基于模糊控制的岩茶做青系统设计

刘江平 - 金心怡 -

(1. 厦门工学院机械工程系，福建 厦门 361021；2. 福建农林大学园艺学院，福建 福州 350002)

武夷岩茶的制作工序是茶青通过萎凋、做青、杀青、揉捻、烘干、毛火、足火，最后形成毛茶。其中做青这一工序是形成绿叶红镶边、花果香味的关键，其流程为：吹风—摇青(滚筒转动)—晾青(静置)，并以此为周期，循环进行。吹风工艺能促进青叶水分和热气的散发，吹风时间由多到少，一般不超过50 min[1]；摇青工艺是通过机械力作用，使茶青发生旋转、摩擦、叶缘组织损伤，使梗中水分和营养物质往叶肉细胞输送，加强氧化还原酶的活性，摇青时间由少到多，一般不超过30 min[1]；晾青工艺使多酚类化合物酶促氧化，茶叶内含物逐步转化，青草味散失，香气显露，晾青时间由少到多，一般不超过60 min[1]；经多次反复达到做青要求，做青适度的叶子，叶脉透明，叶面黄亮，青气消失，发出浓烈的花香。

研究[2]表明，武夷岩茶品质的形成受温度、湿度环境因素影响。做青温度影响岩茶香气和滋味的形成。高温(29 ℃)做青芳香物质种类少、精油总量低，特征组分含量低；中温(25 ℃)做青芳香物质种类多,精油总量、特征组分含量高[3]；低温(15 ℃)酶促作用停止，温度越低，化学反应速度越慢。空气相对湿度是影响岩茶品质的又一重要因素。做青环境相对湿度75%左右的毛茶香气高且持久，做青芳香物质种类多，精油总量高，特征组分含量高[4]，而当相对湿度太高(90%以上)或相对湿度太低(60%以下)时，做青叶的芳香物质种类少，精油总量低，特征组分合量低。武夷岩茶做青控制常通过人工辅助调节工艺参数，加工品质并不稳定。即便是同一批次岩茶毛茶原料，但因师傅和加工环境的不同，制作出的茶叶品质也可能存在较大差异[5]。为此，陈孝照[6]设计了乌龙茶连续做青自动控制系统，但尚不能实现对做青环境参数的在线反馈控制；何静等[7]设计了武夷岩茶做青机智能温控系统，将温度作为单一影响因子，未充分考虑武夷岩茶品质的形成受温度、湿度等多个环境因子的综合影响；曹成茂等[8]将模糊控制技术应用在绿茶杀青的恒温控制，通过检测绿茶杀青中的鲜叶投叶量和鲜叶等级，应用模糊控制决策，实时调整绿茶杀青机的杀青时间和杀青温度，因不同茶类的加工工艺不同、不同工艺的茶叶品质影响因素不同，不适用作为岩茶的做青控制策略。

试验拟提出一种基于上位机专家数据库的岩茶做青控制系统，该系统以做青过程的温湿度变化对茶叶品质的影响为依据，应用模糊数学理论和控制思想，设计摇(晾)青模糊控制器，下位机采集的温度、湿度参数为输入变量，摇(晾)青时间为输出变量，调整做青工艺。

1 岩茶做青模糊控制系统

滚筒做青机是目前福建闽北茶区普遍使用的做青机械，具有萎凋、摇青、晾青等多种功能。其结构如图1所示。

1. 风机 2. 可调进风门 3. 电控箱 4. 电加热装置 5. 传动机构 6. 进出茶门 7. 滚筒 8. 通风管 9. 观察窗 10. 机架 11. 电动机

试验亦选择滚筒做青机，采用“吹风—摇青—晾青”做青工艺，根据茶树品种、季节、气候、鲜叶嫩度、采摘时段、萎凋程度，通过上位机专家数据库调出与之相配套的做青工艺参数，以专家数据库的温、湿度为依据，采集做青现场各阶段的温、湿度，将温、湿度偏差作为摇(晾)青模糊控制器的两个输入量，经模糊量化处理、模糊推理和模糊判决输出摇(晾)青时间改变值，控制摇青机、风机的启闭，调整摇(晾)青时间，完成做青过程的模糊控制，达到“看天做青”的效果，做青模糊控制系统结构框图如图2所示。

