茶葉加工裝備是制茶業(yè)的基礎(chǔ)。隨著我國(guó)茶業(yè)的蓬勃發(fā)展，茶葉加工企業(yè)數(shù)量不斷增加，茶葉加工裝備制造業(yè)也在快速發(fā)展。我國(guó)茶葉加工裝備大體分為初制加工機(jī)械、精制機(jī)械、再加工機(jī)械和深加工機(jī)械等。據(jù)測(cè)算，目前全國(guó)茶葉機(jī)械廠家約500家左右，茶機(jī)生產(chǎn)能力已達(dá)10萬(wàn)臺(tái)以上，茶機(jī)保有量約達(dá)100萬(wàn)臺(tái)，涉及近百個(gè)種類，約300多個(gè)型號(hào)。我國(guó)主要茶類加工裝備的規(guī)模、總量，尤其是初加工、精加工設(shè)備較為成熟，以龍頭企業(yè)為主的茶葉機(jī)械行業(yè)格局基本形成，大宗茶葉加工已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，名優(yōu)茶機(jī)械化加工水平也已達(dá)到80%以上。熱風(fēng)殺青、計(jì)算機(jī)控制、光譜成像等新技術(shù)在茶業(yè)機(jī)械中被不斷應(yīng)用，加之新機(jī)型、新機(jī)種的涌現(xiàn)，極大推動(dòng)了我國(guó)茶葉加工裝備向著清潔化、自動(dòng)化、智能化發(fā)展。
目前，中、大型茶加工企業(yè)的連續(xù)化生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)、設(shè)備選型多委托茶機(jī)制造商完成。對(duì)于半手工、半機(jī)械化加工的小型茶加工企業(yè)甚至家庭作坊式生產(chǎn)者而言，在原有的茶葉加工生產(chǎn)流程中，不同程度存在單機(jī)設(shè)備購(gòu)置及部分單元設(shè)備增配的實(shí)際需求。茶機(jī)制造企業(yè)快速增長(zhǎng)，但不同企業(yè)生產(chǎn)的茶葉加工機(jī)械所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，在單機(jī)命名、型號(hào)、規(guī)格標(biāo)注等方面一定程度上缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，給茶機(jī)終端用戶及科技人員帶來(lái)不便，難以對(duì)市場(chǎng)上眾多茶機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的橫向深入比較，進(jìn)而在個(gè)性化的單機(jī)選配或生產(chǎn)線優(yōu)化配置上造成不便，構(gòu)建能夠管理茶葉加工機(jī)械的信息系統(tǒng)有助于這一問(wèn)題的解決。
研究從條形綠茶加工入手，使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境IntelliJ IDEA(Integrated Database for Easy Access)，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(Structured Query Language， MySQL)，針對(duì)性開(kāi)發(fā)茶機(jī)信息管理系統(tǒng)，將條形綠茶加工過(guò)程中涉及到的通用單元設(shè)備進(jìn)行廣泛采集、規(guī)范管理、科學(xué)統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)茶加工裝備的快速檢索、選型及生產(chǎn)線模擬組裝。
本系統(tǒng)主要面向具有單機(jī)設(shè)備選型及生產(chǎn)線選配設(shè)計(jì)的小型茶加工企業(yè)、個(gè)人用戶及茶葉機(jī)械科技人員，可讓用戶快速查詢、比較各類設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)，從而根據(jù)需要做出合理選擇，節(jié)約工作量，提高效率。
▲ 浙江春江茶機(jī)烘炒青綠茶清潔化生產(chǎn)線
01
條形綠茶加工裝備行業(yè)需求分析
綠茶按外形特點(diǎn)可分為扁形、卷曲形、條形、針形和顆粒形等多種形狀。條形茶外形條索緊直、呈條狀，產(chǎn)區(qū)廣泛、種類豐富，其基本初制工藝為：攤放、殺青、揉捻、做形、干燥。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)通過(guò)引進(jìn)和自主開(kāi)發(fā)，研制了一大批適合行業(yè)需求的各類機(jī)械設(shè)備，形成了多樣的條形綠茶的機(jī)械。在機(jī)械化基礎(chǔ)上，借助中央控制系統(tǒng)將單機(jī)或機(jī)組進(jìn)行連接，形成連續(xù)化、自動(dòng)化、智能化的成套設(shè)備生產(chǎn)線是未來(lái)茶葉加工的趨勢(shì)。目前，我國(guó)各大茶葉機(jī)械生產(chǎn)廠家分別研制開(kāi)發(fā)了各具特色的綠茶連續(xù)化自動(dòng)化加工生產(chǎn)線，如由電磁內(nèi)熱殺青機(jī)組配的可生產(chǎn)直條形和曲毫形綠茶清潔化生產(chǎn)線;由理?xiàng)l機(jī)、壓扁機(jī)組配的針、扁兩用自動(dòng)化生產(chǎn)線等。
