關(guān)鍵詞：微波擾動；蒸汽茶葉殺青機(jī)；溫濕度控制；模糊PID；調(diào)控技術(shù)中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)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(jī)作為現(xiàn)代茶葉加工中的重要設(shè)備，其溫濕度控制是確保茶葉品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1，2]蒸汽茶葉殺青機(jī)的溫濕度控制指的是在殺青過程中，通過精確的技術(shù)手段調(diào)整和維持設(shè)備內(nèi)部適宜的溫度和濕度，以實(shí)現(xiàn)茶葉中酶的活性和水分的有效調(diào)控，從而保證茶葉的色澤、香氣和口感達(dá)到最佳狀態(tài)[3-5]。對于蒸汽茶葉殺青機(jī)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(yǎng)成分和活性物質(zhì)，還能避免因溫濕度不當(dāng)導(dǎo)致的茶葉品質(zhì)下降，從而確保茶葉加工的穩(wěn)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(xué)者進(jìn)行了研究，楊波等通過對茶葉處理設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行分析，以熱功率和蒸汽流量為基礎(chǔ)，通過區(qū)間二型模糊理論實(shí)現(xiàn)設(shè)備的溫濕度控制。在實(shí)際應(yīng)用中，熱功率和蒸汽流量的精確測量和調(diào)節(jié)較為困難。區(qū)間二型模糊控制需要這些參數(shù)的精確輸入，否則會影響控制精度。Gao等8提出基于目標(biāo)降階熱容-熱阻模型的管式模型預(yù)測控制（MPC）方案，可有效抑制實(shí)際系統(tǒng)中的不確定性影響。MPC算法存在較高的計算復(fù)雜度，尤其對于多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)及不確定性的場景，其在線優(yōu)化過程可能因計算資源需求過大而影響實(shí)時控制性能。林飛應(yīng)等9基于茶葉加工經(jīng)驗(yàn)，通過人工調(diào)控設(shè)定了生產(chǎn)溫濕度參數(shù)并優(yōu)化了工藝流程。這種依賴操作人員經(jīng)驗(yàn)和主觀判斷的控制方式，易受個體差異影響，致使生產(chǎn)工藝的一致性和重復(fù)性難以得到有效保障。朱德蘭等通過設(shè)置濕度監(jiān)控設(shè)備準(zhǔn)確獲取濕度數(shù)據(jù)，并設(shè)定增濕、除濕2種運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)建濕度變化的數(shù)學(xué)模型，通過設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際情況分析不同情況下的濕度調(diào)節(jié)能力。濕度控制的效果很大程度上依賴于數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，如果模型與實(shí)際過程存在偏差，可能導(dǎo)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(jìn)控制方法，在茶葉殺青中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢[11，12]。其中，微波擾動濕度控制通過精準(zhǔn)調(diào)節(jié)微波能量實(shí)現(xiàn)水分快速均勻分布，有效提升殺青過程的響應(yīng)速度與調(diào)控靈活性。模糊PID溫度控制利用模糊邏輯與PID控制相結(jié)合，增強(qiáng)了自適應(yīng)能力，使得溫度控制更加精準(zhǔn)，能夠應(yīng)對茶葉殺青過程中溫度變化的非線性特性，減少超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差，提升穩(wěn)定性和茶葉品質(zhì)的一致性。本研究創(chuàng)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(yīng)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(zhì)。

1蒸汽茶葉殺青機(jī)溫濕度控制

1.1 微波擾動的蒸汽茶葉殺青機(jī)濕度控制

蒸汽茶葉殺青機(jī)內(nèi)部諧振腔中的電磁波通過反射形成振蕩，高頻振蕩產(chǎn)生的諧振效應(yīng)可調(diào)控設(shè)備濕度。由于殺青空間固定，當(dāng)濕度變化時，介電常數(shù)的改變會促使腔內(nèi)濕度分布更均勻，同時引發(fā)諧振頻率偏移。通過監(jiān)測諧振頻率的變化實(shí)時計算蒸汽茶葉殺青機(jī)內(nèi)部的濕度數(shù)據(jù)[13]

1.2 蒸汽茶葉殺青機(jī)溫度模糊控制

在微波擾動控制濕度過程中，當(dāng)設(shè)備初始濕度過高時，系統(tǒng)將自動啟動蒸汽茶葉殺青機(jī)中的風(fēng)機(jī)以降低濕度。通過結(jié)合微波擾動與模糊PID的雙重控制策略，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)蒸汽茶葉殺青機(jī)的溫濕度參數(shù)，確保茶葉殺青工藝處于最優(yōu)狀態(tài)，提升成品茶葉的質(zhì)量。

為防止熱慣性問題導(dǎo)致蒸汽茶葉殺青機(jī)中的溫度過高，需要設(shè)定溫度上限，在溫度達(dá)到上限后加熱設(shè)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