图2 做青模糊控制系统结构框图

2 模糊控制器的设计

2.1 模糊控制分析与决策

影响做青质量的环境因素有温度和相对湿度[9]。张方舟等[10]发现，做青温度低、湿度高，茶叶失水慢，应重摇(增加摇青时间)；做青温度高、湿度低，茶叶失水快，应轻摇(减少摇青时间)。蔡金福等[11]发现，夏季气温高，宜缩短摇、晾青时间；秋季气温低，湿度低，酶促氧化减慢而茶叶失水快，摇青时间宜延长，晾青时间宜缩短。

综上，温度直接影响青叶的发酵进程，而做青相对湿度影响青叶水分散发和走水速度，因此试验选定温湿度偏差作为摇、晾青模糊控制器的输入参数。摇(晾)青模糊控制器决策表，如表1、2所示。

表1 摇青模糊控制器决策表

2.2 输入参数与输出参数的确定

模糊控制器输入参数确定分为在线测定计算温湿度、计算温湿度偏差、分摇晾次确定输入参数3个步骤。

2.2.1 在线测定计算温湿度值 根据做青工艺，吹风—摇青—晾青，反复6次，最后一次晾青称为“堆青”。依次测量晾青过程70%阶段平均温湿度及晾青全程平均温湿度。

2.2.2 确定模糊控制器输入参数的数据源

(1) 确定摇青模糊控制器输入参数的数据源：第一摇时间不作模糊控制，以一晾全程平均温湿度作为二摇摇青模糊控制器的输入参数的数据源，二晾全程平均温湿度作为三摇摇青模糊控制器输入参数的数据源，其他依此类推。

表2 晾青模糊控制器决策表

(2) 确定晾青模糊控制器输入参数的数据源：一晾过程70%阶段平均温湿度作为一晾模糊控制器输入参数的数据源；二晾过程70%阶段平均温湿度作为二晾模糊控制器输入参数的数据源，其他依此类推。

2.2.3 摇晾青模糊控制器的输入参数和输出参数

(1) 摇青模糊控制器输入参数和输出参数：摇青模糊控制器的温度输入参数为实际温度值与专家库温度参考值之间偏差；摇青模糊控制器的湿度输入参数为实际湿度值与专家库湿度参考值之间偏差；摇青模糊控制器的输出参数为摇青时间变化量。

(2) 晾青模糊控制器输入参数和输出参数：晾青模糊控制器的湿度输入参数为实际湿度值与专家库湿度参考值之间偏差；晾青模糊控制器的温度输入参数为实际温度值与专家库温度参考值之间偏差；晾青模糊控制器的输出参数为晾青时间变化量。

2.3 输入、输出变量模糊语言变量

模糊化就是将输入和输出值转化为其隶属度函数度的过程。摇(晾)青模糊控制在专家数据库工艺的基础上进行小范围调整，其模糊语言变量可表示为正中(PM)、正小(PS)、零(Z)、负小(NS)、负中(NM)[12-13]。

2.4 变量论域、量化因子和比例因子

岩茶做青的适宜温度22～25 ℃，适宜的相对湿度55%～85%，摇(晾)青时间控制量为20%专家库参考值[U摇(晾)]，变量论域、量化因子和比例因子如表3所示。

表3 变量论域、量化因子和比例因子表

2.5 定义各变量的隶属度函数

根据试验[14-15]论证，三角形隶属函数形式简单且计算效率高，因此系统选用三角形隶属函数，各模糊状态的隶属度函数均用三角形来表示[16]，如图3所示。

图3 温、湿度偏差的隶属度函数曲线

根据隶属度函数曲线，可以得到各模糊状态的赋值表如表4所示。摇(晾)青时间变化量的隶属度函数曲线如图4所示。

图4 摇(晾)青时间变化量的隶属度函数曲线

表4 温、湿度模糊变量各状态的隶属度赋值表

根据隶属度函数曲线，可以得到摇(晾)青时间变化量。输出控制量U各模糊状态的赋值表如表5所示。

表5 摇(晾)青时间变化量控制量U各状态的隶属度赋值表

2.6 建立模糊控制规则表

对于双输入单输出的摇青模糊控制器，其输入变量为温度偏差Te和相对湿度偏差He，输出变量为摇青时间偏差U，将模糊推理语言规则用模糊控制状态表示。

摇青模糊控制器规则与晾青模糊控制器规则不同，见表6、7。

2.7 生成模糊控制表

通过查询模糊控制规则表6，根据对应的模糊关系矩阵，计算出总模糊推理关系矩阵R，根据公式U=(Te×He)×R可求得在输入温度偏差(Te)和湿度偏差(He)作用下的输出模糊向量集U摇，采用最大隶属度法进行模糊判决，可得该系统的摇青模糊控制表，见表8。

