基于模糊專家控制的茶葉炒制溫度控制系統

林高飛

陳小利3

黃先洲4

(1. 寧德職業技術學院機電工程系，福建 福安 355000；2. 福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350002；3. 寧德職業技術學院信息技術與工程系，福建 福安 355000；4. 寧德職業技術學院農業科學系，福建 福安 355000)

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基于模糊專家控制的茶葉炒制溫度控制系統

林高飛2

陳小利3

黃先洲4

(1. 寧德職業技術學院機電工程系，福建 福安 355000；2. 福建農林大學機電工程學院，福建 福州 350002；3. 寧德職業技術學院信息技術與工程系，福建 福安 355000；4. 寧德職業技術學院農業科學系，福建 福安 355000)

茶葉炒制溫度對茶葉品質有很大的影響，針對現有炒茶機溫控系統存在溫度控制精度低、調節時間長等缺點，研發適用于高端名優茶炒制的溫度智能控制系統。該系統以單片機AT89S52為核心，采用鉑熱電阻作為溫度傳感器，通過電流變送器XTR106對不平衡電橋輸出信號進行線性化處理，并結合模糊控制理論和專家系統設計了一種模糊專家控制器。對所設計的溫度控制系統測試結果表明，在0～300 ℃范圍內系統具有較好的動靜態性能，靜態誤差小于±1 ℃，超調量小于2.36%，過渡過程時間小于27 s，能很好地滿足高端名優茶炒制對溫度控制的要求。

模糊控制；專家系統；溫度控制；鉑熱電阻；線性化

茶葉炒制是茶葉加工過程中最重要的工序之一，炒制溫度是一個關鍵的因素，溫度過高或過低將會導致茶葉出現焦邊、爆點或紅梗，所以溫度對茶葉品質的優劣影響重大[1]。茶葉炒制經歷了由傳統純手工炒制到半機械化炒制，再到現在的全自動炒制，炒茶機在茶葉炒制中已得到越來越廣泛的應用，它的出現提高了茶葉炒制的效率和質量，減輕了勞動強度[2-3]。現有的炒茶機大都采用定值開關型的溫度控制裝置，功能簡單、溫度波動范圍大，一般在設定溫度值的±5 ℃之內，且無法克服溫度變化過程的滯后性，控制效果不好。目前已有學者應用自動控制與計算機技術等實現對炒茶機溫度的自動控制，其控溫效果比定值開關控溫提高了一大步。李云等[4]應用PLC控制技術，通過對炒茶機鍋內溫度、手柄壓力和動力裝置的控制，實現了炒茶功能和溫度的自動控制，提高了茶葉炒制過程中鍋溫的精確度；李東進等[5]采用單片機研制了用于茶葉炒制的溫度控制系統，對炒制溫度、時間、功率級別等通過模塊化設計加以控制。試驗結果表明，該系統對溫度、時間等具有較好的控制效果，提高了茶葉炒制的優質品率。但由于溫度系統慣性大、滯后現象嚴重，溫度控制仍存在調節時間長、超調量大和控制精度低等問題，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研究人員關注的焦點。

專家系統是一種通過模擬人類專家的推理和決策過程，利用專家的知識和經驗解決專家級難題的計算機程序，其處理問題的精度高，綜合能力強，但專家系統一般只能處理確定的知識，對于不確定的知識，通常不能很好地模擬領域專家的知識[6]。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種人工智能控制方式，它無需知道控制對象的數學模型，具有良好的容錯性和處理模糊問題的能力，但精度不高[7]。若將二者有機結合起來取長補短，則能更好地表示領域專家的知識，實現快速模糊推理[8-9]。本研究擬以單片機AT89S52為核心，采用模糊控制結合專家系統來實現炒茶機溫度的智能控制，為高端名優茶的炒制加工設備的智能化提供技術支撐。

