高育森 任金波 李梅娟 林 建 吳傳宇

(1. 福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002；2. 湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 莆田 351119)

烘焙在整個(gè)茶葉加工工藝中占有至關(guān)重要的位置。通過烘焙可以降低茶葉含水量，有利于其貯藏；在烘焙過程中茶葉會(huì)發(fā)生一些化學(xué)變化，如其中的兒茶素、氨基酸等物質(zhì)會(huì)相互作用提高茶葉的香氣[1]。目前，茶葉烘焙方式有木炭烘焙、電烘焙、電焙籠烘焙、微波、遠(yuǎn)紅外烘焙等[2]。成子龍等[3]認(rèn)為電烘焙的溫度、時(shí)間可以控制，烘焙出的茶葉品質(zhì)穩(wěn)定。炭烘焙品質(zhì)好，但烘焙程度難以控制，品質(zhì)不穩(wěn)定；邵靜娜等[4]研究表明微波長時(shí)間烘焙會(huì)使茶葉發(fā)澀，香氣欠佳，遠(yuǎn)紅外技術(shù)的烘焙品質(zhì)較接近于傳統(tǒng)烘焙。吳全金等[5]認(rèn)為，遠(yuǎn)紅外烘焙能夠改善茶葉品質(zhì)，但是遠(yuǎn)紅外烘焙設(shè)備造價(jià)較高，維護(hù)成本高且復(fù)雜。整體上，微波、電烘焙及紅外線烘焙能夠準(zhǔn)確地控制溫度、時(shí)間等烘焙參數(shù)，但機(jī)器耗能大、烘焙效果遠(yuǎn)不及木炭烘焙。木炭吸附性強(qiáng)，能吸附硫化物等，且燃燒釋放的二氧化碳能與茶葉的內(nèi)含物質(zhì)進(jìn)行物理或化學(xué)作用，提高茶葉口感及香氣[6]。木炭的火源能夠很大程度降低電能損耗，從目前的茶葉烘焙市場(chǎng)調(diào)研來看，木炭烘焙更受消費(fèi)者喜愛[7]。但是木炭燃燒烘焙溫度不易控制，不能很好地實(shí)現(xiàn)智能烘焙。文章擬設(shè)計(jì)一種新型模糊PID控制炭焙的茶葉烘焙機(jī)，旨在解決木炭烘焙溫度不易控制的問題，為木炭的智能烘焙研究提供依據(jù)。

1 智能炭焙烘焙機(jī)整體結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

茶葉炭焙烘焙機(jī)主要由箱體、木炭燃燒室、排氣口、托盤、電動(dòng)推桿、溫度傳感器、流量控制裝置、控制系統(tǒng)等組成(圖1)[8]。熱源為木炭燃燒的熱輻射，溫度傳感器分布在烘焙機(jī)箱體的左右及頂部；通過電動(dòng)推桿的伸縮用來控制空氣流量裝置的關(guān)與開；茶葉托盤為鍍鋅板制成的四方形盤，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

1.2 自適應(yīng)模糊PID控制原理

恒溫烘焙有利于茶葉色澤及香氣的保持。木炭烘焙控制存在大慣性、大滯后、非線性、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)，目前對(duì)于溫度的控制，大部分采用PID控制[9]。木炭烘焙容易受控制流通量、木炭量等因素影響，而傳統(tǒng)PID控制中的Kp、Ki、Kd為常數(shù)，很難實(shí)現(xiàn)恒溫的控制要求。而模糊控制具有魯棒性強(qiáng)、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠更好地進(jìn)行溫度控制[10]。文章采用了傳統(tǒng)PID與模糊控制相結(jié)合的自適應(yīng)溫度控制系統(tǒng)，它能夠?qū)崟r(shí)修正PID控制的3個(gè)輸出參數(shù)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1. 燃燒室 2. 熱氣出口 3. 托盤 4. 控制盒 5. 排氣口 6. 電動(dòng)推桿 7. 空氣調(diào)節(jié)器圖1 木炭烘焙機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Overall structure diagram of charcoal roasting machine

