自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在烏龍茶烘焙中的應(yīng)用

郭　鵬，張海燕，劉振永（.石家莊學(xué)院物電學(xué)院；.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院郵政通信管理系，河北石家莊05008）

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自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在烏龍茶烘焙中的應(yīng)用

郭鵬1，張海燕2，劉振永1
（1.石家莊學(xué)院物電學(xué)院；2.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院郵政通信管理系，河北石家莊050018）

摘要：以PLC為核心設(shè)計(jì)了一種基于自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的烏龍茶烘焙自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)模擬專家手工制茶過(guò)程，將烘焙分成兩部分進(jìn)行，首先利用自適應(yīng)模糊控制使烘焙溫度呈呼吸式變化，然后再進(jìn)行恒溫烘焙。利用模糊解耦補(bǔ)償器解決了烘焙過(guò)程中的溫濕度耦合問(wèn)題。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)控制效果良好，成茶品質(zhì)優(yōu)于同類產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：烏龍茶烘焙；PLC；模糊解耦

作為烏龍茶精制中的重要工序，烘焙具有除濕、去雜、熟化、提香、滅菌等作用[1，2]。傳統(tǒng)烘焙方法有炭焙（木炭焙籠）和機(jī)焙（電烘箱）兩種。炭焙耗時(shí)、費(fèi)力且專業(yè)性強(qiáng)，不適合大規(guī)模茶葉生產(chǎn)。機(jī)焙效率高、品質(zhì)穩(wěn)定，適合大規(guī)模茶葉生產(chǎn)但成茶品質(zhì)較炭焙稍差。

烏龍茶機(jī)焙其實(shí)是利用自動(dòng)控制技術(shù)控制茶葉烘焙過(guò)程中的溫濕度，從而對(duì)其進(jìn)行精制。有學(xué)者利用PID、模糊等算法設(shè)計(jì)了多種自動(dòng)烘焙控制系統(tǒng)，但控制效果難以令人滿意。為更好滿足烏龍茶烘焙工藝要求，提高茶葉品質(zhì)，豐富產(chǎn)品種類，下面利用PLC設(shè)計(jì)一種基于自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的烏龍茶烘焙控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

烏龍茶的烘焙過(guò)程不能始終保持恒溫。因此，系統(tǒng)將烘焙分成兩個(gè)步驟進(jìn)行。第一步，利用基于數(shù)據(jù)的自適應(yīng)模糊控制器控制溫度進(jìn)行時(shí)高時(shí)低的變化（85～110℃），時(shí)間為1～2h，使烏龍茶呼出水氣及臭青味，避免茶色變紅，香氣流失；第二步，根據(jù)產(chǎn)品要求獲取烘焙溫度（100～120℃）和時(shí)間（1～3h），利用模糊控制器實(shí)現(xiàn)恒溫控制，如秋茶鐵觀音[3，4]，烘焙溫度為118℃，烘焙時(shí)間2h，茶葉呈甜果香，湯色金黃，味道醇厚，品質(zhì)較高；若烘焙溫度降為100℃，烘焙時(shí)間延長(zhǎng)至4h，茶葉則略帶甜香，湯色清黃。

在烘焙過(guò)程中，加熱會(huì)使?jié)穸壬仙凉駮?huì)使溫度下降，二者存在嚴(yán)重的交叉耦合。因此，系統(tǒng)利用模糊解耦器解除了二者的耦合關(guān)系，使溫度和濕度控制相互獨(dú)立。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由PLC、溫濕度檢測(cè)、加熱、除濕、顯示及按鍵、上位機(jī)等部分組成。PLC為控制核心，利用溫濕度檢測(cè)模塊采集電烘箱內(nèi)的溫濕度后，根據(jù)茶葉生產(chǎn)要求，通過(guò)自適應(yīng)模糊控制器獲得控制指令，控制電加熱管和除濕風(fēng)機(jī)工作。其中，溫度控制由雙向可控硅控制電加熱管工作時(shí)間實(shí)現(xiàn)，濕度控制由變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。顯示和按鍵用于LCD信息顯示及參數(shù)設(shè)置。為方便操作，利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)組態(tài)界面，實(shí)現(xiàn)了烏龍茶烘焙過(guò)程的組態(tài)監(jiān)控。

3　自適應(yīng)模糊控制器設(shè)計(jì)

在專家手工烘焙過(guò)程中，烘焙初期的溫度呈時(shí)高時(shí)低的呼吸式變化，而具體變化過(guò)程全憑專家經(jīng)驗(yàn)，難以口述。為改善機(jī)焙成茶品質(zhì)，在采集專家手工烘焙數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用模糊聚類（Fuzzy Clustering）和自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System，ANFIS）設(shè)計(jì)了自適應(yīng)模糊控制器，用于模擬專家手工烘焙過(guò)程。其中，模糊聚類用于生成初始模糊推理系統(tǒng)（Fuzzy Inference System，F(xiàn)IS），ANFIS用于建立T-S模糊控制器。

模糊聚類算法采用減法聚類，通過(guò)單次快速運(yùn)算一組數(shù)據(jù)當(dāng)中的聚類個(gè)數(shù)和聚類中心位置，進(jìn)而產(chǎn)生聚類中心，初始FIS生成速度快且能避免規(guī)則爆炸[5]。利用MATLAB的ANFIS工具箱建立烘焙溫度T-S模糊控制推理系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1　ANFIS工作界面