條形綠茶加工裝備主要由殺青機(jī)、揉捻機(jī)、理?xiàng)l機(jī)等核心設(shè)備及鮮葉攤青機(jī)、輸送機(jī)等配套設(shè)備組成，各單機(jī)作業(yè)設(shè)備種類繁多、型號(hào)多樣，統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范尚欠缺，不同茶機(jī)廠同類機(jī)械產(chǎn)品難以進(jìn)行性能測(cè)試和比較。隨著茶葉加工機(jī)械制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，連續(xù)滾筒殺青機(jī)、鏈板式連續(xù)烘干機(jī)和連續(xù)理?xiàng)l機(jī)等單機(jī)作業(yè)裝備逐漸應(yīng)用于制茶行業(yè)。部分小型茶加工企業(yè)在進(jìn)行生產(chǎn)線組配時(shí)，需要面對(duì)種類繁多、規(guī)格多樣的單機(jī)裝備，缺乏一個(gè)高效的裝備信息管理平臺(tái)，限制了單機(jī)裝備的優(yōu)選?；诖?，茶加工裝備標(biāo)準(zhǔn)化信息管理可滿足單機(jī)設(shè)備比較及生產(chǎn)線科學(xué)組配?；陂_(kāi)源框架(Spring+Spring MVC+Mybatis， SSM)軟件開(kāi)發(fā)的茶葉加工裝備信息管理系統(tǒng)，整合了單元設(shè)備、茶機(jī)制造商、茶機(jī)標(biāo)準(zhǔn)等信息，不僅服務(wù)于小型茶加工企業(yè)及個(gè)人用戶，也為茶機(jī)制造商的產(chǎn)品展示提供公共平臺(tái)，同時(shí)也為茶葉機(jī)械領(lǐng)域的科技人員提供資源檢索服務(wù)。
02
系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)為web應(yīng)用程序，整體采用B/S架構(gòu)。使用IDEA作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，后端使用SSM框架，前端使用layui框架，數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL。系統(tǒng)整體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該系統(tǒng)后端SSM框架基于模型-視圖-控制器模式(Model-View-Controller， MVC)，使得系統(tǒng)具有很好的可維護(hù)性與擴(kuò)展性。其中，Spring的核心是IoC以及AOP，IoC用于存儲(chǔ)項(xiàng)目涉及的所有對(duì)象，AOP通過(guò)Spring控制service層事務(wù)。SpringMVC可以與Spring整合為控制層提供解決方案，實(shí)現(xiàn)控制請(qǐng)求的轉(zhuǎn)發(fā)與請(qǐng)求的響應(yīng)。借助MyBatis可以直接通過(guò)配置XML里的映射關(guān)系來(lái)操作數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)java類對(duì)象與數(shù)據(jù)庫(kù)表的映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)程序與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的交互，為數(shù)據(jù)持久化提供了便捷的解決方案。系統(tǒng)前端使用layui框架，支持提供美觀的前端界面以及快速的數(shù)據(jù)表格渲染，支持分頁(yè)、檢索的數(shù)據(jù)表單只需配置即可自動(dòng)渲染。
03
系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)
1、系統(tǒng)需求分析
為獲取系統(tǒng)需求，采用了面談、原型等方法，最終以用例對(duì)用戶需求進(jìn)行組織，系統(tǒng)用例如圖2所示。系統(tǒng)用戶分為普通用戶、企業(yè)用戶、專家用戶和系統(tǒng)管理員用戶。普通用戶通過(guò)系統(tǒng)可查看和檢索設(shè)備、制造商及設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)信息。設(shè)備生產(chǎn)或者銷售企業(yè)用戶可以維護(hù)設(shè)備及企業(yè)信息。系統(tǒng)管理員用戶可對(duì)設(shè)備信息、制造商信息進(jìn)行維護(hù)與審核，對(duì)相關(guān)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行維護(hù)。專家用戶依據(jù)加工流程對(duì)加工流程設(shè)備進(jìn)行選擇，通過(guò)展示功能，普通用戶可獲得專家用戶的選型方案，方便普通用戶進(jìn)行設(shè)備優(yōu)選。