表1 木炭烘焙機(jī)主要參數(shù)

Tin(t)為設(shè)定烘焙溫度，e(t)為烘焙溫度誤差，es(t)為烘焙溫度誤差變化率，Ct為烘焙溫度控制輸出值，φ為烘焙溫度調(diào)整系數(shù)，Kt為烘焙溫度精度控制系數(shù)，Qt為空氣流通量，Tout(t)為輸出的烘焙實(shí)際溫度，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)圖2 自適應(yīng)模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure diagram of adaptive fuzzy PID control

該模糊PID控制器為兩輸入三輸出，兩輸入為e(t)、es(t)，三輸出為Kd、Ki、Kp，PID控制器工作時(shí)可以實(shí)時(shí)獲取e(t)和es(t)進(jìn)行模糊化推理分析，輸出相應(yīng)的Kd、Ki、Kp值，在自適應(yīng)模糊PID控制輸出后，引入溫度調(diào)整系數(shù)以更好地控制空氣流通量，其表達(dá)式為：

Qt=Kt×(1-φ)×Ct，φ=0～1。

(1)

φ可由經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)確定，分別取0.0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，當(dāng)φ=0時(shí)，Qt值最大，此時(shí)空氣調(diào)節(jié)器裝置處于打開極限；當(dāng)φ=1時(shí)，Qt=0，空氣調(diào)節(jié)器裝置處于關(guān)閉狀態(tài)。φ由1慢慢變小，空氣調(diào)節(jié)裝置慢慢打開，烘焙機(jī)的溫度振幅產(chǎn)生不同的變化，樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)φ=0.6時(shí)，烘焙機(jī)的溫度振幅較為隨和，振幅波動(dòng)較小。

1.2.1 模糊化設(shè)計(jì) 茶葉的最佳烘焙溫度為80 ℃，故將烘焙溫度控制為74～86 ℃，溫度偏差e(t)∈[-6,6] ℃，es(t)∈[-3,3] ℃，e(t)的模糊論域定義為Ne(t)={-6,-4,-2,0,2,4,6}，es(t)的模糊論域定義為Nes(t)={-3,-2,-1,0,1,2,3}。Kp={-6,-4,-2,0,2,4,6}，Ki={-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}，Kd={-6,-4,-2,0,2,4,6}，用PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、ZO(零)、NS(負(fù)小)、NM(負(fù)中)、NB(負(fù)大)7個(gè)等級(jí)表示es(t)、e(t)、Kd、Ki、Kp的模糊變量，即模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。當(dāng)烘焙溫度誤差為PB(正大)時(shí)，烘焙誤差變化率為PB(正大)，此時(shí)應(yīng)關(guān)閉空氣調(diào)節(jié)裝置阻斷空氣流量，即降低溫度。模糊子集的隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)(圖3)。

1.2.2 控制規(guī)則 PID的3個(gè)輸出參數(shù)Kp、Ki、Kd與不同時(shí)刻的es(t)、e(t)相關(guān)聯(lián)，比例系數(shù)Kp可提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，Kp過大容易產(chǎn)生超調(diào)；積分系數(shù)Ki可控制系統(tǒng)穩(wěn)定程度，減少系統(tǒng)誤差，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的精度；微分系數(shù)Kd會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，可對(duì)偏差的變化產(chǎn)生影響。根據(jù)控制經(jīng)驗(yàn)并參照相關(guān)文獻(xiàn)[11-12]，制定關(guān)于Kd、Ki、Kp的整定原則：

(1) 當(dāng)|e(t)|大時(shí)，表明目標(biāo)值與設(shè)定值偏差大，此時(shí)Kp應(yīng)取大才能提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使目標(biāo)值盡快地與設(shè)定值靠攏；Kd、Ki不能取大，應(yīng)選較小，以免系統(tǒng)超

圖3 es(t)、e(t)、Kd、Ki、Kp隸屬函數(shù)Figure 3 The membership function for es(t)、e(t)、Kd、Ki、Kp

