基于模糊控制的巖茶做青系統設計

劉江平 - 金心怡 -

(1. 廈門工學院機械工程系，福建 廈門 361021；2. 福建農林大學園藝學院，福建 福州 350002)

武夷巖茶的制作工序是茶青通過萎凋、做青、殺青、揉捻、烘干、毛火、足火，最后形成毛茶。其中做青這一工序是形成綠葉紅鑲邊、花果香味的關鍵，其流程為：吹風—搖青(滾筒轉動)—晾青(靜置)，并以此為周期，循環進行。吹風工藝能促進青葉水分和熱氣的散發，吹風時間由多到少，一般不超過50 min[1]；搖青工藝是通過機械力作用，使茶青發生旋轉、摩擦、葉緣組織損傷，使梗中水分和營養物質往葉肉細胞輸送，加強氧化還原酶的活性，搖青時間由少到多，一般不超過30 min[1]；晾青工藝使多酚類化合物酶促氧化，茶葉內含物逐步轉化，青草味散失，香氣顯露，晾青時間由少到多，一般不超過60 min[1]；經多次反復達到做青要求，做青適度的葉子，葉脈透明，葉面黃亮，青氣消失，發出濃烈的花香。

研究[2]表明，武夷巖茶品質的形成受溫度、濕度環境因素影響。做青溫度影響巖茶香氣和滋味的形成。高溫(29 ℃)做青芳香物質種類少、精油總量低，特征組分含量低；中溫(25 ℃)做青芳香物質種類多,精油總量、特征組分含量高[3]；低溫(15 ℃)酶促作用停止，溫度越低，化學反應速度越慢。空氣相對濕度是影響巖茶品質的又一重要因素。做青環境相對濕度75%左右的毛茶香氣高且持久，做青芳香物質種類多，精油總量高，特征組分含量高[4]，而當相對濕度太高(90%以上)或相對濕度太低(60%以下)時，做青葉的芳香物質種類少，精油總量低，特征組分合量低。武夷巖茶做青控制常通過人工輔助調節工藝參數，加工品質并不穩定。即便是同一批次巖茶毛茶原料，但因師傅和加工環境的不同，制作出的茶葉品質也可能存在較大差異[5]。為此，陳孝照[6]設計了烏龍茶連續做青自動控制系統，但尚不能實現對做青環境參數的在線反饋控制；何靜等[7]設計了武夷巖茶做青機智能溫控系統，將溫度作為單一影響因子，未充分考慮武夷巖茶品質的形成受溫度、濕度等多個環境因子的綜合影響；曹成茂等[8]將模糊控制技術應用在綠茶殺青的恒溫控制，通過檢測綠茶殺青中的鮮葉投葉量和鮮葉等級，應用模糊控制決策，實時調整綠茶殺青機的殺青時間和殺青溫度，因不同茶類的加工工藝不同、不同工藝的茶葉品質影響因素不同，不適用作為巖茶的做青控制策略。

試驗擬提出一種基于上位機專家數據庫的巖茶做青控制系統，該系統以做青過程的溫濕度變化對茶葉品質的影響為依據，應用模糊數學理論和控制思想，設計搖(晾)青模糊控制器，下位機采集的溫度、濕度參數為輸入變量，搖(晾)青時間為輸出變量，調整做青工藝。

1 巖茶做青模糊控制系統

滾筒做青機是目前福建閩北茶區普遍使用的做青機械，具有萎凋、搖青、晾青等多種功能。其結構如圖1所示。

1. 風機 2. 可調進風門 3. 電控箱 4. 電加熱裝置 5. 傳動機構 6. 進出茶門 7. 滾筒 8. 通風管 9. 觀察窗 10. 機架 11. 電動機

試驗亦選擇滾筒做青機，采用“吹風—搖青—晾青”做青工藝，根據茶樹品種、季節、氣候、鮮葉嫩度、采摘時段、萎凋程度，通過上位機專家數據庫調出與之相配套的做青工藝參數，以專家數據庫的溫、濕度為依據，采集做青現場各階段的溫、濕度，將溫、濕度偏差作為搖(晾)青模糊控制器的兩個輸入量，經模糊量化處理、模糊推理和模糊判決輸出搖(晾)青時間改變值，控制搖青機、風機的啟閉，調整搖(晾)青時間，完成做青過程的模糊控制，達到“看天做青”的效果，做青模糊控制系統結構框圖如圖2所示。