2、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)
根據(jù)業(yè)務(wù)需求，進(jìn)一步收集了業(yè)務(wù)中的原始單據(jù)，包括制造商信息、標(biāo)準(zhǔn)信息和各加工單元的設(shè)備信息等原始單據(jù)，并對(duì)各數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行了定義。文章以核心殺青設(shè)備中的滾筒殺青機(jī)及輔助輸送設(shè)備為例，對(duì)需采集的參數(shù)以單據(jù)表形式定義如下表1、表2所示，原始單據(jù)數(shù)據(jù)項(xiàng)的詳細(xì)說(shuō)明如表3、表4所示。
根據(jù)業(yè)務(wù)需求與對(duì)原始單據(jù)的分析，本系統(tǒng)分析了主要實(shí)體之間的關(guān)系，圖3展示了設(shè)備、制造商、標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)實(shí)體的關(guān)系。
在實(shí)體關(guān)系圖基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)表的初步整體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。
考慮到設(shè)備的類別以及隨著功能的迭代，需求會(huì)有變動(dòng)的情況，系統(tǒng)最終采用的設(shè)備表設(shè)計(jì)如圖5所示。此設(shè)計(jì)將所有類別設(shè)備的共有屬性抽取出來(lái)，作為一張表，名為spu表，再將設(shè)備的其余私有屬性表存儲(chǔ)在另一張表中，spu表的主鍵作為外鍵存在于該表中，并且每張私有屬性表中都有預(yù)留字段。結(jié)合業(yè)務(wù)需求，預(yù)留字段的個(gè)數(shù)為5個(gè)。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是使用了預(yù)留字段，并且結(jié)合實(shí)際情況預(yù)留字段個(gè)數(shù)確定，不會(huì)造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，同時(shí)將設(shè)備共有屬性抽取為spu表，則spu表中的設(shè)備可以與制造商表、標(biāo)準(zhǔn)表關(guān)聯(lián)，邏輯清晰，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。
3、界面設(shè)計(jì)
軟件界面是人機(jī)交互重要部分。為提升軟件的易用性，開(kāi)發(fā)中采用了mockups低保真原型設(shè)計(jì)工具進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，并與用戶就人機(jī)交互細(xì)節(jié)開(kāi)展多次討論、修改，直至確認(rèn)。
4、系統(tǒng)核心模塊的實(shí)現(xiàn)
(1)設(shè)備檢索模塊
設(shè)備檢索是本系統(tǒng)的核心模塊。該模塊設(shè)計(jì)條件選擇及條件輸入兩種方式，均可快速定位到滿足要求的設(shè)備列表，界面如圖6所示。此外，還可以點(diǎn)擊設(shè)備右側(cè)的詳情按鈕，以便進(jìn)一步了解設(shè)備的制造商，設(shè)備滿足的標(biāo)準(zhǔn)等信息。
(2)生產(chǎn)線組配模塊
用戶可以根據(jù)本系統(tǒng)中收錄的設(shè)備進(jìn)行自定義生產(chǎn)線組配。系統(tǒng)允許用戶按照加工流程依次選擇輸送設(shè)備、攤放設(shè)備、殺青設(shè)備、揉捻設(shè)備、理?xiàng)l設(shè)備、干燥設(shè)備。當(dāng)選擇任一設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)選中設(shè)備的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量自動(dòng)過(guò)濾出大于該臺(tái)時(shí)產(chǎn)量的設(shè)備，幫助用戶快速篩選，從而快速組建流水線，界面如圖7所示。
(3)制造商信息管理
通過(guò)檢索功能可快速檢索到想要了解的茶葉機(jī)械設(shè)備制造商，也可以按省份來(lái)快速定位到想要了解的制造商，也可通過(guò)編輯功能維護(hù)制造商的信息。
(4)信息審核
為保證信息錄入的合規(guī)性，管理員可以對(duì)用戶修改的設(shè)備、制造商等信息進(jìn)行審核。信息審核包括兩個(gè)部分：制造商用戶修改本制造商基本信息以及制造商用戶修改本制造商設(shè)備庫(kù)信息，在管理員的編輯制造商界面以及編輯設(shè)備界面存在審核結(jié)果下拉框，管理員用戶可以在此給出審核結(jié)果，并且當(dāng)選擇審核不通過(guò)時(shí)，需要給出不通過(guò)理由。
(5)茶機(jī)標(biāo)準(zhǔn)管理
