林高飛

陳小利3

黃先洲4

(1. 寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福建 福安 355000；2. 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002；3. 寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)與工程系，福建 福安 355000；4. 寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)系，福建 福安 355000)

?

基于模糊專家控制的茶葉炒制溫度控制系統(tǒng)

林高飛2

陳小利3

黃先洲4

(1. 寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，福建 福安 355000；2. 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002；3. 寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息技術(shù)與工程系，福建 福安 355000；4. 寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)系，福建 福安 355000)

茶葉炒制溫度對茶葉品質(zhì)有很大的影響，針對現(xiàn)有炒茶機(jī)溫控系統(tǒng)存在溫度控制精度低、調(diào)節(jié)時間長等缺點，研發(fā)適用于高端名優(yōu)茶炒制的溫度智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)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(jìn)行線性化處理，并結(jié)合模糊控制理論和專家系統(tǒng)設(shè)計了一種模糊專家控制器。對所設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)測試結(jié)果表明，在0～300 ℃范圍內(nèi)系統(tǒng)具有較好的動靜態(tài)性能，靜態(tài)誤差小于±1 ℃，超調(diào)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(yōu)茶炒制對溫度控制的要求。

模糊控制；專家系統(tǒng)；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(guān)鍵的因素，溫度過高或過低將會導(dǎo)致茶葉出現(xiàn)焦邊、爆點或紅梗，所以溫度對茶葉品質(zhì)的優(yōu)劣影響重大[1]。茶葉炒制經(jīng)歷了由傳統(tǒng)純手工炒制到半機(jī)械化炒制，再到現(xiàn)在的全自動炒制，炒茶機(jī)在茶葉炒制中已得到越來越廣泛的應(yīng)用，它的出現(xiàn)提高了茶葉炒制的效率和質(zhì)量，減輕了勞動強度[2-3]?，F(xiàn)有的炒茶機(jī)大都采用定值開關(guān)型的溫度控制裝置，功能簡單、溫度波動范圍大，一般在設(shè)定溫度值的±5 ℃之內(nèi)，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(xué)者應(yīng)用自動控制與計算機(jī)技術(shù)等實現(xiàn)對炒茶機(jī)溫度的自動控制，其控溫效果比定值開關(guān)控溫提高了一大步。李云等[4]應(yīng)用PLC控制技術(shù)，通過對炒茶機(jī)鍋內(nèi)溫度、手柄壓力和動力裝置的控制，實現(xiàn)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(jìn)等[5]采用單片機(jī)研制了用于茶葉炒制的溫度控制系統(tǒng)，對炒制溫度、時間、功率級別等通過模塊化設(shè)計加以控制。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)對溫度、時間等具有較好的控制效果，提高了茶葉炒制的優(yōu)質(zhì)品率。但由于溫度系統(tǒng)慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，溫度控制仍存在調(diào)節(jié)時間長、超調(diào)量大和控制精度低等問題，因此，尋求一種能夠?qū)囟冗M(jìn)行自動控制的智能控制系統(tǒng)成為研究人員關(guān)注的焦點。

專家系統(tǒng)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(jīng)驗解決專家級難題的計算機(jī)程序，其處理問題的精度高，綜合能力強，但專家系統(tǒng)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(lǐng)域?qū)＜业闹R[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(chǔ)的一種人工智能控制方式，它無需知道控制對象的數(shù)學(xué)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(jī)結(jié)合起來取長補短，則能更好地表示領(lǐng)域?qū)＜业闹R，實現(xiàn)快速模糊推理[8-9]。本研究擬以單片機(jī)AT89S52為核心，采用模糊控制結(jié)合專家系統(tǒng)來實現(xiàn)炒茶機(jī)溫度的智能控制，為高端名優(yōu)茶的炒制加工設(shè)備的智能化提供技術(shù)支撐。

1 溫控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

1.1 硬件電路的組成

本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為核心組成溫度檢測與控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件部分的組成主要包含單片機(jī)主控模塊、溫度檢測模塊、開關(guān)量輸出控制模塊、人機(jī)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?qū)崟r采集炒茶機(jī)溫度并把它轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，再由電流電壓轉(zhuǎn)換器RCV420變換為0～5 V電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識別的數(shù)字信號。單片機(jī)把讀取到的數(shù)字信號進(jìn)行分析處理，通過LED數(shù)碼管實時顯示當(dāng)前溫度，并將采集到的溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，采用模糊專家控制器改變PWM(pulse width modulation，脈沖寬度調(diào)制)在控制周期內(nèi)占空比來調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率的大小，實現(xiàn)對溫度的自動控制[10-11]。

