基于微波扰动的茶叶杀青机温湿双控仿真_金璐.pdf

基金项目:温湿双控微波扰动茶叶杀青机关键技术研究与示范(黔科合支撑 2021一般 107)收稿日期:20211026修回日期:20211125第 40 卷第 2 期计算机仿真2023 年 2 月文章编号:10069348(2023)02034605基于微波扰动的茶叶杀青机温湿双控仿真金璐1，林廷艺1，2，钟晓锋1*，刘旭勤1(1 贵州理工学院工程训练中心，贵州 贵阳 550003;2 贵州大学材料与冶金学院，贵州 贵阳 550025)摘要:温湿度是决定茶叶杀青品质的关键因素之一。针对茶叶杀青机，以微波扰动技术为基础，提出温湿双控方法。将杀青机封闭的中空腔室作为微波扰动的谐振腔，分析腔体谐振角频率相对变量的有关因子，控制杀青机湿度。输入误差与误差变化率实时数据至控制器，通过模糊处理与推理，以所得输出值控制杀青机温度。最后设定温湿度上限，采集实际数值，判定差值与理想阈值，合理操作红外加热管与排湿风扇，实现杀青机温湿双控。仿真研究中，以 SIMULINK 为仿真平台，检验温湿度双控效果与效率。经验证，上述方法控制精度较高，速度较快，且稳定性较好。关键词:微波扰动;茶叶杀青机;温湿双控;电磁振荡;模糊控制中图分类号:TP399文献标识码:BSimulation of Temperature and Humidity Dual Control of TeaGreen Killing Machine Based on Microwave DisturbanceJIN Lu1，LIN Tingyi1，2，ZHONG Xiaofeng1*，LIU Xuqin1(1 Engineering Training Center，Guizhou Institute of Technology，Guiyang Guizhou 550003，China;2 College of Materials and Metallurgy，Guizhou University，Guiyang Guizhou 550025，China)ABSTACT:Humiture is one of the key factors to determine the green removing quality of tea Based on microwavedisturbance technology，a method of doublecontrolling temperature and humidity was proposed At first，the closedhollow chamber of the green removing machine was used as the resonant chamber of microwave disturbance Then，thefactors related to the relative variables of the cavity resonant angular frequency were analyzed，and the humidity of themachine was controlled at the same time Moreover，the realtime data of error and error variety rate were input to thecontroller After the fuzzy processing and reasoning，the output value was used to control the temperature of the ma-chine Finally，the upper limit of temperature and humidity was set Meanwhile，the actual value was collected to de-termine the difference and ideal threshold On the premise of reasonably operating the infrared heating tube and thedehumidification fan，the dual control for the temperature and humidity of the green removing machine was realized Inthis simulation，the SIMULINK platform was adopted to test the effect and efficiency of the dual control of temperatureand humidity Simulation results verify that the proposed method has high control precision and speed，as well as goodstabilityKEYWODS:Microwave disturbance;Tea green killing machine;Temperature and humidity dual control;Electro-magnetic oscillation;Fuzzy control1引言社会与经济发展增大了对茶量与茶品质的需求1，为提升茶叶品质、延长质变期，相应干制技术越来越成熟，逐渐从手工化转为机械化，其中杀青处理成为茶叶加工工艺中重要程度较高的一个环节2。科技的进步令杀青技术与设备要求越来越高，按照茶叶的杀青形式，逐渐产生了热风式、微波式、锅式、蒸汽式、滚筒式等杀青设备。在对茶叶的品质与技术要求不断提升背景下，相关领域研究人员对杀青机展开了深入探索，例如:潘玉成等人3 为643满足杀青机温度的控制要求，设计出了有效的模糊径向基神经网络 PID 温控系统;虞文俊等人4 为使茶叶杀青更加均匀，提出了基于 FluentEDEM 耦合的滚筒内流场数值模拟方法。