圖2 做青模糊控制系統結構框圖

2 模糊控制器的設計

2.1 模糊控制分析與決策

影響做青質量的環境因素有溫度和相對濕度[9]。張方舟等[10]發現，做青溫度低、濕度高，茶葉失水慢，應重搖(增加搖青時間)；做青溫度高、濕度低，茶葉失水快，應輕搖(減少搖青時間)。蔡金福等[11]發現，夏季氣溫高，宜縮短搖、晾青時間；秋季氣溫低，濕度低，酶促氧化減慢而茶葉失水快，搖青時間宜延長，晾青時間宜縮短。

綜上，溫度直接影響青葉的發酵進程，而做青相對濕度影響青葉水分散發和走水速度，因此試驗選定溫濕度偏差作為搖、晾青模糊控制器的輸入參數。搖(晾)青模糊控制器決策表，如表1、2所示。

表1 搖青模糊控制器決策表

2.2 輸入參數與輸出參數的確定

模糊控制器輸入參數確定分為在線測定計算溫濕度、計算溫濕度偏差、分搖晾次確定輸入參數3個步驟。

2.2.1 在線測定計算溫濕度值 根據做青工藝，吹風—搖青—晾青，反復6次，最后一次晾青稱為“堆青”。依次測量晾青過程70%階段平均溫濕度及晾青全程平均溫濕度。

2.2.2 確定模糊控制器輸入參數的數據源

(1) 確定搖青模糊控制器輸入參數的數據源：第一搖時間不作模糊控制，以一晾全程平均溫濕度作為二搖搖青模糊控制器的輸入參數的數據源，二晾全程平均溫濕度作為三搖搖青模糊控制器輸入參數的數據源，其他依此類推。

表2 晾青模糊控制器決策表

(2) 確定晾青模糊控制器輸入參數的數據源：一晾過程70%階段平均溫濕度作為一晾模糊控制器輸入參數的數據源；二晾過程70%階段平均溫濕度作為二晾模糊控制器輸入參數的數據源，其他依此類推。

2.2.3 搖晾青模糊控制器的輸入參數和輸出參數

(1) 搖青模糊控制器輸入參數和輸出參數：搖青模糊控制器的溫度輸入參數為實際溫度值與專家庫溫度參考值之間偏差；搖青模糊控制器的濕度輸入參數為實際濕度值與專家庫濕度參考值之間偏差；搖青模糊控制器的輸出參數為搖青時間變化量。

(2) 晾青模糊控制器輸入參數和輸出參數：晾青模糊控制器的濕度輸入參數為實際濕度值與專家庫濕度參考值之間偏差；晾青模糊控制器的溫度輸入參數為實際溫度值與專家庫溫度參考值之間偏差；晾青模糊控制器的輸出參數為晾青時間變化量。

2.3 輸入、輸出變量模糊語言變量

模糊化就是將輸入和輸出值轉化為其隸屬度函數度的過程。搖(晾)青模糊控制在專家數據庫工藝的基礎上進行小范圍調整，其模糊語言變量可表示為正中(PM)、正小(PS)、零(Z)、負小(NS)、負中(NM)[12-13]。

2.4 變量論域、量化因子和比例因子

巖茶做青的適宜溫度22～25 ℃，適宜的相對濕度55%～85%，搖(晾)青時間控制量為20%專家庫參考值[U搖(晾)]，變量論域、量化因子和比例因子如表3所示。

表3 變量論域、量化因子和比例因子表

2.5 定義各變量的隸屬度函數

根據試驗[14-15]論證，三角形隸屬函數形式簡單且計算效率高，因此系統選用三角形隸屬函數，各模糊狀態的隸屬度函數均用三角形來表示[16]，如圖3所示。

圖3 溫、濕度偏差的隸屬度函數曲線

根據隸屬度函數曲線，可以得到各模糊狀態的賦值表如表4所示。搖(晾)青時間變化量的隸屬度函數曲線如圖4所示。

圖4 搖(晾)青時間變化量的隸屬度函數曲線

表4 溫、濕度模糊變量各狀態的隸屬度賦值表

根據隸屬度函數曲線，可以得到搖(晾)青時間變化量。輸出控制量U各模糊狀態的賦值表如表5所示。

表5 搖(晾)青時間變化量控制量U各狀態的隸屬度賦值表

2.6 建立模糊控制規則表

對于雙輸入單輸出的搖青模糊控制器，其輸入變量為溫度偏差Te和相對濕度偏差He，輸出變量為搖青時間偏差U，將模糊推理語言規則用模糊控制狀態表示。

搖青模糊控制器規則與晾青模糊控制器規則不同，見表6、7。

2.7 生成模糊控制表

通過查詢模糊控制規則表6，根據對應的模糊關系矩陣，計算出總模糊推理關系矩陣R，根據公式U=(Te×He)×R可求得在輸入溫度偏差(Te)和濕度偏差(He)作用下的輸出模糊向量集U搖，采用最大隸屬度法進行模糊判決，可得該系統的搖青模糊控制表，見表8。