圖1 系統(tǒng)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(wěn)定性好、抗振動強和復(fù)現(xiàn)性高等特點，在中低溫區(qū)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(guān)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(shù)，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(guān)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(yán)重，最大非線性可達(dá)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(jù)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(nèi)阻Ri很大(比橋臂的電阻大很多)，若令R1=R2，R3=R0，設(shè)Rt=R0+RΔt，則有：

(3)

當(dāng)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(jù)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)解決這個非線性問題。

表1 不平衡電橋線性化處理產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)，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(fù)雜且對內(nèi)存空間有一定要求[14]。本系統(tǒng)利用電流變送器XTR106具有放大和對不平衡電橋非線性進(jìn)行二次項補償?shù)奶匦?，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(shè)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(biāo)準(zhǔn)電流，典型的非線性度最大可改進(jìn)到20∶1，整個電路的電壓—電流傳遞函數(shù)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(diào)節(jié)電阻，Ω。

外接量程調(diào)節(jié)電阻用于設(shè)置放大器的增益，其計算公式為：

(7)

式中：

VFS——最大標(biāo)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(dāng)LinPolarity與IRET(6引腳)連接時，基準(zhǔn)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(dāng)LinPolarity與VREG連接時，則二者變化關(guān)系正好相反，以補償負(fù)的非線性。RLIN的值根據(jù)式(8)選?。?/p>

(8)

式中：

KLIN——線性化因子，Ω。當(dāng)基準(zhǔn)電壓源為2.5V時，KLIN= 9 905Ω，當(dāng)基準(zhǔn)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(zhǔn)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(diào)節(jié)XTR106的失調(diào)電壓，其值的大小取決于橋路的阻抗與所需的調(diào)節(jié)范圍，根據(jù)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(diào)范圍，V。

根據(jù)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(dāng)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(dá)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?？梢姡琗TR106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(diào)節(jié)來實現(xiàn)的，控溫電路由三極管(8550PNP)、Z型交流固態(tài)繼電器(AC-SSR)和電熱管(4×1.2kW)等組成。系統(tǒng)利用AT89S52內(nèi)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(tài)繼電器通斷的方式達(dá)到調(diào)節(jié)電熱管平均加熱功率的大小。由于PWM信號是以單片機(jī)內(nèi)計數(shù)器為基礎(chǔ)產(chǎn)生的，因此其對脈沖串占空比的改變可做得非常準(zhǔn)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(guān)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(tǒng)采用矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤，通過一個端口就可構(gòu)成4×4=16個按鍵，應(yīng)用中斷方式獲得鍵碼；各種溫度、時間等數(shù)值的顯示由4位LED數(shù)碼管完成，采用動態(tài)顯示方式；系統(tǒng)溫度超過設(shè)定溫度時，P3口送出的信號經(jīng)三極管放大后驅(qū)動蜂鳴器報警[19]。

2 模糊專家控制系統(tǒng)設(shè)計

本研究的模糊專家控制系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，利用Java語言、JSP技術(shù)、SQLServer數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)語言Jess編制溫度控制系統(tǒng)。模糊專家系統(tǒng)主要由模糊知識庫、模糊推理機(jī)、知識獲取、解釋程序和人機(jī)交互等部分組成，其中知識庫和推理機(jī)的設(shè)計是專家系統(tǒng)設(shè)計的核心，其結(jié)構(gòu)組成見圖7。計算機(jī)接收通過采樣得到的溫度信號，與系統(tǒng)設(shè)定的期望溫度進(jìn)行比較，得到當(dāng)前系統(tǒng)的輸入變量溫度偏差e和偏差變化率ec，進(jìn)行模糊化處理后利用模糊知識庫，按照一定的推理機(jī)制進(jìn)行模糊推理，即可得到對系統(tǒng)PID控制器初值參數(shù)KP、Ki、Kd的修正值ΔKp、ΔKi、ΔKd，再對控制對象輸出相應(yīng)的控制指令來實現(xiàn)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(tǒng)框圖Figure 7 Block diagram of the fuzzy expert control systemon temperature