調(diào)、不穩(wěn)定。

(2) 當(dāng)|e(t)|和|es(t)|適中時(shí)，Kp應(yīng)取適中，以免較大使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，為了避免微分環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的偏差增加抑制作用及不穩(wěn)定性，Ki取較小，Kd取適中。

(3) 當(dāng)|e(t)|值小時(shí)，在確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)應(yīng)減小系統(tǒng)在設(shè)定值周圍產(chǎn)生較大的波動(dòng)，此時(shí)，Kp、Ki應(yīng)取較大，Kd應(yīng)根據(jù)|es(t)|的取值大小選擇適中的值。

(4) 當(dāng)|es(t)|值較大時(shí)，此時(shí)Kp取小，Ki取大。

結(jié)合Kd、Ki、Kp的整定原則，設(shè)計(jì)49個(gè)模糊規(guī)則[13]：

Ife(t)=NB andes(t)=NB ThenKp=PB,Ki=NB,Kd=PS

Ife(t)=NB andes(t)=MN ThenKp=PB,Ki=NB,Kd=NB

…

Kp、Ki、Kd模糊規(guī)則見表2。

表2 Kp、Ki、Kd模糊規(guī)則表

對(duì)于PID控制的3個(gè)參數(shù)的計(jì)算，首先需優(yōu)化3個(gè)參數(shù)的初始值，再根據(jù)e(t)和es(t)確定Kp、Ki、Kd相應(yīng)的修正值，并與對(duì)應(yīng)的比例因子相乘[14-15]。

Kp=Kp0+ApΔKp，

(2)

Ki=Ki0+AiΔKi，

(3)

Kd=Kd0+AdΔKd，

(4)

式中：

Ap、Ai、Ad——Kp、Ki、Kd對(duì)應(yīng)的比例因子；

Kp0、Ki0、Kd0——Kp、Ki、Kd對(duì)應(yīng)的初始值；

ΔKp、ΔKi、ΔKd——Kp、Ki、Kd對(duì)應(yīng)的模糊推理變化值。

1.3 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)炭自動(dòng)控制烘焙機(jī)茶葉烘焙溫度的控制，設(shè)計(jì)了一種以Stc12c5a60s2單片機(jī)為主要控制核心，外接溫度檢測(cè)模塊、空氣流量調(diào)節(jié)模塊和人機(jī)交互模塊的控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。烘焙機(jī)內(nèi)的溫度傳感器檢測(cè)陣列輸出的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換被單片機(jī)控制核心采集，單片機(jī)系統(tǒng)通過對(duì)檢測(cè)溫度與設(shè)定溫度差值的運(yùn)算分析得到空氣流量的調(diào)節(jié)參數(shù)，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成執(zhí)行電機(jī)的通電時(shí)長調(diào)整空氣調(diào)節(jié)裝置的流量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制烘焙溫度的目的。整個(gè)烘焙工作包含自動(dòng)控制模式和手動(dòng)控制模式，顯示器主要顯示烘焙時(shí)間、溫度及工作電壓。烘焙時(shí)，茶農(nóng)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇手動(dòng)模式，結(jié)合顯示器上的顯示參數(shù)進(jìn)行茶葉的烘焙。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，其主程序如圖5所示。

1.4 工作原理

茶葉木炭烘焙機(jī)選擇生物炭為火源，生物炭于抽屜式的燃燒室1內(nèi)燃燒，再通過熱輻射方式向兩側(cè)的出熱氣口2發(fā)出，對(duì)置于托盤3中的茶葉進(jìn)行烘焙，整個(gè)箱體上端裝有可調(diào)節(jié)大小的排氣口5，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的溫度大于烘焙設(shè)定溫度時(shí)，電動(dòng)推桿6開始工作，伸長推桿關(guān)閉空氣進(jìn)出調(diào)節(jié)器7，使燃燒室內(nèi)的生物炭因缺少氧氣降低烘焙溫度，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的溫度小于烘焙設(shè)定溫度時(shí)，電動(dòng)推桿6收縮，打開進(jìn)出調(diào)節(jié)器7，增加空氣流通，從而提高溫度。整個(gè)烘焙過程中翻茶環(huán)節(jié)由人工來實(shí)現(xiàn)。

