基于PID的智能化红茶发酵系统设计

王帅 杨天园 周继荣 郭帅庆 聂占一 舒庆宁 吴丽莉

摘要：针对目前温度和湿度对红茶发酵的影响和季节对红茶发酵的限制，设计了基于PID的智能化红茶发酵系统。该系统采用自动控制技术，使其能根据PID预设参数自动调控温度、湿度和空气交换流量，并实时显示在LCD彩屏上，实现对温度和湿度的精确调节，达到红茶发酵不受环境条件制约的目的。

关键词：红茶；发酵系统；PID算法

中图分类号：TS272.3 文献标识码：A 文章编号：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

近年来中国红茶发展非常迅速，年产量持续增加[1，2]。发酵过程是红茶加工工艺中最为重要的部分，也是对红茶品质影响最大的环节。中国的高档红茶发酵一般在春季和秋季进行，由于环境温度低，湿度达不到要求，难以完成发酵过程，因此需要通过发酵装置创造适当的温度、湿度和通气条件。如果采用水蒸气加湿，发酵箱内充满雾气，且蒸汽在茶叶表面凝结，氧气交换不充分，导致发酵不充分；如果采用常温下超声加湿，通过热风加温，发酵箱内环境不稳定，发酵效果也会受到影响。而且温室环境系统由于自身的复杂性，各种环境因素之间相互影响，采用传统的控制方法很难达到最佳的效果[3]。

针对以上问题，设计了一种由PID自动控制的单通道加温加湿通氣发酵系统，该系统具有良好的稳定性和可操作性，通过PID自动控制技术，可实现对红茶发酵环境的自动调节。

1 智能化红茶发酵系统总体结构

该茶叶发酵温湿度自动调节装置包括超声波雾化器、水深传感器、风机、气体流量计、气体缓冲箱、恒温预热箱、水温控制模块、温湿度传感器、温控模块、气体流量计、电机、发酵箱（图1）。其中超声波雾化器与风机输入端通过短硬管连接，风机输出端通过短软管与气体缓冲箱输入端连接，气体缓冲箱输出端通过凹形长硬管与发酵箱输入端连接，长硬管的凹形部分浸在恒温预热箱中，发酵箱输出端与气体流量计连接，气体缓冲箱的数目与发酵箱的气体传输管数相同。当外界环境温度改变时，系统能够自动检测并对发酵箱加热；当检测到发酵箱中湿度超过设定的湿度裕度时，系统会自动鼓入水蒸气。水蒸气在恒温预热箱预热，恒温预热箱与加热器共同调节系统温度和湿度相对恒定。

2 智能化红茶发酵系统调控部分设计

2.1 温度调节部分

工夫红茶品质取决于鲜叶质量和加工技术，发酵是工夫红茶初制的关键工序，合理调控发酵温度和发酵程度对提高红茶品质至关重要[4]。温度是红茶发酵过程中的重要因素，温度偏高易导致红茶发酵过度，茶叶色泽暗淡，茶汤气色差，严重影响红茶品质；温度偏低则会导致红茶发酵不均匀，发酵时间长，茶汤色泽不艳，底色欠浓，所以在红茶发酵过程中对发酵温度有严格要求。目前中国的红茶一般在春、秋季发酵，春、秋季的温度适宜，对红茶发酵过程的影响较小。基于此，系统在发酵箱中用PID算法模拟春秋季节的温度，以达到对红茶发酵温度的调控。

一般应用的PID控制规律表达式为：

u（t）=Kp[e（t）+■■e（t）d（t）+TD■] （1）

通过温度传感器测量箱内的实时温度R（t），与目标温度Y（t）做差，得到偏差值e（t）。将偏差值乘以比例项系数Kp得到比例项，将偏差值做积分并乘以积分项系数Ki得到积分项，将偏差值做微分并乘以微分项系数Kd得到微分项。当实时温度与目标温度有差值时，比例项就会起作用，调节加热模块使温度趋于目标值。比例项影响温度调节的速度，过大的比例系数会使系统超调振荡，过小会导致调节过慢[5]。积分项用来消除系统的稳态误差，提高无差度。微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前已被微分调节作用消除。