2.1 輸入輸出數(shù)據(jù)的模糊化

本系統(tǒng)采用的是二輸入三輸出的模糊專家控制器，以溫度設(shè)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(shù)的修正值ΔKp、ΔKi、ΔKd作為模糊專家控制器的輸出變量。各參數(shù)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(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化時，還應(yīng)確定模糊子集的隸屬度函數(shù)，各個模糊子集在相應(yīng)模糊論域上的隸屬度函數(shù)可以有多種表示形式，由于三角形隸屬度函數(shù)具有計算簡便、靈敏度高的優(yōu)點，因此對輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)常選擇三角形隸屬度函數(shù)[22]，如圖8所示，其表達(dá)式為：

(10)

圖8 隸屬函數(shù)曲線Figure 8 Membership function curve表2 輸入輸出變量關(guān)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(fù)大，NM表示負(fù)中，NS表示負(fù)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(shù)形狀。

2.2 模糊知識庫

模糊知識庫包括數(shù)據(jù)庫和模糊規(guī)則庫。數(shù)據(jù)庫中存儲簡單的事實、參數(shù)和推理的中間結(jié)果，模糊規(guī)則庫中存儲控制規(guī)則。目前專家控制系統(tǒng)中廣泛采用產(chǎn)生式規(guī)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(jié)論)的形式，描述模糊規(guī)則庫中的規(guī)則。通過查閱相關(guān)領(lǐng)域的文獻(xiàn)[24]資料，以及對領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗、知識的分析、歸納和總結(jié)，得到輸入變量和輸出變量ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制規(guī)則表，見表3。

2.3 模糊推理機(jī)

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

2.4 反模糊化

經(jīng)由模糊推理得到的結(jié)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(zhuǎn)換為精確值，以便更好地發(fā)揮出模糊推理結(jié)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(tǒng)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(quán)平均法(也稱重心法)和中位數(shù)法等，本系統(tǒng)采用加權(quán)平均法計算出最終的PID控制器參數(shù)精確值，用公式可表示為：

圖9 模糊推理機(jī)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(yīng)的隸屬度。

表3 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊規(guī)則表Table 3 ΔKp, ΔKi, ΔKd fuzzy rules table

3 試驗結(jié)果與分析

為了驗證溫控系統(tǒng)對溫度控制的準(zhǔn)確性，采取溫度采集試驗和溫度控制試驗來驗證系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求。首先測試系統(tǒng)前向通道測溫的準(zhǔn)確性，試驗采用精密水銀溫度計對恒定溫度場溫度值進(jìn)行標(biāo)定，每隔一定時間改變一次溫度，測得試驗數(shù)據(jù)見表4。由表4可知，在0～300 ℃溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)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(tǒng)的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能，試驗中通過設(shè)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(shù)據(jù)見圖10。試驗結(jié)果表明溫控系統(tǒng)的溫度能夠較好地跟隨設(shè)定值，靜態(tài)誤差小于±1 ℃，超調(diào)量小于2.36%，過渡過程時間小于27s，滿足炒茶機(jī)溫度控制系統(tǒng)的要求。

表4 溫度采集試驗數(shù)據(jù)Table 4 Temperature acquisition test data

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

4 結(jié)語

在炒茶機(jī)溫度控制系統(tǒng)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(yīng)用中很難獲得準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)控制方法無法滿足溫控系統(tǒng)的精度要求。本研究設(shè)計了基于模糊專家控制的溫度控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對炒茶機(jī)溫度的自動控制，溫控系統(tǒng)具有較高的控制精度，較快的響應(yīng)速度，及較小的超調(diào)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(zhǔn)確所產(chǎn)生的不良影響。本溫控系統(tǒng)具有一定的通用性，也可應(yīng)用于烘焙機(jī)、殺青機(jī)等茶葉加工設(shè)備。在以后研究中，可在本溫控系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(xiàn)對茶葉濕度的監(jiān)控，從而監(jiān)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(yè)教育實訓(xùn)基地項目(編號：35133014101)

潘玉成(1964-)，男，寧德職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。 E-mail: FAPYC@163.com

2016-09-28

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.11.018