基于微波擾動(dòng)的茶葉殺青機(jī)溫濕雙控仿真

金 璐，林廷藝，2，鐘曉鋒*，劉旭勤

(1. 貴州理工學(xué)院工程訓(xùn)練中心，貴州 貴陽 550003；2. 貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

1 引言

社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展增大了對(duì)茶量與茶品質(zhì)的需求[1]，為提升茶葉品質(zhì)、延長(zhǎng)質(zhì)變期，相應(yīng)干制技術(shù)越來越成熟，逐漸從手工化轉(zhuǎn)為機(jī)械化，其中殺青處理成為茶葉加工工藝中重要程度較高的一個(gè)環(huán)節(jié)[2]。科技的進(jìn)步令殺青技術(shù)與設(shè)備要求越來越高，按照茶葉的殺青形式，逐漸產(chǎn)生了熱風(fēng)式、微波式、鍋式、蒸汽式、滾筒式等殺青設(shè)備。

在對(duì)茶葉的品質(zhì)與技術(shù)要求不斷提升背景下，相關(guān)領(lǐng)域研究人員對(duì)殺青機(jī)展開了深入探索，例如：潘玉成等人[3]為滿足殺青機(jī)溫度的控制要求，設(shè)計(jì)出了有效的模糊徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID溫控系統(tǒng)；虞文俊等人[4]為使茶葉殺青更加均勻，提出了基于Fluent-EDEM耦合的滾筒內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬方法。

通過探究上述研究成果發(fā)現(xiàn)，在殺青過程中，茶葉會(huì)產(chǎn)生不同的物理變化與化學(xué)變化，溫濕度在物理變化中極為重要，殺青機(jī)一旦操作不當(dāng)，極易發(fā)生糊葉等情況。為此，本文基于上述文獻(xiàn)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)一種微波擾動(dòng)的溫濕雙控策略。以電磁理論[5]中微波擾動(dòng)為更本，通過介電屬性幫助提升濕度與殺青機(jī)腔體相對(duì)頻偏相關(guān)性的聯(lián)立精準(zhǔn)度；根據(jù)輸入誤差與誤差變化率的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，調(diào)整控制參數(shù)，使模糊控制器性能得以提升。

2 基于微波擾動(dòng)的茶葉殺青機(jī)濕度控制

將殺青機(jī)封閉的中空腔室作為微波擾動(dòng)的諧振腔，電磁波在腔體內(nèi)部不斷反射，產(chǎn)生振蕩電磁，通過高頻電磁振蕩的諧振現(xiàn)象[6]，控制設(shè)備濕度。

通常情況下，在固定的設(shè)備腔體規(guī)格中，若已知濕度與微波頻率，則濕度發(fā)生變化時(shí)，復(fù)介電常數(shù)也需要隨之發(fā)生改變，以確保設(shè)備腔體中的濕度更為均勻，同時(shí)，諧振頻率也有所變更，也就是說根據(jù)諧振頻率，即可取得設(shè)備濕度。

殺青機(jī)腔體存在電介質(zhì)介電常數(shù)ε與磁導(dǎo)率μ，一旦兩者出現(xiàn)小幅變動(dòng)，就會(huì)擾動(dòng)到設(shè)備腔體中的電磁場(chǎng)。若電介質(zhì)介電常數(shù)與磁導(dǎo)率的變量分別為Δε、Δμ，腔體內(nèi)未產(chǎn)生微波擾動(dòng)時(shí)電場(chǎng)與磁場(chǎng)各是E0、H0，擾動(dòng)后電場(chǎng)與磁場(chǎng)各是E、H，則利用麥克斯韋逆向方程組[7]，界定微波擾動(dòng)前后的殺青機(jī)腔體電磁場(chǎng)狀態(tài)

(1)

(2)

其中，?表示哈密頓算子[8]；j表示方程旋度；殺青機(jī)發(fā)生諧振時(shí)微波擾動(dòng)前后的電磁波角頻率為別為ω0、ω。

假定殺青機(jī)腔體的內(nèi)表面與體積分別為S0、V0，由矢量恒等式[9]與散度定理，推導(dǎo)出下列微積分表達(dá)式

(3)