圖4 溫度控制系統(tǒng)原理圖Figure 4 Schematic diagram of temperature control system

圖5 主程序流程圖Figure 5 Main program flow chart

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方案

為了更好地判定試驗(yàn)設(shè)計(jì)的茶葉烘焙機(jī)性能及茶葉品質(zhì)，采用以下幾種方法進(jìn)行驗(yàn)證。① 木炭烘焙機(jī)連續(xù)烘焙茶葉以判斷烘焙機(jī)性能的穩(wěn)定；② 與電烘焙茶葉進(jìn)行品質(zhì)對(duì)比，采用香氣成分測(cè)定+生化成分測(cè)定+感官評(píng)審三者相結(jié)合綜合評(píng)價(jià)木炭烘焙機(jī)烘焙的茶葉品質(zhì)。目前，茶葉香氣成分的提取方法較多，如蒸餾萃取法(SDE)、頂空固相微萃取法(HS-SPME)、溶劑輔助風(fēng)味蒸發(fā)法(SAFE)等，試驗(yàn)采用靈敏度高、操作簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用的頂空固相微萃取法結(jié)合GC-MS分析(HS-SPME/GC-MS)方法[16-17]，通過香氣物質(zhì)的萃取、生化成分分析及感官審評(píng)對(duì)所設(shè)計(jì)的木炭烘焙機(jī)進(jìn)行可行性探討。

將選取的祥華清香型鐵觀音半成品12 kg平均分成兩份，分別在自行設(shè)計(jì)的木炭烘焙機(jī)和安溪興民機(jī)械生產(chǎn)的電烘干機(jī)上烘焙。將茶葉攤放于烘焙機(jī)托盤上，每個(gè)托盤1 kg左右，攤平厚度為4 cm左右；根據(jù)林起存[18]的方法，選擇共同的烘焙溫度80 ℃，烘焙3 h，烘焙完成后打開烘焙機(jī)箱門使茶葉冷卻。

2.2 性能指標(biāo)測(cè)定

2.2.1 溫度 為了更好地反映溫度上升速度，于烘焙5 min 時(shí)首次測(cè)量，后每10 min測(cè)量一次。

2.2.2 香氣成分 將烘焙后的鐵觀音磨成粉末，分別準(zhǔn)確稱取6 g于250 mL錐形瓶中，并加入1.5% NaCl溶液，隨后加入100 mL純凈沸水和10 μL癸酸乙酯，60 ℃水浴6 min，插入SPME吸附針吸附70 min，取10 μL濃縮液進(jìn)行檢測(cè)分析，根據(jù)各化合物峰面積百分比與定標(biāo)物峰面積之比計(jì)算各香氣成分含量，每種茶葉進(jìn)行3次重復(fù)取平均值。

2.2.3 生化成分

(1) 水分：按GB/T 8304—2013執(zhí)行。

(2) 水浸出物：按GB/T 8305—2002執(zhí)行。

(3) 游離氨基酸：按GB/T 8314—2002執(zhí)行。

(4) 茶多酚：按GB/T 8313—2002執(zhí)行。

(5) 可溶性糖：采用蒽酮比色法。

(6) 咖啡堿：按GB/T 8312—2002執(zhí)行。

2.2.4 感官評(píng)審 按SB/T 10157—1993及NY/T 787—2004執(zhí)行。由5位具有高級(jí)評(píng)茶師(男性)的評(píng)審員采用密碼審評(píng)法進(jìn)行打分及集體討論評(píng)語，采用品質(zhì)因子加權(quán)百分平均法和評(píng)語法相結(jié)合進(jìn)行評(píng)定[19]，各因子加權(quán)百分?jǐn)?shù)分配見表3，其評(píng)審綜合得分按式(5)計(jì)算。

表3 因子權(quán)數(shù)分配表

(5)

