基于微波擾動與模糊PID的蒸汽茶葉殺青機溫濕度調控技術

關鍵詞：微波擾動；蒸汽茶葉殺青機；溫濕度控制；模糊PID；調控技術中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A文章編號：0439-8114（2025）07-0178-04DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.07.030開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Control technology of temperature and humidity for steam tea fixing machine based on microwave perturbation and fuzzy PID

LIANG Yu-yue，LEI Dao-rui

（School of Mechatronic Engineering，Enshi Polytechnic，Enshi 445OOo，Hubei，China）

Abstract：Toaddressthediffcultyof stably maintainingpresetemperatureandhumidityduringtheoperationof thesteam teafixing machine，atemperatureandhumidityregulation methodbasedonthecoordinatedcontrolofmicrowaveperturbationandfuzyPIDwas proposed.ThismethodappliedmicrowaveperturbationtechnologytohumiditycontrolandemployedthefuzyIDalgorithmforrecise temperatureregulation，efectivelysolvingthetechnicalchalengeofmutualinterferencebetweentemperatureandhumidityparamters in traditional control methods.When the fixing temperature was 95 C ，the humidity was 95 % ，and the time was 1min ，although slightfluctuationsexistedinthetemperatureandumidity，teywereconsistentlymaintainedwitinasmallontrollbleangehee sultsshowedthatthetemperatureandhumiditycontrolmethodcombining microwaveperturbationandfuzyPIDcouldefectivelyensurethestabilityoftheinteralenvironmentofthesteamteafixingmachine，keepingthetealeavesitheoptimalfixingstate.This precisetemperatureandhumiditycontrolmethodnotonlysignificantlyimprovedtheconsistencandrepeatabilityofthefixingproces butalsoenhancedthequalityofthfinisedteaproducts，providingreliableassuranceforthfrmationofexcellntflavorhracteristics and nutritional value of tea.

Key words：microwave perturbation；steamteafixing machine；temperatureand humiditycontrol;fuzzyPID；controltechnology

蒸汽茶葉殺青機作為現代茶葉加工中的重要設備，其溫濕度控制是確保茶葉品質的關鍵環節[1，2]蒸汽茶葉殺青機的溫濕度控制指的是在殺青過程中，通過精確的技術手段調整和維持設備內部適宜的溫度和濕度，以實現茶葉中酶的活性和水分的有效調控，從而保證茶葉的色澤、香氣和口感達到最佳狀態[3-5]。對于蒸汽茶葉殺青機而言，精確控制溫濕度的重要性不言而喻，它不僅能夠最大程度地保留茶葉的營養成分和活性物質，還能避免因溫濕度不當導致的茶葉品質下降，從而確保茶葉加工的穩定性和高效性，最終提升茶葉的整體市場競爭力[6]。

針對溫濕度控制方法有許多學者進行了研究，楊波等通過對茶葉處理設備的參數進行分析，以熱功率和蒸汽流量為基礎，通過區間二型模糊理論實現設備的溫濕度控制。在實際應用中，熱功率和蒸汽流量的精確測量和調節較為困難。區間二型模糊控制需要這些參數的精確輸入，否則會影響控制精度。Gao等8提出基于目標降階熱容-熱阻模型的管式模型預測控制（MPC）方案，可有效抑制實際系統中的不確定性影響。MPC算法存在較高的計算復雜度，尤其對于多輸入多輸出（MIMO）系統及不確定性的場景，其在線優化過程可能因計算資源需求過大而影響實時控制性能。林飛應等9基于茶葉加工經驗，通過人工調控設定了生產溫濕度參數并優化了工藝流程。這種依賴操作人員經驗和主觀判斷的控制方式，易受個體差異影響，致使生產工藝的一致性和重復性難以得到有效保障。朱德蘭等通過設置濕度監控設備準確獲取濕度數據，并設定增濕、除濕2種運行狀態，構建濕度變化的數學模型，通過設備運行的實際情況分析不同情況下的濕度調節能力。濕度控制的效果很大程度上依賴于數學模型的準確性，如果模型與實際過程存在偏差，可能導致控制策略失效。