表8 摇青模糊控制表

表6 摇青模糊控制规则表

同理，通过查询模糊控制规则表7，根据对应的模糊关系矩阵采用最大隶属度法进行模糊判决，可得该系统的晾青模糊控制表，见表9。

表9 晾青模糊控制表

表7 晾青模糊控制规则表

利用MATLAB软件专用的模糊逻辑工具箱对模糊控制进行仿真。根据建立的模糊控制规则，得到摇青、晾青模糊控制器输入、输出特性曲面图，如图5、6所示，控制系统特性曲面过渡平缓，输出控制较为稳定。

图5 摇青模糊控制器输入、输出特性曲面

2.8 模糊控制器的运用步骤

将做青过程中测量的温度偏差(Te)和湿度偏差(He)乘以量化因子(四舍五入)，查询摇(晾)青模糊控制表(表8、9)，将控制量U乘以比例因子，得到摇(晾)青时间实际变化值。

3 做青试验验证

选择肉桂品种，在武夷山岩上茶叶研究所进行模糊控制做青试验，以手工控制对照。萎凋工艺相同，在做青机中通过吹热风萎凋，萎凋历时1 h。做青阶段，从上位机输入岩茶做青初始参数：品种(肉桂)；嫩度(中)；季节(秋)；天气(晴)；时段(晚)；萎凋程度(中)。从专家数据库调入做青工艺参数，专家数据库用于存储比较成熟的做青工艺参数。其中的字段名包含3大内容，① 做青初始参数：品种、季节、天气、时段、嫩度、萎凋程度等；② 做青温湿度参考值：包括各次的摇青、晾青适宜温、湿度的参考值；③ 做青工艺参数参考值：包括各次的吹风、摇青、晾青时间的参考值。专家数据库的数据内容必需经过一段时间的生产工艺积累和反复验证而确定。做青工艺参数确定后，开启做青智能控制，直至做青结束；做青结束后，统一经杀青、揉捻、烘干工艺成毛茶。

图6 晾青模糊控制器输入、输出特性曲面

表10为现场采集的温湿度表，专家数据库的设定温度为26 ℃，相对湿度为80%。表11中，3种做青工艺参数，专家数据库工艺参数是输入初始参数后由数据库调入的参数；模糊控制工艺参数是程序通过采集现场温湿度，查询摇青模糊控制表和晾青模糊控制表，自动调节生成工艺参数；手工控制是由制茶大师根据茶青和做青环境在生产过程中使用的工艺参数；做青现场，采用模糊控制和手工控制两种做青方法。由表11可知，模糊控制、手工控制与专家数据库相比，摇青时间、晾青时间均适当延长，模糊控制各摇次时间调整趋势与手工控制调整趋势相同。

表11 3种做青工艺参数对比表

表10 做青现场采集的环境温湿度表

如表12所示，根据武夷岩茶国家标准，两种做青方法制成毛茶均达到特级标准。

表12 两种方法毛茶审评结果(同一批次样品)

4 结论

针对武夷岩茶因人工、环境因素变化导致毛茶品质不稳定的问题，设计了能根据做青环境因素有效调整工艺参数的模糊控制方法，该方法能减少人工参与，降低了劳动成本和劳动强度，而且能满足做青智能控制要求，其工艺参数的控制与手工控制趋势基本一致，达到了优良的制茶效果，毛茶综合评分94.5。与常规的时间设置控制相比，模糊控制能自动进行调整，可以很好地处理生产中不确定环境参数的变化带来的影响。与单一温度控制反馈相比，控制更为精细。但需要大量生产试验才能完善做青专家数据库中各种工艺数据。后续可对做青过程中各阶段内含物成分变化进行检测，反馈于控制，优化控制效果，使智能控制手段多元化。