式中：

grade——綜合評(píng)審平均數(shù)；

i——專家編號(hào)；

j——因子序號(hào)；

Aj——評(píng)審因子得分；

aj——評(píng)審因子權(quán)數(shù)。

2.2.5 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)以多次試驗(yàn)求得的平均值表示，采用Excel 2007與SPSS 2.0相結(jié)合對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算及顯著性分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 烘焙機(jī)性能測(cè)試

由圖6可知，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的烘焙機(jī)在3 h的烘焙時(shí)間中性能穩(wěn)定可靠，且能夠很好地控制溫度。炭烘焙溫度誤差為±2 ℃，烘焙20 min后整個(gè)溫度基本能夠保持在(80±2) ℃；電烘焙溫度誤差為±1 ℃，烘焙5 min后能保持在(80±1) ℃；雖然木炭烘焙機(jī)的溫度控制誤差大于電烘焙機(jī)的，但能滿足日常烘焙要求，同時(shí)也符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖6 溫度測(cè)量曲線Figure 6 Temperature measurement curve

3.2 香氣成分

由表4可知，鐵觀音茶葉中共測(cè)出23種主要香氣化合物。兩種烘焙工藝下，鐵觀音的香氣成分組成相同，但含量有所差異，其中芳樟醇類含量最多，其次為酯類和烴類；鐵觀音中各化合物含量順序?yàn)榉?橙花叔醇>植物醇>法尼烯，且木炭烘焙茶葉中的含量顯著高于電烘焙的，說明木炭烘焙的香氣比電烘焙的濃，且茶葉品質(zhì)更好。

3.3 生化成分

由表4可知，與電烘焙相比，木炭烘焙茶葉中水分、水浸出物、茶多酚、咖啡堿含量差異顯著。其中木炭烘焙的茶葉水分、可溶性糖、咖啡堿含量略低于電烘焙，水浸出物、氨基酸、茶多酚含量略高于電烘焙。水分少易于貯藏；水浸出物較少說明茶葉湯色較??；氨基酸含量較多反映了茶湯鮮爽味較濃，香氣持久；茶多酚和可溶性糖含量較多可以使茶湯甜醇；咖啡堿含量較少，說明茶葉中苦味降低[20-21]。綜上，木炭烘焙與電烘焙在生化成分上有顯著差異，木炭烘焙的茶葉品質(zhì)略好，與占琪等[22]的結(jié)果相符；同時(shí)也說明試驗(yàn)設(shè)計(jì)的木炭烘焙機(jī)的烘焙效果好。

3.4 感官評(píng)審

由表6可知，木炭烘焙茶葉感官評(píng)審綜合得分為92.66，電烘焙的感官評(píng)審綜合得分為91.44，木炭烘焙得分略高于電烘焙；在外形和葉底上，兩者無顯著差異，但在滋味、湯色、香氣上，木炭烘焙得分高于電烘焙。綜上，木炭烘培機(jī)性能良好，其烘培茶葉品質(zhì)優(yōu)于電烘培，茶葉加工中可以采用木炭烘培機(jī)進(jìn)行烘培。

表4 木炭與電烘焙鐵觀音主要香氣成分的組成及平均含量?

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種采用自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)的智能茶葉炭焙烘焙機(jī)，該烘焙機(jī)可以滿足茶葉的烘焙要求，且烘焙的茶葉品質(zhì)優(yōu)于電烘焙的。自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)可以使智能茶葉炭焙烘焙機(jī)在烘焙過程中的溫度控制在(80±2) ℃，從而解決了木炭智能烘焙的關(guān)鍵問題，為茶葉烘焙提供了一種高效簡(jiǎn)易的方法，但設(shè)計(jì)中未進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，后續(xù)可進(jìn)一步對(duì)其整體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化仿真分析。炭烘焙可以提高茶葉品質(zhì)，但其燃燒產(chǎn)生的二氧化碳等對(duì)環(huán)境不力，后續(xù)可以積極探索采用生物炭或其他對(duì)環(huán)境影響小的新能源。

表5 烘焙對(duì)茶葉主要生化成分含量的影響?

表6 感官評(píng)審結(jié)果