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(shù)歸一化至預(yù)設(shè)論域的過程。針對茶葉殺青工藝要求（ 80～100^°C ，系統(tǒng)將溫度偏差的論域設(shè)定為[0，20]（單位： C ），溫度偏差變化率的論域設(shè)定為[0，3]（單位： °C/s ），并采用三角形隸屬函數(shù)進(jìn)行量化?；趯＜医?jīng)驗(yàn)，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(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。琙O（零），PS（正?。琍M（正中），PB（正大）表示，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的模糊邏輯控制[15]

2）模糊推理。使用語言變量構(gòu)建模糊規(guī)則表，結(jié)果如表1所示。根據(jù)模糊規(guī)則表即可得到模糊PID控制器參數(shù)輸出結(jié)果。

3）解模糊。由于模糊控制輸出結(jié)果不能直接被PID控制器應(yīng)用，將模糊結(jié)果通過計算得到準(zhǔn)確的PID控制器參數(shù)。

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(guī)則對應(yīng)的PID系數(shù)預(yù)設(shè)值； L_i"為第 i 條模糊元素規(guī)則的隸屬度函數(shù)； K₀"為模糊輸入值。

表1模糊規(guī)則

為保證精確控制蒸汽茶葉殺青機(jī)的溫度， K_p 、K_i?K_d 需要進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，因此使用模糊控制器對三者進(jìn)行修正。

式中， 分別為模糊PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)； 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(jié)果； k 為溫度采樣次數(shù)； e 為偏差值； a（k） 為 k 次采樣的實(shí)時溫度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

選擇某型號蒸汽茶葉殺青機(jī)為試驗(yàn)對象，該蒸汽茶葉殺青機(jī)屬于傳統(tǒng)蒸青灶，如圖2所示。

圖2蒸汽茶葉殺青機(jī)結(jié)構(gòu)

以該蒸汽茶葉殺青機(jī)為基礎(chǔ)，在殺青機(jī)內(nèi)部設(shè)置溫度、濕度、電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度等多種傳感器用于監(jiān)控殺青機(jī)的運(yùn)行信息，殺青機(jī)運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2蒸汽茶葉殺青機(jī)運(yùn)行參數(shù)

由圖3可知，在采用微波擾動控制前，蒸汽茶葉殺青機(jī)的濕度控制系統(tǒng)存在缺陷，系統(tǒng)不僅難以快速響應(yīng)并達(dá)到最佳工藝濕度，即使在超調(diào)現(xiàn)象緩解后的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，該方法仍無法有效維持濕度穩(wěn)定，導(dǎo)致濕度持續(xù)出現(xiàn)大幅波動。這種不穩(wěn)定的濕度環(huán)境會直接影響茶葉殺青過程中的水分均勻性，進(jìn)而造成茶葉色澤不均、香氣物質(zhì)流失等質(zhì)量問題，最終降低茶葉的整體品質(zhì)等級。在采用微波擾動控制后，蒸汽茶葉殺青機(jī)的濕度控制系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的效果，系統(tǒng)能夠快速精準(zhǔn)地將濕度調(diào)節(jié)至最佳工藝范圍，且避免了超調(diào)現(xiàn)象；在后續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行階段，濕度波動被嚴(yán)格控制在極微小范圍內(nèi)，該波動幅度對工藝影響可忽略不計。結(jié)果表明，基于微波擾動的控制方法能夠有效維持殺青機(jī)內(nèi)部濕度的穩(wěn)定性，確保茶葉在最佳濕度環(huán)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(zhì)等方面均達(dá)到優(yōu)異水平。

由圖4可知，在采用模糊PID控制前，蒸汽茶葉殺青機(jī)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在 30s 時首次達(dá)到最佳溫度。由于受系統(tǒng)熱慣性的影響，溫度會出現(xiàn)顯著超調(diào)，峰值可達(dá) 99^°C 。隨后溫度雖回落，但受控于加熱裝置的斷續(xù)工作模式，溫度在較大范圍內(nèi)波動。這種溫度波動不僅影響殺青效率，更會導(dǎo)致茶葉中酶活性控制不均，直接影響成品茶葉的色澤和風(fēng)味物質(zhì)的保留。在采用模糊PID控制后，蒸汽茶葉殺青機(jī)的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)在30s時首次達(dá)到最佳溫度。通過預(yù)先補(bǔ)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(guān)閉加熱裝置，溫度超調(diào)量較小。在后續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行階段，溫度被嚴(yán)格限制在較小范圍內(nèi)波動，該波動幅度對工藝影響可忽略不計。結(jié)果表明，基于模糊PID的控制方法具有較強(qiáng)的溫度控制能力，能夠確保茶葉在精確控制的溫度環(huán)境下完成殺青過程，從而顯著提升成品茶葉的品質(zhì)一致性。