微波擾動濕度控制與模糊PID溫度控制均為先進控制方法，在茶葉殺青中展現出顯著優勢[11，12]。其中，微波擾動濕度控制通過精準調節微波能量實現水分快速均勻分布，有效提升殺青過程的響應速度與調控靈活性。模糊PID溫度控制利用模糊邏輯與PID控制相結合，增強了自適應能力，使得溫度控制更加精準，能夠應對茶葉殺青過程中溫度變化的非線性特性，減少超調量和穩態誤差，提升穩定性和茶葉品質的一致性。本研究創新性地提出一種融合微波擾動濕度控制與模糊PID溫度控制的方法，通過這2種控制方法的應用，不僅能提高殺青過程的自動化水平，還能確保茶葉在殺青階段的品質。

1蒸汽茶葉殺青機溫濕度控制

1.1 微波擾動的蒸汽茶葉殺青機濕度控制

蒸汽茶葉殺青機內部諧振腔中的電磁波通過反射形成振蕩，高頻振蕩產生的諧振效應可調控設備濕度。由于殺青空間固定，當濕度變化時，介電常數的改變會促使腔內濕度分布更均勻，同時引發諧振頻率偏移。通過監測諧振頻率的變化實時計算蒸汽茶葉殺青機內部的濕度數據[13]

1.2 蒸汽茶葉殺青機溫度模糊控制

在微波擾動控制濕度過程中，當設備初始濕度過高時，系統將自動啟動蒸汽茶葉殺青機中的風機以降低濕度。通過結合微波擾動與模糊PID的雙重控制策略，精準調節蒸汽茶葉殺青機的溫濕度參數，確保茶葉殺青工藝處于最優狀態，提升成品茶葉的質量。

為防止熱慣性問題導致蒸汽茶葉殺青機中的溫度過高，需要設定溫度上限，在溫度達到上限后加熱設備停止加熱。模糊PID控制器可以分為模糊控制和PID控制[14]，模糊PID控制器結構如圖1所示。

圖1模糊PID控制器結構

1）模糊化。模糊化處理是將溫度偏差輸入信號通過增益系數歸一化至預設論域的過程。針對茶葉殺青工藝要求（ 80～100^°C ，系統將溫度偏差的論域設定為[0，20]（單位： C ），溫度偏差變化率的論域設定為[0，3]（單位： °C/s ），并采用三角形隸屬函數進行量化。基于專家經驗，將溫度偏差及其變化率劃分為7個模糊子集，分別用語言變量{NB（負大），NM（負中），NS（負小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）表示，以實現精準的模糊邏輯控制[15]

2）模糊推理。使用語言變量構建模糊規則表，結果如表1所示。根據模糊規則表即可得到模糊PID控制器參數輸出結果。

3）解模糊。由于模糊控制輸出結果不能直接被PID控制器應用，將模糊結果通過計算得到準確的PID控制器參數。

式中， K_s 為模糊輸出值； x_i 為模糊集中第 i 條模糊元素規則對應的PID系數預設值； L_i"為第 i 條模糊元素規則的隸屬度函數； K₀"為模糊輸入值。