1 溫控系統的硬件電路設計

1.1 硬件電路的組成

本系統以單片機AT89S52為核心組成溫度檢測與控制系統，系統硬件部分的組成主要包含單片機主控模塊、溫度檢測模塊、開關量輸出控制模塊、人機接口模塊(鍵盤、顯示和報警)和串行通信模塊等，其電路組成框圖見圖1。Pt100鉑熱電阻不平衡電橋實時采集炒茶機溫度并把它轉換成微弱的電壓信號，通過電流變送器XTR106放大和線性化處理后，將電壓信號轉換為4～20 mA的標準電流信號，再由電流電壓轉換器RCV420變換為0～5 V電壓信號，經A/D轉換器轉換成單片機能識別的數字信號。單片機把讀取到的數字信號進行分析處理，通過LED數碼管實時顯示當前溫度，并將采集到的溫度值與設定值進行比較，采用模糊專家控制器改變PWM(pulse width modulation，脈沖寬度調制)在控制周期內占空比來調節系統輸出功率的大小，實現對溫度的自動控制[10-11]。

圖1 系統硬件電路組成框圖Figure 1 System hardware composition block diagram

1.2 溫度檢測電路

1.2.1 鉑熱電阻及不平衡電橋的非線性 Pt100鉑熱電阻由于具有測溫范圍寬、精度高、穩定性好、抗振動強和復現性高等特點，在中低溫區被廣泛作為溫度傳感器。Pt100鉑熱電阻在0～850 ℃的范圍其電阻值隨溫度變化的關系式為：

Rt=R0(1+At+Bt2)，

(1)

式中：

Rt、R0——分別表示溫度為t℃和0 ℃時的電阻值，Ω；

A、B——常數，分別為3.908 02×10-3℃-1，-5.802×10-7℃-2。

顯然，Pt100鉑熱電阻的阻值與溫度的關系是非線性，由于二次項的存在，其非線性程度隨著溫度的升高而越來越嚴重，最大非線性可達到4.6%[12]。

在鉑熱電阻測溫電路中常采用不平衡電橋[13]，其測溫原理電路見圖2。根據圖2可知：

(2)

圖2 鉑熱電阻測溫不平衡電橋Figure 2 Temperature measurement unbalanced bridgefor platinum thermistor

由于放大器輸入端的內阻Ri很大(比橋臂的電阻大很多)，若令R1=R2，R3=R0，設Rt=R0+RΔt，則有：

(3)

當R0+R1比RΔt大得多時，式(3)作線性化處理，可得：

(4)

所以電橋的線性化誤差為：

(5)

根據式(5)可計算出在不同溫度時Pt100鉑熱電阻不平衡電橋線性化處理所產生的誤差，見表1。

綜上所述，鉑熱電阻固有的非線性及不平衡電橋的非線性都會對溫度測量產生一定的非線性誤差，且測溫范圍較大時，其非線性更加突出。因此，在測溫范圍大或要求測溫精度高時，就應解決這個非線性問題。

表1 不平衡電橋線性化處理產生的誤差Table 1 Linearization process error of unbalancedvoltmeter bridge

1.2.2 鉑熱電阻不平衡電橋非線性補償 鉑熱電阻不平衡電橋測溫中所產生的非線性誤差的解決方法有硬件校正法和軟件校正法。硬件校正法電路較易實現，存在溫漂等因素干擾而影響校正精度；軟件校正法理論上能很好校正這種非線性，但其算法復雜且對內存空間有一定要求[14]。本系統利用電流變送器XTR106具有放大和對不平衡電橋非線性進行二次項補償的特性，能很好地解決鉑熱電阻不平衡電橋的非線性問題。電路如圖3所示，其設計原理如下[15-17]：

圖3 帶線性化的鉑熱電阻不平衡電橋測溫電路Figure 3 With linearization of unbalanced bridge the platinum thermistor temperature measurement circuit

XTR106是一種低成本、高精度、低漂移集成單片電流變送器，具有放大、二級線性化和電流信號輸出功能。自帶兩路2.5V/5V電橋激勵電壓，可輸出4～20mA標準電流，典型的非線性度最大可改進到20∶1，整個電路的電壓—電流傳遞函數為：