管理員用戶除了能維護(hù)設(shè)備庫(kù)和企業(yè)資源外還能夠根據(jù)類別維護(hù)茶葉機(jī)械的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，普通用戶可根據(jù)需要瀏覽相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的信息，包括標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)名稱、類別、發(fā)布日期、發(fā)布日期、標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)，為選擇符合標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械提供參考。
04
SSM框架技術(shù)在茶葉加工應(yīng)用展望
信息化正在影響茶葉企業(yè)的管理、生產(chǎn)、流通等各環(huán)節(jié)，“互聯(lián)網(wǎng)+”正在加速行業(yè)企業(yè)的信息化程度，為企業(yè)獲取多元化數(shù)據(jù)、利用數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)邁向更高的決策智能化成為可能。軟件技術(shù)在信息化乃至智能化進(jìn)程中起著至關(guān)重要的作用?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的web系統(tǒng)可服務(wù)多類型企業(yè)的需求，更廣泛的收集行業(yè)數(shù)據(jù)，且易于部署和維護(hù)，有望成為茶葉加工行業(yè)信息平臺(tái)開(kāi)發(fā)的主流應(yīng)用模式。SSM企業(yè)級(jí)應(yīng)用框架通過(guò)集成Spring、Springmvc、MyBatis簡(jiǎn)化了基于互聯(lián)網(wǎng)的Web系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，具有輕量，高速和高效的優(yōu)點(diǎn)，有助于減少茶葉行業(yè)信息平臺(tái)類軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間、質(zhì)量，使應(yīng)用具有良好的擴(kuò)展性和移植性，加速茶葉加工行業(yè)數(shù)據(jù)的匯集、管理及智能化應(yīng)用。
文章基于SSM框架設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了條形綠茶加工裝備信息管理系統(tǒng)。采用軟件需求工程中面談方法與涉眾溝通，深入了解茶葉生產(chǎn)的業(yè)務(wù)流程、設(shè)備選型等業(yè)務(wù)問(wèn)題;采用原型需求獲取方法，在開(kāi)發(fā)初期以可視化的形式將系統(tǒng)功能及交互過(guò)程展現(xiàn)給用戶，通過(guò)征求用戶意見(jiàn)，從而明確無(wú)誤的確定用戶需求。獲得用戶需求后，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，最后基于SSM框架實(shí)現(xiàn)后端邏輯，完成設(shè)備信息入庫(kù)、設(shè)備數(shù)據(jù)檢索、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)管理、制造商信息管理，信息審核，生產(chǎn)線組配等主要功能。最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)用SSM框架減少了項(xiàng)目在開(kāi)發(fā)過(guò)中的耦合度，提升了系統(tǒng)的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，應(yīng)用原型設(shè)計(jì)改善了人機(jī)交互體驗(yàn)。
目前，該系統(tǒng)1.0版本已經(jīng)開(kāi)發(fā)完成，入庫(kù)茶機(jī)制造商396家、錄入各類設(shè)備300余件、茶加工及茶葉機(jī)械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)信息72項(xiàng)。后繼將持續(xù)開(kāi)展系統(tǒng)優(yōu)化、升級(jí)及數(shù)據(jù)采集入庫(kù)等工作。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)為條形綠茶及其他茶類加工的裝備選型、生產(chǎn)線組裝提供了借鑒。
來(lái)源：中國(guó)茶葉加工