初始FIS由烘焙過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)歸一化后，通過(guò)減法聚類生成。部分?jǐn)?shù)據(jù)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模糊控制器為單輸入量單輸出，輸入量為時(shí)間time，輸出量為烘焙溫度T。該控制器可使電烘箱溫度在烘焙初期實(shí)現(xiàn)忽高忽低的呼吸式變化，在不降低茶葉品質(zhì)的前提下去除茶葉的水氣和雜味。

4　溫濕度控制器及解耦補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

4.1恒溫模糊控制器

在茶葉烘焙第二階段，利用模糊控制器Fuz1對(duì)烘焙溫度進(jìn)行恒溫控制。Fuz1為兩輸入一輸出。其中，輸入e為給定溫度與箱內(nèi)溫度之差；輸入de/dt為溫度變化率；輸出量T為給定周期內(nèi)雙向可控硅導(dǎo)通時(shí)間。模糊輸入（E，EC）和模糊輸出的模糊子集均為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，隸屬函數(shù)為高斯函數(shù)，模糊控制規(guī)則略。

4.2濕度模糊控制器

茶葉烘焙過(guò)程中產(chǎn)生的水氣須及時(shí)排出，否則電烘箱內(nèi)部壓力過(guò)大會(huì)使茶葉水氣無(wú)法排出，影響品質(zhì)。除濕風(fēng)機(jī)由變頻器控制轉(zhuǎn)速，而變頻器輸入電壓由兩輸入一輸出的模糊控制器Fuz2控制，輸入量為濕度h及濕度變化率dh/dt，輸出為變頻器輸入電壓u。濕度控制較溫度控制簡(jiǎn)單，模糊輸入（H，RH）和模糊輸出的模糊子集為{NB，NS，Z，PS，PB}。模糊控制規(guī)則表略。

4.3溫濕度模糊解耦補(bǔ)償器

電烘箱內(nèi)溫濕度之間的強(qiáng)耦合會(huì)嚴(yán)重影響烘焙控制效果，因此，利用模糊解耦補(bǔ)償器對(duì)二者解耦以提高控制精度。模糊解耦補(bǔ)償器是以模糊控制器的通用逼近性為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，如圖2所示。

圖2　模糊解耦補(bǔ)償示意圖

根據(jù)Fuz1和Fuz2輸出之間的耦合關(guān)系，設(shè)計(jì)溫度對(duì)濕度的補(bǔ)償量Comp1以及濕度對(duì)溫度的補(bǔ)償量Comp2。以Fuz1輸出T和Comp2控制給定周期內(nèi)雙向可控硅導(dǎo)通時(shí)間，以Fuz2輸出u和Comp1控制變頻器。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除濕對(duì)加熱影響較大，所以Comp2較大；加熱對(duì)濕度影響較小，所以Comp1較小。

部分模糊補(bǔ)償規(guī)則如下：

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

為對(duì)比解耦前后溫濕度控制效果，對(duì)模糊補(bǔ)償器使用前后的控制效果進(jìn)行了Matlab仿真。仿真結(jié)果表明，利用模糊補(bǔ)償器解耦后，溫度T和濕度h的響應(yīng)曲線均優(yōu)于解耦之前，且溫度對(duì)濕度影響相對(duì)較小，故解耦后控制效果更明顯；而濕度溫度影響較大，故解耦后控制效果稍弱。

5　成茶對(duì)比

為驗(yàn)證系統(tǒng)性能，對(duì)人工烘焙、PID烘焙控制系統(tǒng)及本系統(tǒng)的成茶從色、香、味、形等方面進(jìn)行了對(duì)比。

人工烘焙由于有熟練工人的全程參與，因此成茶品質(zhì)從外觀、口感、香氣來(lái)說(shuō)，均呈現(xiàn)較高水平。PID烘焙控制系統(tǒng)由于控制算法簡(jiǎn)單，未考慮烘焙過(guò)程中溫濕度的細(xì)節(jié)變化，始終維持恒溫烘焙，導(dǎo)致茶葉色澤枯暗，香味流失，品質(zhì)較差。本系統(tǒng)由于采用了模擬專家制茶過(guò)程的分段控制策略，充分考慮了烘焙過(guò)程中溫度與濕度的微弱變化對(duì)茶葉品質(zhì)的影響。在烘焙初期，控制溫度呈呼吸式變化，使茶葉排出部分水氣及雜味；烘焙中后期通過(guò)精確恒溫控制，茶葉充分吃火、熟化、提香，從外觀、口感、香氣上與人工烘焙幾乎沒(méi)有區(qū)別，品質(zhì)良好。

6　結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的烏龍茶烘焙自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)模擬專家手工烘焙過(guò)程，使成茶品質(zhì)得到了顯著提高，系統(tǒng)使用方便，控制效果良好，工作穩(wěn)定，能夠較好滿足大規(guī)模、多品種的烏龍茶烘焙需求。

參考文獻(xiàn)

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[3]吳建華,陳林海.武夷巖茶烘焙加工方法選擇初探[J],福建茶葉,2015.01：29-30

[4]張燕忠,張凌云,王登良.烘焙技術(shù)在烏龍茶精制中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與探討[J],茶葉,2008.02：75-77

[5]孫丙香,高科,等.基于ANFIS和減法聚類的動(dòng)力電池放電峰值功率預(yù)測(cè)[J],電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015.04

作者簡(jiǎn)介：郭鵬（1981-），男，河北永年人，碩士研究生，講師，研究方向：智能控制。

項(xiàng)目名稱：2015年河北省科技計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：15214313；2015年石家莊學(xué)院教學(xué)改革研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：JGXM201521A；石家莊學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：XJTD004。