IO=4+VIN(40/RG)，

(6)

式中：

IO——輸出電流，mA；

VIN——差分電壓，mV；

RG——外接量程調節電阻，Ω。

外接量程調節電阻用于設置放大器的增益，其計算公式為：

(7)

式中：

VFS——最大標定橋電壓，V；

B——橋路相對于VFS的非線性度。

RLIN(11引腳)與VREG(1引腳)之間連接線性化電阻RLIN，提供正反饋。LinPolarity(12引腳)與RLIN端為電橋提供二級線性化校正，當LinPolarity與IRET(6引腳)連接時，基準電壓VREF隨著橋路輸出即XTR106的輸入電壓VIN的增加而增加，以補償正的非線性；當LinPolarity與VREG連接時，則二者變化關系正好相反，以補償負的非線性。RLIN的值根據式(8)選取：

(8)

式中：

KLIN——線性化因子，Ω。當基準電壓源為2.5V時，KLIN= 9 905Ω，當基準電壓源為5.0V時，KLIN=6 645Ω。

圖3中，電容CIN、COUT分別用于減小輸入、輸出干擾；三級管VT把大部分功耗與XTR106輸入和基準電路隔開，以保持其良好的精度；R3、R4用于補償橋路的初始精度和調節XTR106的失調電壓，其值的大小取決于橋路的阻抗與所需的調節范圍，根據式(9)可計算R3的近似值：

(9)

式中：

RB——橋路的全阻，Ω；

VTRIM——期望的電壓微調范圍，V。

根據式(1)、(3)可得在0～500 ℃時不平衡電橋電壓—溫度曲線，見圖4。由圖4可知，它是拋物線上彎的非線性，當t=238 ℃時，非線性最大值為+2.86%，故取B=+2.86%，且VFS=0.082 43V。由式(7)～(9)計算可得：RG=231Ω，RLIN=1 201.9Ω，R3=69Ω，并取R4=50Ω。

采用XTR106線性化前后不平衡電橋輸出電壓與溫度的非線性情況見圖5，線性化前后的最大非線性分別為+2.86%和±0.15%，線性化前后的非線性比為19.1∶1，這已接近達到XTR106的最大線性化比20∶1。若測溫范圍減小，則線性化后的非線性將更小。可見，XTR106能很好地改善鉑熱電阻不平衡電橋測溫所帶來的非線性誤差。

1.3 溫度控制電路

溫度控制是通過電熱管輸入電功率的調節來實現的，控溫電路由三極管(8550PNP)、Z型交流固態繼電器(AC-SSR)和電熱管(4×1.2kW)等組成。系統利用AT89S52內的定時器T0控制通用輸出端口P1.7輸出PWM信號，通過改變PWM脈沖串占空比來控制固態繼電器通斷的方式達到調節電熱管平均加熱功率的大小。由于PWM信號是以單片機內計數器為基礎產生的，因此其對脈沖串占空比的改變可做得非常準確[18]，控溫電路原理圖見圖6。

圖4 不平衡電橋線性化前Uo—t關系Figure 4 Uo—t relation before the unbalancedbridge linearization

圖5 不平衡電橋線性化前后的非線性Figure 5 Nonlinearity before and after the unbalancedbridge linearization

1.4 按鍵、顯示和報警電路

為了減少I/O口的占用，本系統采用矩陣式結構的鍵盤，通過一個端口就可構成4×4=16個按鍵，應用中斷方式獲得鍵碼；各種溫度、時間等數值的顯示由4位LED數碼管完成，采用動態顯示方式；系統溫度超過設定溫度時，P3口送出的信號經三極管放大后驅動蜂鳴器報警[19]。

