基于PID的智能化紅茶發酵系統設計

王帥 楊天園 周繼榮 郭帥慶 聶占一 舒慶寧 吳麗莉

摘要：針對目前溫度和濕度對紅茶發酵的影響和季節對紅茶發酵的限制，設計了基于PID的智能化紅茶發酵系統。該系統采用自動控制技術，使其能根據PID預設參數自動調控溫度、濕度和空氣交換流量，并實時顯示在LCD彩屏上，實現對溫度和濕度的精確調節，達到紅茶發酵不受環境條件制約的目的。

關鍵詞：紅茶；發酵系統；PID算法

中圖分類號：TS272.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）05-1284-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.05.050

Design of Intelligent Fermentation System of Black Tea Based on PID

WANG Shuaia，YANG Tian-yuana，ZHOU Ji-rongb，GUO Shuai-qingb，NIE Zhan-yib，SHU Qing-ningb，WU Li-lib

（a.College of Engineering and Technology；b.College of Horticulture and Forestry Sciences，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）

Abstract： In view of the influences of fermentation temperature and humidity on black tea and the seasonal restrictions to fermentation of black tea， an intelligent fermentation system of black tea based on PID was designed. Automatic control technology was adopted to automatically adjust and control the temperature， humidity and the flow of air exchange according to PID preset parameters， which were displayed on the LCD color screen to regulate the temperature and humidity accurately， so as to achieve the purpose of black tea fermentation not affected by any environmental conditions.

Key words： black tea；fermentation system； PID arithmetic

近年來中國紅茶發展非常迅速，年產量持續增加[1，2]。發酵過程是紅茶加工工藝中最為重要的部分，也是對紅茶品質影響最大的環節。中國的高檔紅茶發酵一般在春季和秋季進行，由于環境溫度低，濕度達不到要求，難以完成發酵過程，因此需要通過發酵裝置創造適當的溫度、濕度和通氣條件。如果采用水蒸氣加濕，發酵箱內充滿霧氣，且蒸汽在茶葉表面凝結，氧氣交換不充分，導致發酵不充分；如果采用常溫下超聲加濕，通過熱風加溫，發酵箱內環境不穩定，發酵效果也會受到影響。而且溫室環境系統由于自身的復雜性，各種環境因素之間相互影響，采用傳統的控制方法很難達到最佳的效果[3]。

針對以上問題，設計了一種由PID自動控制的單通道加溫加濕通氣發酵系統，該系統具有良好的穩定性和可操作性，通過PID自動控制技術，可實現對紅茶發酵環境的自動調節。

1 智能化紅茶發酵系統總體結構

該茶葉發酵溫濕度自動調節裝置包括超聲波霧化器、水深傳感器、風機、氣體流量計、氣體緩沖箱、恒溫預熱箱、水溫控制模塊、溫濕度傳感器、溫控模塊、氣體流量計、電機、發酵箱（圖1）。其中超聲波霧化器與風機輸入端通過短硬管連接，風機輸出端通過短軟管與氣體緩沖箱輸入端連接，氣體緩沖箱輸出端通過凹形長硬管與發酵箱輸入端連接，長硬管的凹形部分浸在恒溫預熱箱中，發酵箱輸出端與氣體流量計連接，氣體緩沖箱的數目與發酵箱的氣體傳輸管數相同。當外界環境溫度改變時，系統能夠自動檢測并對發酵箱加熱；當檢測到發酵箱中濕度超過設定的濕度裕度時，系統會自動鼓入水蒸氣。水蒸氣在恒溫預熱箱預熱，恒溫預熱箱與加熱器共同調節系統溫度和濕度相對恒定。

2 智能化紅茶發酵系統調控部分設計

2.1 溫度調節部分

工夫紅茶品質取決于鮮葉質量和加工技術，發酵是工夫紅茶初制的關鍵工序，合理調控發酵溫度和發酵程度對提高紅茶品質至關重要[4]。溫度是紅茶發酵過程中的重要因素，溫度偏高易導致紅茶發酵過度，茶葉色澤暗淡，茶湯氣色差，嚴重影響紅茶品質；溫度偏低則會導致紅茶發酵不均勻，發酵時間長，茶湯色澤不艷，底色欠濃，所以在紅茶發酵過程中對發酵溫度有嚴格要求。目前中國的紅茶一般在春、秋季發酵，春、秋季的溫度適宜，對紅茶發酵過程的影響較小。基于此，系統在發酵箱中用PID算法模擬春秋季節的溫度，以達到對紅茶發酵溫度的調控。

一般應用的PID控制規律表達式為：

u（t）=Kp[e（t）+■■e（t）d（t）+TD■] （1）

通過溫度傳感器測量箱內的實時溫度R（t），與目標溫度Y（t）做差，得到偏差值e（t）。將偏差值乘以比例項系數Kp得到比例項，將偏差值做積分并乘以積分項系數Ki得到積分項，將偏差值做微分并乘以微分項系數Kd得到微分項。當實時溫度與目標溫度有差值時，比例項就會起作用，調節加熱模塊使溫度趨于目標值。比例項影響溫度調節的速度，過大的比例系數會使系統超調振蕩，過小會導致調節過慢[5]。積分項用來消除系統的穩態誤差，提高無差度。微分作用反映系統偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前已被微分調節作用消除。