通过探究上述研究成果发现，在杀青过程中，茶叶会产生不同的物理变化与化学变化，温湿度在物理变化中极为重要，杀青机一旦操作不当，极易发生糊叶等情况。为此，本文基于上述文献优势，设计一种微波扰动的温湿双控策略。以电磁理论5 中微波扰动为更本，通过介电属性帮助提升湿度与杀青机腔体相对频偏相关性的联立精准度;根据输入误差与误差变化率的实时数据，调整控制参数，使模糊控制器性能得以提升。2基于微波扰动的茶叶杀青机湿度控制将杀青机封闭的中空腔室作为微波扰动的谐振腔，电磁波在腔体内部不断反射，产生振荡电磁，通过高频电磁振荡的谐振现象6，控制设备湿度。通常情况下，在固定的设备腔体规格中，若已知湿度与微波频率，则湿度发生变化时，复介电常数也需要随之发生改变，以确保设备腔体中的湿度更为均匀，同时，谐振频率也有所变更，也就是说根据谐振频率，即可取得设备湿度。杀青机腔体存在电介质介电常数 与磁导率，一旦两者出现小幅变动，就会扰动到设备腔体中的电磁场。若电介质介电常数与磁导率的变量分别为、，腔体内未产生微波扰动时电场与磁场各是 E0、H0，扰动后电场与磁场各是 E、H，则利用麦克斯韦逆向方程组7，界定微波扰动前后的杀青机腔体电磁场状态*E0=j0H0*H0=j0E0(1)*E=j(+)H*H=j(+)E(2)其中，表示哈密顿算子8;j 表示方程旋度;杀青机发生谐振时微波扰动前后的电磁波角频率为别为 0、。假定杀青机腔体的内表面与体积分别为 S0、V0，由矢量恒等式9 与散度定理，推导出下列微积分表达式V0(E0*H+E*H0)dV0=jV0 0(+)E0*E+0(+)H0*HdV0=S0(E0*H+E*H0)dS0(3)若微波扰动方向是 n，基于腔体内表面 S0上有 n*E=0，则上列微积分方程的解是 0，故得出下列分式方程0=V0(E*E0+H*H0)dV0V0(E*E0+H*H0)dV0(4)通过该方程式描述微波扰动与杀青机谐振角频率的相关性，当电介质介电常数与磁导率变量、，小到忽略不计时，利用初始电磁、电场、电磁波角频率，近似表示扰动后的对应指标，因此，将分式方程(4)改写成下列近似表达式0=00=V0(|E0|2+|H0|2)dV0V0(|E0|2+|H0|2)dV0(5)综上，杀青机腔体谐振角频率的相对变量仅有关于微波扰动时的介电属性。基于杀青机不断的应用与实践，滚筒式茶叶杀青机凭借操作简单、不间断生产以及高作业效率等优势，在当前茶区较为盛行与普及。滚筒式茶叶杀青机腔体一般呈圆柱形，若内表面仅存在圆周方向的电流，则对于大体积的杀青设备，相同工作频率下，干扰模略有增加，故基于微波扰动的介电属性，设计一种耦合处理手段来达成杀青机湿度控制。假设圆柱腔体中轴向 z 上的磁场强度幅值与分布各是H0、Hz，径向 r 上的磁场强度分布为 Hr，电场强度分布为 E，则建立出下列微波扰动模场表达式E=203.832/a*H0J03.832ar()sin(z)(6)Hr=j23.832/alH0J03.832ar()cos(z)(7)Hz=j2 H0J03.832ar()sin(z)(8)其中，J0、J0各指代贝塞尔函数10 及其一阶导数;a 为复介电常数;z 表示轴向 z 上的磁场方向。腔体内存在干饱和蒸汽时，初始电场、磁场不变，介电常数与磁导率各是 v、v，当蒸汽达到一定湿度后，介电常数与磁导率为 m、m，两介电参数变量分别是、，腔体谐振频率从 f0偏移成 f，偏移量为 f。该过程描述式如下所示ff0=f f0f0V0(|E0|2+|H0|2)dV0V0(v|E0|2+v|H0|2)dV0(9)将微波扰动模场方程式与上列描述式相结合，得到下列简化式f/f0=(rmrv)/rv(10)其中，rm与 rv分别表示基于 9 干饱和蒸汽的湿度等效复介电常数实部与虚部。将下列湿度等效介电常数实部 rm的界定式代入简化式(10)，联立出湿度与杀青机腔体相对频偏的相关性，如式(12)所示，据此完成设备湿度控制rm=rv1+3(rfrv)(rf+2rv)2rf(rf+2rv)+2rf*1/1+(1/Y 1)f/v(11)743Y=1/1 vf32*(rfrv)(rf+2rv)2rf(rf+2rv)+2rf1f/f0+1 (12)其中，Y 表示杀青机湿度;rf表示饱和水的复介电常数实部;f表示饱和水密度;v表示干饱和蒸汽密度。3茶叶杀青机温度模糊控制基于模糊控制技术11，按照图 1 设计模糊控制器，通过模糊处理与推理，以所得输出值为依据来控制杀青机温度。图 1模糊控制器示意图利用该控制器控制杀青机温度的过程中，假设采集第 k个温度数据时，控制器的模糊控制比例参数、积分参数、导数参数分别为 kP、kI、kD，采集时长是 T，则其方差表达式如下所示u(k)=kPe(k)+kITkj=0e(j)+kDe(k)e(k 1)T(13)其中，e 指代输入误差。根据模糊控制参数 kP、kI、kD之间的制约性与互助性，结合输入误差 e 与误差变化率 ec 的实时数据，按以下流程完成控制参数调整，并采用最佳状态的模糊控制器控制杀青机温度:1)当输入误差 e 较大时，合理增大 kP参数值、减少 kD参数值，以迅速回归平稳状态，同时为降低超调作用12，令 kI取值为 0;2)当输入误差 e 相对居中时，依据超调作用产生的效果，合理降低 kP、kD参数值，就具体实践调整 kI参数值;3)当输入误差 e 较小时，为维持杀青机平稳运行，合理增大 kP、kD参数值，误差变化率 ec 取值大小会影响振荡程度，故针对振荡现象适当调整 kD参数值。4茶叶杀青机温湿双控法基于微波扰动与模糊控制器，构建茶叶杀青机温湿度双控策略，实现物理参数的合理控制。为防止热惯性作用造成过热现象，当杀青机温度达到规定上限时，红外加热管停止工作;为防止电机启动阶段造成湿度过高，当设备湿度达到规定上限时，令