2 模糊專家控制系統設計

本研究的模糊專家控制系統采用面向對象技術對系統進行設計，利用Java語言、JSP技術、SQLServer數據庫和專家系統語言Jess編制溫度控制系統。模糊專家系統主要由模糊知識庫、模糊推理機、知識獲取、解釋程序和人機交互等部分組成，其中知識庫和推理機的設計是專家系統設計的核心，其結構組成見圖7。計算機接收通過采樣得到的溫度信號，與系統設定的期望溫度進行比較，得到當前系統的輸入變量溫度偏差e和偏差變化率ec，進行模糊化處理后利用模糊知識庫，按照一定的推理機制進行模糊推理，即可得到對系統PID控制器初值參數KP、Ki、Kd的修正值ΔKp、ΔKi、ΔKd，再對控制對象輸出相應的控制指令來實現模糊專家控制[20]。

圖6 控溫電路原理圖Figure 6 Schematic diagram of the temperaturecontrol circuit

圖7 模糊專家溫控系統框圖Figure 7 Block diagram of the fuzzy expert control systemon temperature

2.1 輸入輸出數據的模糊化

本系統采用的是二輸入三輸出的模糊專家控制器，以溫度設定值與實際值之間的偏差e和偏差變化率ec作為模糊專家控制器的輸入變量，以PID參數的修正值ΔKp、ΔKi、ΔKd作為模糊專家控制器的輸出變量。各參數的語言變量、基本論域、模糊子集、模糊論域、量化因子及比例因子見表2[21]。

在對輸入輸出數據進行模糊化時，還應確定模糊子集的隸屬度函數，各個模糊子集在相應模糊論域上的隸屬度函數可以有多種表示形式，由于三角形隸屬度函數具有計算簡便、靈敏度高的優點，因此對輸入輸出變量的隸屬度函數常選擇三角形隸屬度函數[22]，如圖8所示，其表達式為：

(10)

圖8 隸屬函數曲線Figure 8 Membership function curve表2 輸入輸出變量關系變量表?Table 2 Input and output variables table

變量eecΔKpΔKiΔKd語言變量EECΔKpΔKiΔKd基本論域[-12,12][-1,1][-3,3][-0.06,0.06][-0.03,0.03]模糊子集[NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB]模糊論域[-3,3][-3,3][-3,3][-3,3][-3,3]量化/比例因子Ke=3/12=0.25Kec=3/1=3Kp=3/3=1Ki=0.06/3=0.02Kd=0.03/3=0.01

?NB表示負大，NM表示負中，NS表示負小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大。

式中：

x——變量的論域范圍；

a，b，c——指定三角形函數形狀。

2.2 模糊知識庫

模糊知識庫包括數據庫和模糊規則庫。數據庫中存儲簡單的事實、參數和推理的中間結果，模糊規則庫中存儲控制規則。目前專家控制系統中廣泛采用產生式規則的知識表示方式[23]，即用IF(滿足一組條件)THEN(可以推出一組結論)的形式，描述模糊規則庫中的規則。通過查閱相關領域的文獻[24]資料，以及對領域專家的經驗、知識的分析、歸納和總結，得到輸入變量和輸出變量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制規則表，見表3。

2.3 模糊推理機

模糊推理機是模糊專家控制器的核心，用來控制和協調整個系統。本系統采用Mamdani的推理形式，引入嵌入式專家系統語言Jess的Rete匹配算法進行推理[25]。計算機對輸入數據進行模糊化處理后，通過最大隸屬度函數法確定模糊集合中的取值，然后在規則庫中逐條查找滿足所有前提的規則，滿足則判定規則成立，否則跳過當前規則進行下一條規則的查找，直到匹配成功，輸出執行策略。模糊推理機的推理過程見圖9。

2.4 反模糊化

經由模糊推理得到的結果仍然是一個模糊集合，不能直接控制被控對象，需要采取合理的方法將模糊量轉換為精確值，以便更好地發揮出模糊推理結果的決策效果，因此必須選定一個最有代表意義的精確值作為系統的輸出控制量[26]。反模糊化的主要方法有最大隸屬度法、加權平均法(也稱重心法)和中位數法等，本系統采用加權平均法計算出最終的PID控制器參數精確值，用公式可表示為：

圖9 模糊推理機的推理過程Figure 9 Reasoning process of fuzzy inference engine

(11)