若微波擾動(dòng)方向是n，基于腔體內(nèi)表面S0上有n*E=0，則上列微積分方程的解是0，故得出下列分式方程

(4)

通過該方程式描述微波擾動(dòng)與殺青機(jī)諧振角頻率的相關(guān)性，當(dāng)電介質(zhì)介電常數(shù)與磁導(dǎo)率變量Δε、Δμ，小到忽略不計(jì)時(shí)，利用初始電磁、電場(chǎng)、電磁波角頻率，近似表示擾動(dòng)后的對(duì)應(yīng)指標(biāo)，因此，將分式方程(4)改寫成下列近似表達(dá)式

(5)

綜上，殺青機(jī)腔體諧振角頻率的相對(duì)變量?jī)H有關(guān)于微波擾動(dòng)時(shí)的介電屬性。

基于殺青機(jī)不斷的應(yīng)用與實(shí)踐，滾筒式茶葉殺青機(jī)憑借操作簡(jiǎn)單、不間斷生產(chǎn)以及高作業(yè)效率等優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前茶區(qū)較為盛行與普及。滾筒式茶葉殺青機(jī)腔體一般呈圓柱形，若內(nèi)表面僅存在圓周方向的電流，則對(duì)于大體積的殺青設(shè)備，相同工作頻率下，干擾模略有增加，故基于微波擾動(dòng)的介電屬性，設(shè)計(jì)一種耦合處理手段來達(dá)成殺青機(jī)濕度控制。

假設(shè)圓柱腔體中軸向z上的磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值與分布各是H′0、Hz，徑向r上的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布為Hr，電場(chǎng)強(qiáng)度分布為Eφ，則建立出下列微波擾動(dòng)模場(chǎng)表達(dá)式

(6)

(7)

(8)

其中，J0、J′0各指代貝塞爾函數(shù)[10]及其一階導(dǎo)數(shù)；a為復(fù)介電常數(shù)；z表示軸向z上的磁場(chǎng)方向。

腔體內(nèi)存在干飽和蒸汽時(shí)，初始電場(chǎng)、磁場(chǎng)不變，介電常數(shù)與磁導(dǎo)率各是εv、μv，當(dāng)蒸汽達(dá)到一定濕度后，介電常數(shù)與磁導(dǎo)率為εm、μm，兩介電參數(shù)變量分別是Δε′、Δμ′，腔體諧振頻率從f0偏移成f，偏移量為Δf。該過程描述式如下所示

(9)

將微波擾動(dòng)模場(chǎng)方程式與上列描述式相結(jié)合，得到下列簡(jiǎn)化式

Δf/f0=(εrm-εrv)/εrv

(10)

其中，εrm與εrv分別表示基于9干飽和蒸汽的濕度等效復(fù)介電常數(shù)實(shí)部與虛部。

將下列濕度等效介電常數(shù)實(shí)部εrm的界定式代入簡(jiǎn)化式(10)，聯(lián)立出濕度與殺青機(jī)腔體相對(duì)頻偏的相關(guān)性，如式(12)所示，據(jù)此完成設(shè)備濕度控制

(11)

(12)

其中，Y表示殺青機(jī)濕度；εrf表示飽和水的復(fù)介電常數(shù)實(shí)部；ρf表示飽和水密度；ρv表示干飽和蒸汽密度。

3 茶葉殺青機(jī)溫度模糊控制

基于模糊控制技術(shù)[11]，按照?qǐng)D1設(shè)計(jì)模糊控制器，通過模糊處理與推理，以所得輸出值為依據(jù)來控制殺青機(jī)溫度。

圖1 模糊控制器示意圖

利用該控制器控制殺青機(jī)溫度的過程中，假設(shè)采集第k個(gè)溫度數(shù)據(jù)時(shí)，控制器的模糊控制比例參數(shù)、積分參數(shù)、導(dǎo)數(shù)參數(shù)分別為kP、kI、kD，采集時(shí)長(zhǎng)是T，則其方差表達(dá)式如下所示

