基于模糊PID的茶葉烘干機恒溫控制系統研究

吳曉強 李亞莉 周紅杰 趙永杰（.內蒙古民族大學機械工程學院，內蒙古 通遼 08000；.云南農業大學普洱茶學院，云南 昆明 6500；.昆明鐵道職業技術學院，云南 昆明 65008）

烘干是茶葉生產過程中最重要的一道工序，除了蒸發水分使茶葉便于貯藏之外，還有增加口感，促進茶葉有機物質形成的作用［1，2］。常見的茶葉烘干機多采用燃煤熱風爐作為供熱設備，通過熱風爐產生的熱風實現茶葉干燥，所以熱風溫度的控制是烘干機控制的關鍵［3］。目前對熱風溫度的控制，大多采用人工控制方法，即當實際溫度與設定溫度偏差過大時，人為控制引煙機或熱風機的關閉與開啟［4］，勞動強度大，燃燒效率低，控制效果也較差，因此，尋求一種能夠對溫度進行自動控制的智能控制系統成為目前研究人員關注的焦點。胡景川等［5］認為通過調節風機轉速或進氣風門開度，調節熱風爐進風量可以改變熱風溫度，從而實現恒溫控制；刑一丁等［6］對如何調節熱風溫度、提高燃燒穩定性進行了探討，提出多目標協調控制方法。以上方法在進行溫度調節的過程中，溫度有明顯滯后現象，不能從根本上解決熱風爐燃燒不穩定、熱風溫度變化大等問題。基于此，本研究綜合以上研究特點，擬設計一種基于模糊PID的恒溫控制系統，通過控制變頻風機的頻率和轉速，使引煙機的轉速、煤炭燃燒狀態、熱風溫度達到最佳匹配，從而自動控制空燃比，為節約燃煤、保護環境提供新的方法與途徑。

1 烘干機理論

1.1 茶葉烘干機的分類

烘干機是使茶葉干燥的重要設備，按干燥方式分，主要包括熱風干燥、金屬傳導、輻射干燥烘干機；按熱量來源分燃煤、電力、油氣等類型［7］。

不同的干燥方法有著不同的傳熱方式，不同傳熱方式對待烘干茶的葉溫度變化、干燥速率、口感物質形成及最終品質均有不同的影響。金屬傳導傳熱速度快，需要不斷翻炒，使葉溫交替變化，但易產生受熱不均勻的現象。輻射干燥是利用紅外、微波等方法使茶葉內部分子發生振動、碰撞以及摩擦，從而產生熱能。這種方法穿透能力差，且容易傷害茶葉質地，口感變差。熱風干燥以空氣導熱為主，傳熱快且均勻，利于色香味等有機物質的轉化，是目前應用較為普遍的干燥方法。

1.2 結構與工作原理

本研究以自動鏈板式茶葉烘干機為例。其結構包括箱體、傳動系統、送料裝置和熱風爐［8］，其中熱風爐是烘干機的核心，控制效果的好壞，不僅關系到燃燒效率，還影響著茶葉的品質。熱風爐結構見圖1。

圖1 熱風爐結構Figure 1 Structure of hot blast stove

烘干機的干燥過程是熱空氣與茶葉進行熱交換的過程：引煙機促使燃燒產生的煙氣由煙囪排出，在煙氣流動過程中對爐管進行加熱，爐管內被加熱的空氣通過風機輸送到烘干箱中，然后利用對流加熱方式與茶葉進行熱交換，去除茶葉中的水分，使茶葉含水率達到要求。

2 恒溫控制策略

目前中國對于熱風爐燃燒控制的方法大多仍為人工手動控制（引煙風機和風機轉速和頻率都是恒定的，只能人為頻繁開關引煙機，以達到控制熱風溫度的目的）。此法不僅增加勞動強度、浪費能源，而且控制效果也受到很大影響［9，10］。因此迫切需要建立一個恒溫控制系統，以保證烘干溫度穩定。

2.1 模糊PID控制

傳統PID控制器結構簡單，容易實現，應用較為廣泛。但是由于控制器參數不能自動調節，使其應用范圍受到一定限制［11］。為達到最佳控制效果，將模糊推理運用于PID參數的整定，結構見圖2。

圖2 模糊PID控制結構框圖Figure 2 Structure diagram of fuzzy PID control

2.2 模糊控制規則

取熱風溫度偏差E和偏差變化率EC為控制器的輸入變量，論域范圍為［－8.2，8.2］和［－0.5，0.5］，相應的模糊論域為［－7，7］、［－3，3］；ΔKp，ΔPi，ΔPd為輸出變量，論域范圍是［－750，750］，對應的模糊論域為［－1，1］。定義輸入、輸出變量的模糊子集為：E，EC，ΔKp，ΔPi，ΔPd＝｛NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZO（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大）｝，量化因子ke和kec的取值分別為0.68和7.60，比例因子ku的取值為140，隸屬函數采用三角函數。結合實際工作經驗，制定模糊控制規則［12－14］，見表1～3。