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茶產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，承擔(dān)著支撐茶區(qū)經(jīng)濟(jì)、滿足健康消費(fèi)、穩(wěn)定擴(kuò)大就業(yè)、服務(wù)鄉(xiāng)村振興的重要任務(wù)。揉捻是茶葉加工的一道關(guān)鍵工序，主要有三個(gè)目的：一是揉捻茶葉成形，為成品茶外形打基礎(chǔ)，二是使茶葉細(xì)胞破損、茶汁溢出，三是為后續(xù)茶葉加工做準(zhǔn)備。揉捻機(jī)是目前能夠完成茶葉揉捻工藝的主要設(shè)備，主要由揉捻盤、揉捻桶與加壓裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成，揉桶在曲柄等機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)和控制下，在揉捻盤上做相對(duì)偏揉捻軸中心的橫向旋轉(zhuǎn)。茶葉在揉桶中隨著揉桶的運(yùn)動(dòng)不斷往復(fù)翻轉(zhuǎn)，并在揉盤上進(jìn)行來(lái)回揉搓，逐步卷縮成條。
目前，我國(guó)茶葉花色繁多，揉捻工藝要求各有不同，揉捻速度、揉捻壓力、揉捻時(shí)間設(shè)置不能一概而論，難以給出揉捻參數(shù)具體確定值。揉捻茶葉時(shí)，制茶者需要有一定的制茶經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際的鮮葉狀況和環(huán)境條件對(duì)工藝進(jìn)行選擇，揉捻工藝受人主觀能動(dòng)性影響，易造成揉捻品質(zhì)不一。張問(wèn)采等提出利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)茶葉原產(chǎn)地的溫度、氣候、海拔等地理信息進(jìn)行系統(tǒng)收集，建立茶葉加工工藝參數(shù)庫(kù)，以確保茶葉揉捻加工工藝的統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性。新技術(shù)與揉捻工藝的結(jié)合能夠智能選擇揉捻工藝參數(shù)，對(duì)當(dāng)前茶葉揉捻設(shè)備發(fā)展具有一定現(xiàn)實(shí)意義。
文章基于XGBoost算法設(shè)計(jì)茶葉揉捻推薦系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)鮮葉等級(jí)、茶葉種類、茶葉產(chǎn)地以及揉捻機(jī)型號(hào)作為系統(tǒng)輸入，能夠?qū)θ嗄硐嚓P(guān)參數(shù)進(jìn)行推薦。
▲ 浙江春江茶葉機(jī)械揉捻機(jī)組
01
方法原理
1、隨機(jī)森林算法
隨機(jī)森林算法(Random Forest)是一種集成學(xué)習(xí)方法，通過(guò)構(gòu)建多個(gè)決策樹(shù)來(lái)進(jìn)行分類或回歸。隨機(jī)森林是從原始訓(xùn)練樣本集N中重復(fù)抽取k個(gè)樣本生成新的訓(xùn)練樣本集合，然后根據(jù)自助樣本集生成k個(gè)分類樹(shù)組成隨機(jī)森林，新數(shù)據(jù)的分類結(jié)果按分類樹(shù)投票多少形成的分?jǐn)?shù)而定。其實(shí)質(zhì)就是將多個(gè)決策樹(shù)合并在一起，大大提高決策樹(shù)的運(yùn)算效率，每棵樹(shù)都是從一個(gè)獨(dú)立樣本中抽取出來(lái)的，并且其分布也是一致的，所以分類誤差取決于每棵樹(shù)的分類能力以及樹(shù)之間的相關(guān)性。CART決策樹(shù)是隨機(jī)森林算法弱分類器的核心部分，優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)數(shù)據(jù)集的因變量是離散型數(shù)值時(shí)，此樹(shù)就是分類樹(shù);當(dāng)數(shù)據(jù)集的因變量是連續(xù)性數(shù)值時(shí)，此樹(shù)就是回歸樹(shù)，預(yù)測(cè)值可以用葉節(jié)點(diǎn)觀察的均值來(lái)表示。
隨機(jī)森林算法容易實(shí)現(xiàn)，在訓(xùn)練速度方面和訓(xùn)練高度并行化方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)，還能進(jìn)行模型融合，提高模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。并且由于采用了隨機(jī)采樣，可以訓(xùn)練出方差小、泛化能力強(qiáng)的模型。
2、XGBoost算法
XGBoost算法(eXtreme Gradient Boosting)是一種強(qiáng)大集成學(xué)習(xí)方法，同時(shí)支持CART樹(shù)和線性分類器為基分類器，基于前向分布算法實(shí)現(xiàn)加法模型的集成學(xué)習(xí)方法。集成模型的基本理念是通過(guò)構(gòu)建一系列弱基礎(chǔ)模型來(lái)構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)大的模型。XGBoost算法核心思想是通過(guò)持續(xù)的增加樹(shù)，不停地進(jìn)行特征分裂來(lái)生長(zhǎng)一棵樹(shù)、添加一個(gè)樹(shù)的過(guò)程，實(shí)際上就是學(xué)習(xí)一個(gè)新函數(shù)的過(guò)程，擬合上次預(yù)測(cè)的殘差。構(gòu)建出k棵樹(shù)，并且每棵樹(shù)都能夠模型化，從而模型化出每個(gè)樣本的分值，從而達(dá)到對(duì)未知值的準(zhǔn)確估計(jì)。通過(guò)觀察這個(gè)樣本的特征，會(huì)發(fā)現(xiàn)它會(huì)落在每棵樹(shù)的一個(gè)對(duì)應(yīng)的葉節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)分?jǐn)?shù)。最后，只需要將每棵樹(shù)的相應(yīng)分?jǐn)?shù)相加，就可以得到樣本的預(yù)測(cè)值。
