偿示意图

根据Fuz1和Fuz2输出之间的耦合关系，设计温度对湿度的补偿量Comp1以及湿度对温度的补偿量Comp2。以Fuz1输出T和Comp2控制给定周期内双向可控硅导通时间，以Fuz2输出u和Comp1控制变频器。实验发现，除湿对加热影响较大，所以Comp2较大；加热对湿度影响较小，所以Comp1较小。

部分模糊补偿规则如下：

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

为对比解耦前后温湿度控制效果，对模糊补偿器使用前后的控制效果进行了Matlab仿真。仿真结果表明，利用模糊补偿器解耦后，温度T和湿度h的响应曲线均优于解耦之前，且温度对湿度影响相对较小，故解耦后控制效果更明显；而湿度温度影响较大，故解耦后控制效果稍弱。

5　成茶对比

为验证系统性能，对人工烘焙、PID烘焙控制系统及本系统的成茶从色、香、味、形等方面进行了对比。

人工烘焙由于有熟练工人的全程参与，因此成茶品质从外观、口感、香气来说，均呈现较高水平。PID烘焙控制系统由于控制算法简单，未考虑烘焙过程中温湿度的细节变化，始终维持恒温烘焙，导致茶叶色泽枯暗，香味流失，品质较差。本系统由于采用了模拟专家制茶过程的分段控制策略，充分考虑了烘焙过程中温度与湿度的微弱变化对茶叶品质的影响。在烘焙初期，控制温度呈呼吸式变化，使茶叶排出部分水气及杂味；烘焙中后期通过精确恒温控制，茶叶充分吃火、熟化、提香，从外观、口感、香气上与人工烘焙几乎没有区别，品质良好。

6　结束语

实验结果表明，本文设计的乌龙茶烘焙自动控制系统通过模拟专家手工烘焙过程，使成茶品质得到了显著提高，系统使用方便，控制效果良好，工作稳定，能够较好满足大规模、多品种的乌龙茶烘焙需求。

参考文献

[1]王汉生.《乌龙茶制造生化原理》第五讲[J],广东茶叶科技,1985.04

[2]林木姬.乌龙茶精制烘焙[J],福建茶叶,2001.04：61

[3]吴建华,陈林海.武夷岩茶烘焙加工方法选择初探[J],福建茶叶,2015.01：29-30

[4]张燕忠,张凌云,王登良.烘焙技术在乌龙茶精制中的应用研究现状与探讨[J],茶叶,2008.02：75-77

[5]孙丙香,高科,等.基于ANFIS和减法聚类的动力电池放电峰值功率预测[J],电工技术学报,2015.04

作者简介：郭鹏（1981-），男，河北永年人，硕士研究生，讲师，研究方向：智能控制。

项目名称：2015年河北省科技计划项目，项目编号：15214313；2015年石家庄学院教学改革研究项目，项目编号：JGXM201521A；石家庄学院科研团队资助项目，项目编号：XJTD004。