表1 ΔKp模糊控制規則表Table 1 Fuzzy rule table ofΔKp

表2 ΔPi模糊控制規則表Table 2 Fuzzy rule table ofΔPi

表3 ΔPd模糊控制規則表Table 3 Fuzzy rule table ofΔPd

2.3 茶葉烘干機恒溫控制系統設計

通過傳感器在線采集熱風爐熱風溫度和排煙溫度，通過熱風溫度與烘干溫度的設定值作比較，應用模糊PID控制器對偏差進行控制，根據偏差大小，利用智能化變頻技術調節引煙機轉速，自動控制空燃比，在節能減排的基礎上實現恒溫控制的目的，控制原理見圖3。

圖3 茶葉烘干機恒溫控制系統原理Figure 3 Principle of tea dryer temperature control system

3 仿真分析

把模糊PID控制器應用于烘干機熱風爐恒溫控制系統中，并在MATLAB軟件中建立恒溫系統（T－S）的仿真模型，見圖4。

圖4 恒溫控制系統仿真模型Figure 4 Simulation model of the constant temperature control system

在仿真過程中，理想熱風溫度設定為165℃時，周期為30min，引煙機轉速為1 350r/min，采用智能變頻控制技術，仿真過程與手動控制相對比，手動過程中引煙機頻率為50Hz。仿真結果見圖5～7。

圖5 不同控制方式排煙溫度變化曲線Figure 5 Curve of the discharge temperature of the smoke control modes

圖6 不同控制方式熱風溫度變化曲線Figure 6 Curve of the hot blast temperature under different control mode

圖7 不同控制方式引煙機頻率變化曲線Figure 7 Lead the frequency curve of range hood

為進一步說明智能溫度控制效果，把圖5～7曲線中各數據進行列表分析，結果見表4。

表4 兩種控制方法數據對比結果Table 4 Comparison results of two control methods

由表4可知，人工控制熱風溫度變化幅度較大，且響應速度也較為緩慢，不能及時根據外部條件變化進行調節；模糊PID恒溫控制的溫度變化幅度較平緩，溫度升高和降低時系統能及時根據溫度偏差進行調節，使溫度變化范圍減小，基本實現恒溫控制功能；人工控制引煙機的頻率為定值，不能自動調節，這必然增加電能的損耗，造成不必要的浪費。而模糊PID控制的引煙機通過變頻技術，可根據設定溫度要求，自動改變電機頻率和轉速，在實現恒溫控制的同時，減少能量損耗，達到節能減排的目的。

4 結論

烘干爐是茶葉加工過程中的必要設備，烘干效果在很大程度上影響著茶葉有機物質的合成速度和品質，對茶葉色、香、味等品質有著很重要的影響。傳統的烘干爐多為人工控制，不僅浪費人力，烘干效果也不是很理想。本研究以烘干機燃煤熱風爐為研究對象，以建立恒溫控制為目標，把模糊PID應用到熱風爐的煙機控制系統上，采用變頻技術自動控制引煙機的轉速和頻率，使熱風溫度能在很小的范圍內變化，從而獲得很好的烘干效果；在提高茶葉品質的同時，降低燃煤損耗，減少有害氣體排放。

1 吳澤球，陶中南.茶葉烘干機械的技術現狀及研究進展［J］.食品與機械，2014，30（1）：263～265.

2 張春龍，劉國海，黃兆春.多路溫度自適應控制系統的研究［J］.計算機測量與控制，2002（4）：56～58.

3 張喜梅，吳雪輝，李昌寶，等.油菜籽的熱風干燥特性及數學描述［J］.華南理工大學學報，2010，38（8）：116～118.

4 Wang J，Xi Y S.Drying characteristics and drying quality of carrot using a two－stage microwave process［J］.Journal of Food Engineering，2005，68（4）：505～511.

5 胡景川，蔡亞軍.熱風爐溫度的可調控性能［J］.茶葉機械雜志，2002（2）：11～14.

6 刑一丁，溫治，劉訓良，等.高爐熱風爐高效送風策略的研究進展及發展趨勢［J］，工業爐，2008（5）：10～13.

7 張德炎，李國軍.外燃式熱風爐的自動控制［J］.機械與電子，2010（15）：89～91.

8 Feng Yan－ling，Huang Xin.Design of constant temperature control system based on fuzzy control［J］.Modern Electronics Technique，2010（19）：135～138.

9 Fudholi A，Sopian K，Ruslan M H，et al.Review of solar dryers for agricultural and marine products［J］.Renewable and Suatainable Eeergy Reviews，2010，14（1）：1～30.

10 S J Temple，A J B van Boxtel.Control of fluid bed tea dryers：controller design and tuning［J］.Computers and Electronics in Agricultere，2000，26（2）：159～170.

11 張秦權，文懷興，袁越錦.遠紅外聯合低溫真空干燥設備研究與設計［J］.食品與機械，2013，29（1）：157～150.

12 趙永潔，黃云戰，周紅杰，等.普洱茶發酵車間測控系統的設計與實現［J］.食品與機械，2012，28（2）：98～101.

13 吳紹帥，李亞莉，黃云戰，等.普洱茶發酵自動化生產專利技術的研發［J］.食品與機械，2011，27（6）：183～185.

14 李界家，付平，片錦香，等.參數自調整模糊控制在爐溫控制中的應用［J］.控制工程，2004，11（1）：14～16.