針對茶葉的鮮葉品質(zhì)設(shè)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(jī)需要完成 5min 的預(yù)熱過程，待設(shè)備內(nèi)部溫度、濕度穩(wěn)定達(dá)到預(yù)設(shè)值后，將茶葉鮮葉放入并進(jìn)行殺青處理。為確保工藝參數(shù)的精確控制，整個殺青過程中以30s為間隔持續(xù)監(jiān)測并記錄設(shè)備內(nèi)部的溫度和濕度變化，采集到的溫濕度數(shù)據(jù)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(nèi)。結(jié)果表明，結(jié)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(jī)內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定性，使茶葉處于最佳殺青狀態(tài)。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(fù)性，而且提升了成品茶葉的品質(zhì)，為茶葉優(yōu)良風(fēng)味特征和營養(yǎng)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(jī)的濕度變化

圖4模糊 PID 控制前后蒸汽茶葉殺青機(jī)的溫度變化

表3蒸汽茶葉殺青機(jī)溫濕度控制

3 小結(jié)

本研究提出了一種創(chuàng)新的蒸汽茶葉殺青機(jī)溫濕度控制方法，該方法巧妙結(jié)合了微波擾動技術(shù)與模糊PID控制策略。通過將2種控制技術(shù)分別應(yīng)用于濕度與溫度的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的精準(zhǔn)控制。微波擾動技術(shù)負(fù)責(zé)濕度的調(diào)節(jié)，而模糊PID控制則專注于溫度的調(diào)節(jié)，這種分工明確的雙重控制架構(gòu)有效避免了參數(shù)間的相互干擾。結(jié)果表明，該方法顯著提升了蒸汽茶葉殺青機(jī)的溫濕度控制效果，為茶葉殺青工藝提供了更穩(wěn)定、更可靠的環(huán)境條件，從而確保最終產(chǎn)品品質(zhì)的一致性。

參考文獻(xiàn)：

[1」劉世雄，曹成茂，葛俊，等.熱能循環(huán)式熱風(fēng)滾筒殺青機(jī)的設(shè)計與仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究，2023，45（10）：107-114.

[2]高一聰，許晨，林瓊，等.茶葉生產(chǎn)裝備自動化與智能化技術(shù)研究進(jìn)展與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2024，55（7）：1-14.

[3]董春旺，劉中原，楊明，等.基于多源信息融合的綠茶殺青葉水分含量智能感知方法[J].食品科學(xué)，2022，43（20）：242-251.

[4]彭葉，郜秋艷，李美鳳，等.不同殺青方式對黃金芽綠茶 γ? -氨基丁酸含量及品質(zhì)成分的影響[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，2023，54（10）：3020-3028.

[5」楊慧，李玉壬，吳神群，等.不同殺青方式對柑橘花茶品質(zhì)的影響[J].食品科學(xué)，2023，44（3）：105-111.

[6]操曉亮，薛婉茹，莊志雄，等.外源酶提高鐵觀音殺青物香氣的工藝優(yōu)化及其成分分析[J].中國食品添加劑，2024，35（3）：88-95.

[7」楊波，宋彥，衛(wèi)聿銘，等.黃茶自動化悶黃裝備設(shè)計與溫濕度控制方法研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2024，55（4）：376-384.

[8]GAO Y，MIYATA S，AKASHI Y.Energy saving and indoor temper-aturecontrol foran office buildingusingtube-based robust modelpredictive control[J].Applied energy，2023（7）：1-12.

[9]林飛應(yīng)，林星辰.人工控制溫濕度白茶加工工藝和設(shè)備研究[J].福建茶葉，2022，44（11）：36-38.

[10]朱德蘭，涂泓濱，王瑞心，等.基于分段多區(qū)間的溫室夏季溫濕度智能控制策略[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2022，53（9）：334-341.

[11]向忠，趙唯，何仕偉，等.雙組分織物含水率的微波諧振腔法測量技術(shù)[J].紡織學(xué)報，2024，45（4）：221-228.

[12]李光保，高棟，路勇，等.基于卡爾曼濾波的模糊PID熱處理溫度控制設(shè)計[J].金屬熱處理，2023，48（8）：235-241.

[13]劉明緒，張升偉，何杰穎.微波濕度計條帶噪聲的分析與抑制方法研究[J].遙感學(xué)報，2023，27（10）：2318-2326.

[14」羅一，石艷.基于模糊PID控制的窖池溫度監(jiān)控設(shè)計[J」.食品與機(jī)械，2023，39（3）：85-90.

[15]郭寧，李曉青.基于自適應(yīng)模糊PID的電氣設(shè)備溫度調(diào)試仿真[J].計算機(jī)仿真，2024，41（2）：56-60，119.

（責(zé)任編輯雷霄飛）