XGBoost算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)簡(jiǎn)單易用，提供API方便用戶使用。
(2)靈活性高，可應(yīng)用于多種類型數(shù)據(jù)集和任務(wù)，包括分類、回歸、排名和推薦等。
(3)準(zhǔn)確率高，在分類和回歸問(wèn)題上可以達(dá)到其它算法難以匹敵的準(zhǔn)確率。
(4)可解釋強(qiáng)，提供豐富的特征重要性評(píng)估方法，可幫助用戶理解模型預(yù)測(cè)過(guò)程。
3、支持向量機(jī)
支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)是一種常用的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，主要用于分類和回歸問(wèn)題。它的基本原理是通過(guò)找到一個(gè)最優(yōu)的超平面，將數(shù)據(jù)分為不同的類別。最優(yōu)超平面是n-1維的線性子空間，其中n是數(shù)據(jù)的特征維數(shù)。例如，如果數(shù)據(jù)有兩個(gè)特征，那么超平面是一維的線性子空間，也就是一個(gè)直線;如果數(shù)據(jù)有三個(gè)特征，那么超平面是個(gè)二維的線性子空間，也就是一個(gè)平面。在二維空間中，超平面就是一個(gè)直線，它將數(shù)據(jù)分為兩個(gè)類別。通過(guò)SVM，可以利用一些數(shù)學(xué)技術(shù)，將復(fù)雜的高維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的低維數(shù)據(jù)，從而有效地解決高維數(shù)據(jù)分析的問(wèn)題。
支持向量機(jī)算法具有適應(yīng)性廣泛、可解釋性強(qiáng)、計(jì)算復(fù)雜度低的優(yōu)點(diǎn)。支持向量機(jī)算法可用于線性和非線性問(wèn)題，在分類和回歸任務(wù)中表現(xiàn)出色，預(yù)測(cè)精度高，還能夠清晰表示分類和回歸的決策邊界和數(shù)據(jù)分布情況。
02
模型搭建
1、模型搭建及訓(xùn)練測(cè)試
根據(jù)XGBoost的算法原理并使用Python語(yǔ)言，構(gòu)建出XGBoost算法測(cè)試模型框架，如圖1所示。一共分為四個(gè)部分，一是樣本數(shù)據(jù)預(yù)處理，二是參數(shù)調(diào)優(yōu)，三是模型訓(xùn)練，四是模型預(yù)測(cè)。
(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理
文章數(shù)據(jù)是由廣西昭平仙峰茶廠提供，獲取時(shí)間為2023年3~4月。在當(dāng)?shù)?位制茶師傅的指導(dǎo)下，采用6CR-35型茶葉揉捻機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息如表1所示。試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)還不能直接使用，因?yàn)槌跏紨?shù)據(jù)中包含揉捻品質(zhì)指標(biāo)不符合揉捻機(jī)性能指標(biāo)的揉捻參數(shù)數(shù)據(jù)，會(huì)降低模型學(xué)習(xí)效率和預(yù)測(cè)精度。在數(shù)據(jù)使用前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，此次試驗(yàn)預(yù)處理主要為數(shù)據(jù)清理和數(shù)據(jù)劃分。
· 數(shù)據(jù)清理
在當(dāng)?shù)刂撇鑾煾抵笇?dǎo)下采用6CR-35型茶葉揉捻機(jī)對(duì)三級(jí)鮮葉制成紅茶春茶來(lái)進(jìn)行揉捻，揉捻過(guò)程中受人主觀能動(dòng)性影響。試驗(yàn)獲取的100組數(shù)據(jù)中，有8組數(shù)據(jù)的破茶率、成條率、細(xì)胞破碎率不符合35型茶葉揉捻機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，這些數(shù)據(jù)對(duì)后續(xù)揉捻參數(shù)預(yù)測(cè)沒(méi)有相關(guān)性，模型分析預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)需要去除這些數(shù)據(jù)。
· 數(shù)據(jù)劃分