温度调节过程中增量PID表达式为：

u（t）=Kpe（t）+Ki■e（t）d（t）+KD■ （2）

式中，Ki为积分系数；KD为微分系数；偏差值e（t）=R（t）-Y（t）；R（t）为发酵箱的实时温度；Y（t）为设定的目标温度[6]。

通过PID控制加热模块，当系统温度低于温度下限时，控制温控模块的加热程度，对系统加热；当系统温度高于温度上限时，PID控制温控模块处于不工作状态。通过PID调控，发酵箱内温度能够迅速精确地控制在预设温度裕值内。PID调节温度流程如图2所示。

2.2 湿度调节部分

红茶发酵过程中，湿度的相对稳定尤为重要。采用传统沸水加温加湿方法，高温水蒸气会在低温茶团上凝结，水膜阻抑茶与空气交换[7]；采用传统常温加湿方法，所产生的是雾状水滴而不是分子状态的水，难以参与发酵过程；采用茶堆发酵方式，在厚度较大时，如翻动不充分，会导致发酵过程中水分不均匀，最终导致发酵程度不一致。为解决以上问题，系统采用超声波雾化器通过加热、节流和电极使水变成水蒸气，对被调节空气进行加湿，湿蒸气呈分子状态，系统的湿度支持人工设定，并且系统采用负压抽气方式和送气两种方式共同协作，确保温湿度分布均匀，且换气均匀充分。

湿度调节过程如图3所示，当湿度传感器检测到系统湿度超出湿度裕度后，系统按照PID参数调节风机1和风机2的转速。当系统内湿度低于预设湿度下限时，控制器在调节风机1加速向系统鼓入水蒸气。同时，加速风机2鼓出系统内干燥的气体，风机1的转速高于风机2，使系统内的湿度保持在裕值范围内；当系统内的湿度超过预设湿度上限时，控制器在调节风机1减速向系统鼓入水蒸气的同时，减速风机2鼓出系统内的水蒸气，风机2的转速高于风机1，保证风机2鼓出水蒸气的流量大于风机1鼓入水蒸气的流量，使系统内的湿度处于动态稳定状态。

3 系统流程

系统中使用 PID 算法实现对系统变量的稳定调控。PID调节的反馈强度与反馈控制量应该呈线性关系，因此，气压升降压速率与伺服电机转速的关系是稳压控制的前提[8]。通过控制两个风机的转速实现对系统内部温度和湿度的动态调控。

如图4所示，通过温度传感器、湿度传感器和气压传感器采集系统内温度并记录，设计各部分PID算法，实时将采集到的温湿度信息发送至控制终端，在控制器的调控下，系统内温度和湿度在PID闭环控制的作用下处于稳定，趋近于设定值，收敛于设定裕度，从而实现设备的智能化控制。系统内的温度、湿度和气压值由传感器采集，并实时显示在LCD屏幕上，可更加直观地看出系统调节参数的过程。

4 小结

基于PID的智能化红茶发酵系统，采用自动控制技术PID算法实时调控红茶发酵过程中温度、湿度和气壓，可人工设定系统参数，具有良好的可操作性和实用性。通过控制风机的工作模式实现对系统气压和湿度的调整，控制温控模块的工作模式实现对系统温度的实时调控，而在风机的工作模式和温控模块的工作模式有相互影响的前提下，系统能够实现对红茶发酵箱内部环境的实时调控，表明系统具有很好的稳定性和可移植性。本研究采用自动控制技术，使其能根据PID预设参数自动调控温度、湿度和空气交换流量，实现对温度、湿度和气压的精确控制，严格模拟春秋季节的相关环境特点，达到红茶发酵不受环境条件制约的目的，对于中国红茶发酵具有重要意义，具有广阔的市场前景。

参考文献：

[1] 李闽榕，杨江帆.茶叶蓝皮书：中国茶产业发展报告（2011）[M].北京：社会科学文献出版社，2011.

[2] 中国茶叶流通协会.2012年全国红茶产销形势分析报告[J].茶世界，2012（5）：4-6.

[3] 屈 毅，宁 铎，赖展翅，等.基于模糊PID控制的温室控制系统[J].计算机应用，2009，29（7）：1996-1999.

[4] 王贵芳，陈荣冰.加工工艺对红茶主要生化品质的影响研究进展[J].福建茶叶，2008，30（1）：6-8.

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

[6] 汪小旵.南方现代化温室小气候模拟及其能耗预测研究[D].南京：南京农业大学，2002.

[7] 李 辉.红茶发酵技术研究进展[J].蚕桑茶叶通讯，2001（2）：21-23.

[8] 胡永建.一种基于PID算法的气压控制技术[J].测控技术，2011， 30（8）：60-63.