表8 搖青模糊控制表

表6 搖青模糊控制規則表

同理，通過查詢模糊控制規則表7，根據對應的模糊關系矩陣采用最大隸屬度法進行模糊判決，可得該系統的晾青模糊控制表，見表9。

表9 晾青模糊控制表

表7 晾青模糊控制規則表

利用MATLAB軟件專用的模糊邏輯工具箱對模糊控制進行仿真。根據建立的模糊控制規則，得到搖青、晾青模糊控制器輸入、輸出特性曲面圖，如圖5、6所示，控制系統特性曲面過渡平緩，輸出控制較為穩定。

圖5 搖青模糊控制器輸入、輸出特性曲面

2.8 模糊控制器的運用步驟

將做青過程中測量的溫度偏差(Te)和濕度偏差(He)乘以量化因子(四舍五入)，查詢搖(晾)青模糊控制表(表8、9)，將控制量U乘以比例因子，得到搖(晾)青時間實際變化值。

3 做青試驗驗證

選擇肉桂品種，在武夷山巖上茶葉研究所進行模糊控制做青試驗，以手工控制對照。萎凋工藝相同，在做青機中通過吹熱風萎凋，萎凋歷時1 h。做青階段，從上位機輸入巖茶做青初始參數：品種(肉桂)；嫩度(中)；季節(秋)；天氣(晴)；時段(晚)；萎凋程度(中)。從專家數據庫調入做青工藝參數，專家數據庫用于存儲比較成熟的做青工藝參數。其中的字段名包含3大內容，① 做青初始參數：品種、季節、天氣、時段、嫩度、萎凋程度等；② 做青溫濕度參考值：包括各次的搖青、晾青適宜溫、濕度的參考值；③ 做青工藝參數參考值：包括各次的吹風、搖青、晾青時間的參考值。專家數據庫的數據內容必需經過一段時間的生產工藝積累和反復驗證而確定。做青工藝參數確定后，開啟做青智能控制，直至做青結束；做青結束后，統一經殺青、揉捻、烘干工藝成毛茶。

圖6 晾青模糊控制器輸入、輸出特性曲面

表10為現場采集的溫濕度表，專家數據庫的設定溫度為26 ℃，相對濕度為80%。表11中，3種做青工藝參數，專家數據庫工藝參數是輸入初始參數后由數據庫調入的參數；模糊控制工藝參數是程序通過采集現場溫濕度，查詢搖青模糊控制表和晾青模糊控制表，自動調節生成工藝參數；手工控制是由制茶大師根據茶青和做青環境在生產過程中使用的工藝參數；做青現場，采用模糊控制和手工控制兩種做青方法。由表11可知，模糊控制、手工控制與專家數據庫相比，搖青時間、晾青時間均適當延長，模糊控制各搖次時間調整趨勢與手工控制調整趨勢相同。

表11 3種做青工藝參數對比表

表10 做青現場采集的環境溫濕度表

如表12所示，根據武夷巖茶國家標準，兩種做青方法制成毛茶均達到特級標準。

表12 兩種方法毛茶審評結果(同一批次樣品)

4 結論

針對武夷巖茶因人工、環境因素變化導致毛茶品質不穩定的問題，設計了能根據做青環境因素有效調整工藝參數的模糊控制方法，該方法能減少人工參與，降低了勞動成本和勞動強度，而且能滿足做青智能控制要求，其工藝參數的控制與手工控制趨勢基本一致，達到了優良的制茶效果，毛茶綜合評分94.5。與常規的時間設置控制相比，模糊控制能自動進行調整，可以很好地處理生產中不確定環境參數的變化帶來的影響。與單一溫度控制反饋相比，控制更為精細。但需要大量生產試驗才能完善做青專家數據庫中各種工藝數據。后續可對做青過程中各階段內含物成分變化進行檢測，反饋于控制，優化控制效果，使智能控制手段多元化。