將剩余92組數(shù)據(jù)按照9∶1的比例分為訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本。訓(xùn)練樣本用于算法迭代學(xué)習(xí)，測(cè)試樣本用于檢測(cè)算法預(yù)測(cè)效果。
(2)參數(shù)調(diào)優(yōu)
XGBoost算法參數(shù)包括通用參數(shù)、Booster參數(shù)和學(xué)習(xí)目標(biāo)參數(shù)。通用參數(shù)能夠進(jìn)行宏觀函數(shù)控制，Booster參數(shù)控制決策樹(shù)生成和組合過(guò)程，學(xué)習(xí)目標(biāo)參數(shù)能夠控制訓(xùn)練目標(biāo)。
· 通用參數(shù)：
①booster：用于選擇每次迭代模型的類別。booster參數(shù)有g(shù)btree和gblinear兩種選擇，gbtree是基于樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建模型，而gblinear是基于線性分類器來(lái)構(gòu)建模型。②silent：用于決定運(yùn)行過(guò)程中是否產(chǎn)生輸出。
· Booster參數(shù)
①n_estimators：樹(shù)的數(shù)量，用于控制模型的復(fù)雜度和訓(xùn)練時(shí)間。②learning_rate：學(xué)習(xí)率，用于控制模型參數(shù)的更新速度，并且通過(guò)不斷降低學(xué)習(xí)率來(lái)提升模型的準(zhǔn)確性。③gamma：控制節(jié)點(diǎn)分裂需要的最小目標(biāo)函數(shù)下降量，用于控制樹(shù)的生長(zhǎng)和防止過(guò)擬合。④subsample：樣本采樣比例，用于控制每個(gè)樹(shù)節(jié)點(diǎn)上的樣本數(shù)量。⑤colsample_bytree：控制每棵樹(shù)中列的子采樣比例。⑥colsample_bylevel：控制每一層中列的子采樣比例。⑦max_depth：樹(shù)的最大深度，用于控制樹(shù)的復(fù)雜度，并避免過(guò)擬合。⑧max_delta_step：樹(shù)模型權(quán)重改變的最大步長(zhǎng)，控制每個(gè)樹(shù)模型權(quán)重改變的最大步長(zhǎng)，防止過(guò)擬合。⑨lambda和alpha：正則項(xiàng)中λ和γ的權(quán)重，減少模型過(guò)擬合。⑩scale_pos_weight：調(diào)整正樣本的權(quán)重，提高模型的分類準(zhǔn)確率。
· 學(xué)習(xí)目標(biāo)參數(shù)
①objective：指訓(xùn)練模型時(shí)所采用的損失函數(shù)，常見(jiàn)的有reg：linear、reg：logistic、binary：logistic等。②eval_metric：評(píng)估模型性能指標(biāo)，常見(jiàn)的有rmse、mae、errors等。
· GridSearch是一種參數(shù)調(diào)優(yōu)方法，通過(guò)在指定的參數(shù)范圍內(nèi)搜索最優(yōu)參數(shù)組合來(lái)優(yōu)化模型性能。其步驟如下：
①確定需要調(diào)優(yōu)的參數(shù)和參數(shù)取值范圍。②將參數(shù)和參數(shù)取值范圍組合成一個(gè)參數(shù)網(wǎng)格。③通過(guò)采用交叉驗(yàn)證的方式，對(duì)各種參數(shù)組合進(jìn)行全面的性能評(píng)估。④選擇最優(yōu)的參數(shù)組合，并使用所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)重新訓(xùn)練模型。⑤對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，評(píng)估模型性能。
在實(shí)際應(yīng)用中，由于參數(shù)組合數(shù)量可能很大，所以使用GridSearch時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)：①盡量限制參數(shù)取值范圍，避免搜索空間過(guò)大。②優(yōu)先選擇影響模型性能最大的參數(shù)進(jìn)行調(diào)優(yōu)。③結(jié)合模型的特性和實(shí)際需求，選擇合適的交叉驗(yàn)證方式。④可以使用并行計(jì)算加速參數(shù)搜索。
利用網(wǎng)格尋優(yōu)調(diào)優(yōu)方法分別對(duì)茶葉揉捻工藝中揉捻轉(zhuǎn)速(A)、空揉時(shí)間(B)、一次輕壓(C)、一次輕壓時(shí)間(D)、重壓(E)、重壓時(shí)間(F)、二次輕壓(G)、二次輕壓時(shí)間(H)的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格尋優(yōu)，其最優(yōu)參數(shù)組合如表2所示。
(3)模型評(píng)價(jià)指標(biāo)