式中：

xi——論域中的元素；

μu1——每個元素對應的隸屬度。

表3 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規則表Table 3 ΔKp, ΔKi, ΔKd fuzzy rules table

3 試驗結果與分析

為了驗證溫控系統對溫度控制的準確性，采取溫度采集試驗和溫度控制試驗來驗證系統是否滿足設計要求。首先測試系統前向通道測溫的準確性，試驗采用精密水銀溫度計對恒定溫度場溫度值進行標定，每隔一定時間改變一次溫度，測得試驗數據見表4。由表4可知，在0～300 ℃溫度范圍內，系統前向通道測溫誤差為-0.1～0.2 ℃，能保證較高的測量精確度。其次檢測整個溫控系統的動態性能與穩態性能，試驗中通過設定不同程度的階躍變化溫度值，每隔10s記錄一次顯示器顯示的溫度值，測得試驗數據見圖10。試驗結果表明溫控系統的溫度能夠較好地跟隨設定值，靜態誤差小于±1 ℃，超調量小于2.36%，過渡過程時間小于27s，滿足炒茶機溫度控制系統的要求。

表4 溫度采集試驗數據Table 4 Temperature acquisition test data

圖10 溫度控制試驗曲線Figure 10 Temperature control test curve

4 結語

在炒茶機溫度控制系統中，由于控制對象具有非線性、滯后性、時變性和升溫單向性等特點，實際應用中很難獲得準確的數學模型，采用傳統控制方法無法滿足溫控系統的精度要求。本研究設計了基于模糊專家控制的溫度控制系統，實現了對炒茶機溫度的自動控制，溫控系統具有較高的控制精度，較快的響應速度，及較小的超調量，且有良好的魯棒性，克服了茶葉炒制中溫度、時間等控制不準確所產生的不良影響。本溫控系統具有一定的通用性，也可應用于烘焙機、殺青機等茶葉加工設備。在以后研究中，可在本溫控系統的基礎上增加濕度傳感器模塊，通過采集濕度傳感器模塊的輸出電壓，實現對茶葉濕度的監控，從而監測茶葉炒制過程中茶葉的含水量，保證炒茶中不同階段對于茶葉含水量的不同要求。

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Tea frying temperature control system based on fuzzy expert control潘玉成1PAN Yu-cheng1

LINGao-fei2

CHENXiao-li3

HUANGXian-zhou4

(1.DepartmentofMechanicalandElectronicEngineering,NingdeVocationalandTechnicalCollege,Fuan,Fujian355000,China; 2.CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,FujianAgricultureandForestryUniversity,Fuzhou,Fujian350002,China; 3.DepartmentofInformationTechonlogyandEngineering,NingdeVocationalandTechnicalCollege,Fuan,Fujian355000,China;4.DepartmentofAgricultureScience,NingdeVocationalandTechnicalCollege,Fuan,Fujian355000,China)

Tea frying temperature has a great influence on the quality of tea.To cope with the disadvantages of the existing tea-leaf parcher temperature control system with temperature control of low precision and the longtime adjusting, the tea-leaf parcher with intelligent temperature control system we designed， which is suitable for frying high-end quality famous tea. System used AT89S52 single chip as the core, the platinum thermal thermistor as the temperature sensor and linearized the output signal of unbalanced bridge by means of current transmitter XTR106 and designed a kind of fuzzy expert controller combine with the fuzzy control theory and expert system. The designed temperature control system has been tested and the result shows that the system which has better static and dynamic performances, whose static error of measuring temperature is less than ±1 ℃, whose overshoot is less than 2.36%, and whose transition time is less than 27 s in the range of 0～300 ℃ can meet the requirements of temperature control to fry high-end quality famous tea.

fuzzy control; expert system; temperature control; platinum thermistor;linearization

教育部、財政部職業教育實訓基地項目(編號：35133014101)

潘玉成(1964-)，男，寧德職業技術學院副教授。 E-mail: FAPYC@163.com

2016-09-28

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.018