溫度調節過程中增量PID表達式為：

u（t）=Kpe（t）+Ki■e（t）d（t）+KD■ （2）

式中，Ki為積分系數；KD為微分系數；偏差值e（t）=R（t）-Y（t）；R（t）為發酵箱的實時溫度；Y（t）為設定的目標溫度[6]。

通過PID控制加熱模塊，當系統溫度低于溫度下限時，控制溫控模塊的加熱程度，對系統加熱；當系統溫度高于溫度上限時，PID控制溫控模塊處于不工作狀態。通過PID調控，發酵箱內溫度能夠迅速精確地控制在預設溫度裕值內。PID調節溫度流程如圖2所示。

2.2 濕度調節部分

紅茶發酵過程中，濕度的相對穩定尤為重要。采用傳統沸水加溫加濕方法，高溫水蒸氣會在低溫茶團上凝結，水膜阻抑茶與空氣交換[7]；采用傳統常溫加濕方法，所產生的是霧狀水滴而不是分子狀態的水，難以參與發酵過程；采用茶堆發酵方式，在厚度較大時，如翻動不充分，會導致發酵過程中水分不均勻，最終導致發酵程度不一致。為解決以上問題，系統采用超聲波霧化器通過加熱、節流和電極使水變成水蒸氣，對被調節空氣進行加濕，濕蒸氣呈分子狀態，系統的濕度支持人工設定，并且系統采用負壓抽氣方式和送氣兩種方式共同協作，確保溫濕度分布均勻，且換氣均勻充分。

濕度調節過程如圖3所示，當濕度傳感器檢測到系統濕度超出濕度裕度后，系統按照PID參數調節風機1和風機2的轉速。當系統內濕度低于預設濕度下限時，控制器在調節風機1加速向系統鼓入水蒸氣。同時，加速風機2鼓出系統內干燥的氣體，風機1的轉速高于風機2，使系統內的濕度保持在裕值范圍內；當系統內的濕度超過預設濕度上限時，控制器在調節風機1減速向系統鼓入水蒸氣的同時，減速風機2鼓出系統內的水蒸氣，風機2的轉速高于風機1，保證風機2鼓出水蒸氣的流量大于風機1鼓入水蒸氣的流量，使系統內的濕度處于動態穩定狀態。

3 系統流程

系統中使用 PID 算法實現對系統變量的穩定調控。PID調節的反饋強度與反饋控制量應該呈線性關系，因此，氣壓升降壓速率與伺服電機轉速的關系是穩壓控制的前提[8]。通過控制兩個風機的轉速實現對系統內部溫度和濕度的動態調控。

如圖4所示，通過溫度傳感器、濕度傳感器和氣壓傳感器采集系統內溫度并記錄，設計各部分PID算法，實時將采集到的溫濕度信息發送至控制終端，在控制器的調控下，系統內溫度和濕度在PID閉環控制的作用下處于穩定，趨近于設定值，收斂于設定裕度，從而實現設備的智能化控制。系統內的溫度、濕度和氣壓值由傳感器采集，并實時顯示在LCD屏幕上，可更加直觀地看出系統調節參數的過程。

4 小結

基于PID的智能化紅茶發酵系統，采用自動控制技術PID算法實時調控紅茶發酵過程中溫度、濕度和氣壓，可人工設定系統參數，具有良好的可操作性和實用性。通過控制風機的工作模式實現對系統氣壓和濕度的調整，控制溫控模塊的工作模式實現對系統溫度的實時調控，而在風機的工作模式和溫控模塊的工作模式有相互影響的前提下，系統能夠實現對紅茶發酵箱內部環境的實時調控，表明系統具有很好的穩定性和可移植性。本研究采用自動控制技術，使其能根據PID預設參數自動調控溫度、濕度和空氣交換流量，實現對溫度、濕度和氣壓的精確控制，嚴格模擬春秋季節的相關環境特點，達到紅茶發酵不受環境條件制約的目的，對于中國紅茶發酵具有重要意義，具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1] 李閩榕，楊江帆.茶葉藍皮書：中國茶產業發展報告（2011）[M].北京：社會科學文獻出版社，2011.

[2] 中國茶葉流通協會.2012年全國紅茶產銷形勢分析報告[J].茶世界，2012（5）：4-6.

[3] 屈 毅，寧 鐸，賴展翅，等.基于模糊PID控制的溫室控制系統[J].計算機應用，2009，29（7）：1996-1999.

[4] 王貴芳，陳榮冰.加工工藝對紅茶主要生化品質的影響研究進展[J].福建茶葉，2008，30（1）：6-8.

[5] VISIOLI A.Practical PID Control[M]. London： Springer Verlag Press，2006.

[6] 汪小旵.南方現代化溫室小氣候模擬及其能耗預測研究[D].南京：南京農業大學，2002.

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[8] 胡永建.一種基于PID算法的氣壓控制技術[J].測控技術，2011， 30（8）：60-63.