(13)

其中，e指代輸入誤差。

根據(jù)模糊控制參數(shù)kP、kI、kD之間的制約性與互助性，結(jié)合輸入誤差e與誤差變化率ec的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按以下流程完成控制參數(shù)調(diào)整，并采用最佳狀態(tài)的模糊控制器控制殺青機(jī)溫度：

1)當(dāng)輸入誤差e較大時(shí)，合理增大kP參數(shù)值、減少kD參數(shù)值，以迅速回歸平穩(wěn)狀態(tài)，同時(shí)為降低超調(diào)作用[12]，令kI取值為0；

2)當(dāng)輸入誤差e相對(duì)居中時(shí)，依據(jù)超調(diào)作用產(chǎn)生的效果，合理降低kP、kD參數(shù)值，就具體實(shí)踐調(diào)整kI參數(shù)值；

3)當(dāng)輸入誤差e較小時(shí)，為維持殺青機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，合理增大kP、kD參數(shù)值，誤差變化率ec取值大小會(huì)影響振蕩程度，故針對(duì)振蕩現(xiàn)象適當(dāng)調(diào)整kD參數(shù)值。

4 茶葉殺青機(jī)溫濕雙控法

基于微波擾動(dòng)與模糊控制器，構(gòu)建茶葉殺青機(jī)溫濕度雙控策略，實(shí)現(xiàn)物理參數(shù)的合理控制。為防止熱慣性作用造成過熱現(xiàn)象，當(dāng)殺青機(jī)溫度達(dá)到規(guī)定上限時(shí)，紅外加熱管停止工作；為防止電機(jī)啟動(dòng)階段造成濕度過高，當(dāng)設(shè)備濕度達(dá)到規(guī)定上限時(shí)，令風(fēng)機(jī)全速旋轉(zhuǎn)。雙控策略的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下所述：

1)在上位機(jī)[13]明確溫濕度上限Xmax、Ymax，將其輸入主控芯片[14]中；

2)利用下列方程組，求解實(shí)際溫濕度X、Y與對(duì)應(yīng)上限值Xmax、Ymax之間的差值

(14)

3)判定茶葉殺青機(jī)是否完成殺青，若已殺青完畢，則跳過控制步驟，流程終止；反之，則進(jìn)入下一步驟；

4)分別判斷溫濕度差值與理想閾值thr的相關(guān)性，每完成一次判定，均確定一次殺青時(shí)間是否到達(dá)。

①對(duì)于殺青機(jī)腔體內(nèi)溫度，若溫度差值a不小于閾值thr，熄滅紅外加熱管，再次判定兩者的大小關(guān)系，若溫度差值a小于閾值thr，則利用模糊控制器輸出脈寬調(diào)制[15]，調(diào)整紅外加熱管的運(yùn)行功率，控制設(shè)備溫度，循環(huán)往復(fù)直到殺青任務(wù)終止；

②對(duì)于殺青機(jī)腔體內(nèi)濕度，若濕度值b不大于閾值thr，則令排濕風(fēng)扇電機(jī)停止運(yùn)行，再次判定兩者的大小關(guān)系，若濕度差值b大于閾值thr，則根據(jù)濕度與殺青機(jī)腔體相對(duì)頻偏的相關(guān)性，調(diào)整排濕風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，控制設(shè)備濕度，循環(huán)往復(fù)直到殺青任務(wù)結(jié)束。

5 茶葉殺青機(jī)溫濕雙控仿真研究

通過SIMULINK仿真平臺(tái)，以6CST-90型號(hào)茶葉殺青機(jī)為對(duì)象，模擬溫濕雙控策略應(yīng)用前后的溫濕度控制效果，檢驗(yàn)方法的有效性與應(yīng)用性。按照表1所示數(shù)值設(shè)置雙控策略相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，以取得相對(duì)可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 溫濕雙控策略相關(guān)參數(shù)設(shè)定