表1模糊規則

為保證精確控制蒸汽茶葉殺青機的溫度， K_p 、K_i?K_d 需要進行自適應調整，因此使用模糊控制器對三者進行修正。

式中， 分別為模糊PID控制器的比例系數、積分系數、微分系數； 分別為 K_p 、K_i?K_d 的模糊PID控制修正值。

u（k）=a（k）+K_p[e（k）-e（k-1）]+K_ie（k）+

式中， u（k） 為模糊PID控制器的輸出結果； k 為溫度采樣次數； e 為偏差值； a（k） 為 k 次采樣的實時溫度。

2 試驗結果與分析

選擇某型號蒸汽茶葉殺青機為試驗對象，該蒸汽茶葉殺青機屬于傳統蒸青灶，如圖2所示。

圖2蒸汽茶葉殺青機結構

以該蒸汽茶葉殺青機為基礎，在殺青機內部設置溫度、濕度、電場強度、磁場強度等多種傳感器用于監控殺青機的運行信息，殺青機運行參數如表2所示。

表2蒸汽茶葉殺青機運行參數

由圖3可知，在采用微波擾動控制前，蒸汽茶葉殺青機的濕度控制系統存在缺陷，系統不僅難以快速響應并達到最佳工藝濕度，即使在超調現象緩解后的穩態運行階段，該方法仍無法有效維持濕度穩定，導致濕度持續出現大幅波動。這種不穩定的濕度環境會直接影響茶葉殺青過程中的水分均勻性，進而造成茶葉色澤不均、香氣物質流失等質量問題，最終降低茶葉的整體品質等級。在采用微波擾動控制后，蒸汽茶葉殺青機的濕度控制系統表現出較好的效果，系統能夠快速精準地將濕度調節至最佳工藝范圍，且避免了超調現象；在后續平穩運行階段，濕度波動被嚴格控制在極微小范圍內，該波動幅度對工藝影響可忽略不計。結果表明，基于微波擾動的控制方法能夠有效維持殺青機內部濕度的穩定性，確保茶葉在最佳濕度環境下完成殺青過程，從而使成品茶葉在色澤均勻性、香氣保留度和口感品質等方面均達到優異水平。

由圖4可知，在采用模糊PID控制前，蒸汽茶葉殺青機的溫度調節系統在 30s 時首次達到最佳溫度。由于受系統熱慣性的影響，溫度會出現顯著超調，峰值可達 99^°C 。隨后溫度雖回落，但受控于加熱裝置的斷續工作模式，溫度在較大范圍內波動。這種溫度波動不僅影響殺青效率，更會導致茶葉中酶活性控制不均，直接影響成品茶葉的色澤和風味物質的保留。在采用模糊PID控制后，蒸汽茶葉殺青機的溫度調節系統在30s時首次達到最佳溫度。通過預先補償熱慣性的智能控制策略，該方法在接近最佳溫度時提前關閉加熱裝置，溫度超調量較小。在后續穩定運行階段，溫度被嚴格限制在較小范圍內波動，該波動幅度對工藝影響可忽略不計。結果表明，基于模糊PID的控制方法具有較強的溫度控制能力，能夠確保茶葉在精確控制的溫度環境下完成殺青過程，從而顯著提升成品茶葉的品質一致性。

針對茶葉的鮮葉品質設定殺青溫度為 95^°C 、濕度為 95% ，殺青時間為 1min 。在殺青操作前，蒸汽茶葉殺青機需要完成 5min 的預熱過程，待設備內部溫度、濕度穩定達到預設值后，將茶葉鮮葉放入并進行殺青處理。為確保工藝參數的精確控制，整個殺青過程中以30s為間隔持續監測并記錄設備內部的溫度和濕度變化，采集到的溫濕度數據如表3所示。溫濕度雖然存在輕微波動，但始終保持在較小的可控范圍內。結果表明，結合微波擾動和模糊PID的溫濕度控制方法能夠有效確保蒸汽茶葉殺青機內部環境的穩定性，使茶葉處于最佳殺青狀態。這種精確的溫濕度控制方法不僅大幅提高了殺青工藝的一致性和重復性，而且提升了成品茶葉的品質，為茶葉優良風味特征和營養價值的形成提供可靠保障。

圖3微波擾動控制前后蒸汽茶葉殺青機的濕度變化

圖4模糊 PID 控制前后蒸汽茶葉殺青機的溫度變化

表3蒸汽茶葉殺青機溫濕度控制

3 小結

本研究提出了一種創新的蒸汽茶葉殺青機溫濕度控制方法，該方法巧妙結合了微波擾動技術與模糊PID控制策略。通過將2種控制技術分別應用于濕度與溫度的調控，實現系統參數的精準控制。微波擾動技術負責濕度的調節，而模糊PID控制則專注于溫度的調節，這種分工明確的雙重控制架構有效避免了參數間的相互干擾。結果表明，該方法顯著提升了蒸汽茶葉殺青機的溫濕度控制效果，為茶葉殺青工藝提供了更穩定、更可靠的環境條件，從而確保最終產品品質的一致性。

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（責任編輯雷霄飛）