基于逆模型解耦的绿茶烘焙变论域模糊控制

第30卷第7期农业工程学报 V ol.30 No.7258 2014年4月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr. 2014 基于逆模型解耦的绿茶烘焙变论域模糊控制李 琳，周国雄（中南林业科技大学计算机与信息工程学院，长沙 414006）摘要：绿茶烘焙过程，伴随着复杂的物质交换和热交换，温、湿度变化耦合严重。

针对这一问题该文提出了一种基于逆模型解耦的变论域模糊控制方法。

采用支持向量机（support vector machine，SVM）方法辨识绿茶烘焙过程，建立精度相对较高逆模型，根据试验结果，电热丝电流平均误差为4.3%，而风机转速为8.5%。

将该模型并与被控对象进行串联，建立伪线性系统，实现温、湿度解耦。

同时采用模糊控制器对温、湿度分别进行独立控制，同时对模糊控制器的论域进行改进，增强系统的环境适应能力。

性能试验结果表明，该控制系统能够将温度误差控制在小于1.4℃，相对湿度控制误差仅为2.8%；品质试验表明，绿茶橙花叔醇成分平均提升15.2%，α-法呢烯成分平均提升17.4%，芳樟醇成分平均提升14.2%。

该文方法能够有效提升绿茶烘焙过程的控制效果，提供了一种控制绿茶烘焙过程的新途径。

关键词：模糊控制；耦合；模型；绿茶烘焙；逆模型；解耦；支持向量机；变论域doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.07.031中图分类号：TP273+.21 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-07-0258-10李 琳，周国雄. 基于逆模型解耦的绿茶烘焙变论域模糊控制[J]. 农业工程学报，2014，30(7)：258－267.Li Lin, Zhou Guoxiong. Method of variable universe fuzzy control base on inverse-model decoupling for green tea baking[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(7): 258－267. (in Chinese with English abstract)0 引 言在绿茶精制过程中，烘焙工艺起着关键作用，对茶叶的香气成分、保存时间以及口感有较大的影响[1]。

炭焙和机焙是目前主要的2种绿茶烘焙方式。

炭焙利用木炭焙笼对绿茶进行烘焙，主要工艺由人工操作，烘焙后绿茶的品质取决于工人经验，因此标准化程度低；机焙电烘箱进行烘焙，使用较为广泛，然而由于缺乏对烘培过程系统温、湿度变化的研究、控制算法较为简单，温度误差一般大于5℃，湿度误差大于8%[2]，使得绿茶品质往往达不到最佳效果。

因此研究一种先进的绿茶烘焙过程控制方法，具有十分重要的意义。

烘焙工艺的关键是对温、湿度精确控制，然而烘焙过程物理、化学变化复杂，系统温、湿度相互影响，形成非线性耦合；同时烘焙过程参数受环境影响变化大，传统的控制算法往往效果不佳[3]。

针对上述问题，本文提出一种基于逆模型解耦的变论域模糊控制方法。

首先对烘焙过程的逆模型收稿日期：2013-09-10 修订日期：2014-02-13基金项目：国家自然科学基金（60975049）；湖南省教育厅高等学校科学研究项目（12C0437）作者简介：李 琳（1977－），女，湖南嘉禾人，中南林业大学讲师，主要从事电子与自动控制研究。

长沙中南林业科技大学计算机与信息工程学院，414006。

Email：285570227@ 进行辨识，然后将该逆模型与被控对象串联建立伪线性系统，同时采用变论域模糊控制对温、湿度进行调节，提升控制系统自调节能力，提高茶叶品质。

1 机焙原理及控制算法1.1 机焙原理机焙工艺的原理以热交换的方式，释放绿茶半成品中的水分，达到优化茶叶成分的目的[4]。

以佳友茶叶机械有限公司生产的6CHX-70烘焙提香机为例，主要由加热和抽湿2个部分组成，其中加热部分采用电热丝作为热源，对加温管道进行加热，使箱体内部的温度快速升高；抽湿部分利用风机产生负压，实现冷风输入和设备内湿热气体排出，从而带走烘焙过程释放的水分。

绿茶烘焙过程是由一系列复杂的热交换和物质交换组成的。

在烘焙过程中，伴随水分的释放，茶叶会形成的特殊茶香成分，从而改变绿茶的口感。

因此，温度和湿度的变化对绿茶品质起着决定性的作用。

如何保证烘焙过程中温度和湿度的精确控制，是烘焙过程的控制重点和难点。

烘焙过程中，温度和湿度相互影响，呈现出较强的耦合性。

温度升高过快会加快茶叶内部水分的释放，但无法满足特殊茶香成分生成的温度条件；反之，则茶叶水分释放缓慢；空气流动较快时，会加速湿气的排出，也会同时降低茶叶温第7期 李 琳等：基于逆模型解耦的绿茶烘焙变论域模糊控制259度，反之，则能够降低对温度的影响，但茶叶水分无法快速释放[5]。

因此，绿茶烘焙过程的温、湿度交叉耦合严重。

通过对机焙原理的分析不难看出，茶烘焙过程的控制重点就是实现温、湿度控制的系统解耦，实现温、湿度的高精度控制。

1.2 逆系统解耦原理传统的解耦算法有基于状态方程的解耦方法[6]，基于专家规则的前馈补偿方法等[7-8]，这类方法要求被控对象数学模型必须明确，对于复杂的绿茶烘焙过程并不适用。