5.1 溫濕度控制效果分析

圖2 溫濕度雙控效果示意圖

設(shè)置茶葉殺青機(jī)的殺青工作時(shí)長(zhǎng)為10分鐘。根據(jù)雙控策略應(yīng)用前后的溫度變化情況與殺青機(jī)的理想溫度走勢(shì)(如圖2(a)所示)可以看出：應(yīng)用雙控策略前，在剛開始?xì)⑶嗟妮^短時(shí)間內(nèi)，茶葉的殺青溫度沿理想溫度走勢(shì)發(fā)展，隨著殺青時(shí)間的延長(zhǎng)，不僅兩溫度之間的差異越來越大，而且殺青溫度的波動(dòng)幅度也不斷增加，并逐漸失去控制；而應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的雙控策略后，經(jīng)模糊控制器的模糊處理與推理，根據(jù)所得輸出值，以參數(shù)優(yōu)化后的最佳狀態(tài)，完成溫度模糊控制，令殺青溫度從初始階段到殺青結(jié)束，始終與理想溫度呈高度擬合狀態(tài)。

通過雙控策略應(yīng)用前后的濕度變化情況與殺青機(jī)的理想濕度走勢(shì)(如圖2(b)所示)可以看出：應(yīng)用雙控策略前，殺青濕度除幾個(gè)時(shí)刻與理想濕度偶有重合外，其余過程均與理想濕度大相徑庭，相對(duì)溫度略有優(yōu)勢(shì)的是波動(dòng)幅度一直在理想濕度曲線附近呈穩(wěn)定變化；但在應(yīng)用雙控策略后，基于微波擾動(dòng)的介電屬性，根據(jù)殺青機(jī)腔體的電磁場(chǎng)情況及其與濕度的相對(duì)頻偏相關(guān)性，通過耦合處理手段，令殺青機(jī)的濕度與茶葉殺青的理想濕度從始至終保持著較高的擬合水平，與溫度控制狀況相同，僅在急速升溫與升濕的階段中發(fā)生極小程度偏差，對(duì)于殺青機(jī)的溫濕度需求而言，幾乎可以忽略不計(jì)。

5.2 溫濕度控制效率分析

為客觀驗(yàn)證雙控策略的溫濕度提升效率，分別建立出三種相同規(guī)格、相同物理參數(shù)的茶葉殺青機(jī)模型，設(shè)定各設(shè)備模型的殺青溫度與濕度各是270℃與45°、320℃與53°、400℃與67°。

三個(gè)殺青機(jī)模型同時(shí)啟動(dòng)，以各模型對(duì)應(yīng)的溫濕度為目標(biāo)，采用雙控策略進(jìn)行十組溫濕度提升仿真，結(jié)果見圖3。

圖3 溫濕度提升效率示意圖

由圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，控制所用時(shí)間與溫濕度數(shù)值呈正相關(guān)性，本文策略通過調(diào)整模糊控制器的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合微波擾動(dòng)前后的電磁場(chǎng)相關(guān)變化，不論是溫度還是濕度，每組實(shí)驗(yàn)都在極短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了各模型的預(yù)設(shè)目標(biāo)，即便是面對(duì)三號(hào)模型的較高度數(shù)，也同樣具有較快的溫濕度提升速度。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果足以說明，該方法具有較高的控制效率與良好的穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

為取得更高的茶葉品質(zhì)，更好地控制殺青設(shè)備的溫濕度，將以下方面作為未來的研究工作重點(diǎn)：針對(duì)多種茶葉原料，令一臺(tái)殺青機(jī)能夠同時(shí)滿足多個(gè)殺青要求，從根本上實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的目標(biāo)；應(yīng)結(jié)合智能人工技術(shù)與可視化技術(shù)，建立溫濕雙控的可視化智能系統(tǒng)，讓控制更加自動(dòng)化，讓策略更具應(yīng)用性；繼續(xù)學(xué)習(xí)殺青機(jī)相關(guān)理論知識(shí)，結(jié)合風(fēng)力、物料作用力等對(duì)溫濕度的影響，進(jìn)一步優(yōu)化控制性能。