基于逆模型的解耦方法，被大量使用在非线性过程控制领域中[9-10]，取得了不错的效果。

对于绿茶烘焙过程中，设T 11()[,,,]p u t u u u ="，p =2，表示风机转速和电热丝电流两维输入；T 11()[,,,]q y t y y y ="，q =2，表示温、湿度两维实际输出；Σ为多变量耦合的非线性系统。

将输入输出关系用状态方程进行表示：⎩⎨⎧===00)( , ),(),(s t s u s h y u s f x（1） 式中：x 为系统状态，如绿茶烘焙过程电热丝电流热特性、空气流动情况等物理、化学动态特性，为绿茶烘焙系统的内部变量；x为系统状态向量函数，表征了绿茶烘焙的动态过程中，物理、化学动态特性等系统内因与风机转速和电热丝电流二维输入间的关系，f 表示系统状态方程用于表示s；u 为系统输入，包括风机转速和电热丝电流；y 为系统输出，包括温、湿度两维实际输出；h 为系统输出方程，表示绿茶烘焙系统的输出与内部状态及输入的关系；0s 表示初始时刻绿茶烘焙系统的内部状态；0t 表示系统初始时刻。

将绿茶烘焙控制系统的输入、输出变量之间的映射关系，即风机转速和电热丝电流与温、湿度的关系，表示为θ，则有u y θ=。

原绿茶系统Σ的逆系统为Π，则逆系统Π的输入输出间映射关系可表示为d d y u θ=，且需满足d d d y u y ==θθθ。

其中，d u 为逆系统Π的输出，即风机转速和电热丝电流；d y 为逆系统Π的输入，即温、湿度，θ为d u 和d y 之间的映射关系。

由于逆系统辨识会引入τ阶滞后，因此实际的τ阶逆系统τΠ的输入输出间映射关系为()d d u y ττθ=，)(τd y 表示温、湿度的τ阶滞后变量；τθ表示引入τ阶滞后条件下，u d 和y d 之间的逆映射关系，满足：()d d d y u y ττθθθ==。

将逆系统τΠ串联在原系统Σ之前，构成新的复合绿茶烘焙控制系统，如图1所示。

此时1ddy y ττθθ=，由于τθ为θ的τ阶滞后逆映射，θθτ实际等价于线性τ阶积分项τ−s 。

不难看出，新系统的输入，即经过τ阶积分处理温、湿度变量与输出，即原系统温、湿度变量之间为线性映射关系；但内部仍存在非线性映射，因此该复合系统称为伪线性系统。

对于绿茶烘焙过程这类多输入多输出（multiple-input multiple-output ，MIMO ）系统，采用逆模型方法，建立伪线性系统，能够实现非线性系统线性化与解耦，采用线性系统控制方法即可满足控制要求。

注：)(τdy 为τ阶逆系统输入；u 为原系统输入；y 为原系统输出Note: )(τdy is input of τorder inverse system; u is input of original system; y is output of original system图1 逆系统解耦原理Fig.1 Principle of inverse system decoupling1.3 控制算法针对绿茶烘焙控制系统中存在的问题，本文提出了一种基于逆模型的变论域模糊控制方法，其结构如图2所示。

注：u 1为模糊控制器计算的电热丝电流调节量；u 2为模糊控制器计算的风机转速调节量；u 1*为电热丝电流调节量，u 2*为实际风机转速调节量；y 1为温度输出；y 2为湿度输出Note: u 1 is current of electric heating wire calculated by fuzzy controller; u 2 is fan speed calculated by fuzzy controller; u 1* is actual current of electric heating wire, u 2* is actual fan speed; y 1 is temperature output; y 2 is humidity output图2 基于逆模型的控制系统结构Fig.2 Structure of control system base on inverse mode农业工程学报 2014年260整个控制系统由基于支持向量机（support vector machine，SVM）的逆系统解耦，以及基于变论域模糊算法的温、湿度独立控制2部分组成。

基于SVM的逆系统，利用SVM的自学习能力强优势[11]，对绿茶烘焙系统的逆向辨识，并与原系统进行串联，构成复合伪线性系统。

实现烘培控制系统中温度与湿度的解耦，为利用线性系统控制方法对烘焙过程进行控制打下基础。

变论域模糊算法，首先根据温、湿度设定值和系统检测反馈值，分别实现对温、湿度独立闭环模糊控制；然后采用变论域模糊算法，解决系统器件参数变化和传感器参数漂移对固定规则模糊算法的影响，提升系统控制精度和环境适应性。

2 基于SVM的逆模型辨识绿茶烘焙过程复杂，逆系统呈高度非线性状态，难以精确构造。

一些学者利用基于专家规则的前馈补偿方法对茶叶烘焙过程进行解耦控制[12]，其控制算法环境适应性较差。

SVM算法由Vapnik等[13]于1995年提出，对非线性数据，学习能力较强，具有严格的理论基础和数学基础，因此对数据的依赖性较弱，不存在局部最小问题。