在評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)能力時(shí)，通常采用平均絕對(duì)誤差(Mean Absolute Error，MAE)、均方根誤差(Root Mean Squared Error，RMSE)、平均絕對(duì)百分比誤差(Mean Absolute Percentage Error，MAPE)作為模型評(píng)價(jià)指標(biāo)。平均絕對(duì)誤差是預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間誤差絕對(duì)值的平均值，反映了預(yù)測(cè)誤差的實(shí)際情況;均方根誤差是預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間誤差平方和與樣本數(shù)量比值的平方根，反映了誤差分布的離散程度;平均絕對(duì)百分比誤差是比較預(yù)測(cè)值與真實(shí)值之間相對(duì)誤差絕對(duì)值的平均值的大小，反映了預(yù)測(cè)誤差與真實(shí)值的相對(duì)大小。其表達(dá)式如式1、2、3所示，RMSE指標(biāo)、MAE指標(biāo)、MAPE指標(biāo)得分越小，預(yù)測(cè)效果越好。
2、預(yù)測(cè)結(jié)果分析
三種算法模型對(duì)揉桶轉(zhuǎn)速、空揉時(shí)間、一次輕壓、一次輕壓時(shí)間、重壓、重壓時(shí)間、二次輕壓、二次輕壓時(shí)間預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果分別如表3所示。從RMSE、MAE、MAPE三項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果來(lái)看，XGBoost模型評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值最小、算法優(yōu)勢(shì)顯著，這表明在最優(yōu)參數(shù)組合的選擇下，XGBoost算法模型的預(yù)測(cè)能力較好，因此系統(tǒng)將XGBoost算法作為茶葉揉捻推薦系統(tǒng)的核心，僅使用XGBoost算法模型進(jìn)行下一步分析預(yù)測(cè)。
03
推薦系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
1、系統(tǒng)環(huán)境
系統(tǒng)硬件環(huán)境和軟件環(huán)境具體介紹如表4和表5所示。
2、系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)及展示
(1)信息獲取模塊
茶葉推薦系統(tǒng)的信息獲取界面可讀取用戶選擇或輸入的相關(guān)參數(shù)，完成相關(guān)數(shù)據(jù)輸入功能。用戶在該界面上選擇茶葉種類、茶葉類型等信息，并將上述參數(shù)以文本讀取方式發(fā)送至數(shù)據(jù)處理層，進(jìn)行相關(guān)揉捻參數(shù)預(yù)測(cè)。
在信息獲取界面中需要對(duì)茶葉等級(jí)、茶葉種類、揉捻機(jī)型號(hào)、茶葉產(chǎn)地信息進(jìn)行輸入。2016年，中國(guó)工業(yè)和信息化部頒布了JB/T 12835—2016行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定茶葉等級(jí)，并以其特定的長(zhǎng)度和比例，對(duì)茶葉級(jí)別進(jìn)行了精確的劃分。鮮葉長(zhǎng)度不大于30 mm的占60%以上的為一級(jí)鮮葉、鮮葉長(zhǎng)度不大于40 mm的占70%以上的為二級(jí)鮮葉、鮮葉長(zhǎng)度不大于50 mm的占70%以上的為三級(jí)鮮葉、其它鮮葉為四級(jí)鮮葉。茶葉種類根據(jù)茶葉品種和制茶季節(jié)進(jìn)行劃分，主要?jiǎng)澐譃榧t茶春茶、紅茶秋茶、綠茶春茶、綠茶秋茶四個(gè)類別。茶葉揉捻機(jī)型號(hào)按照揉捻桶直徑大小可分為25型、35型、45型、55型等。
(2)揉捻參數(shù)推薦模塊
信息獲取層模塊將獲得的茶葉相關(guān)信息按照其所屬的茶葉等級(jí)、茶葉種類、揉捻機(jī)型號(hào)以及茶葉產(chǎn)地信息進(jìn)行分類，找到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)歷史制茶經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)中揉捻品質(zhì)數(shù)據(jù)和揉捻工藝數(shù)據(jù)對(duì)XGBoost模型訓(xùn)練，此系統(tǒng)內(nèi)將最優(yōu)揉捻品質(zhì)參數(shù)作為模型輸入來(lái)預(yù)測(cè)茶葉揉捻工藝參數(shù)。
此揉捻參數(shù)推薦系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)保存、用戶管理、操作日志、幫助文檔功能，數(shù)據(jù)保存指的是可對(duì)當(dāng)前獲取信息以及推薦信息按照當(dāng)前鮮葉等級(jí)、茶葉種類、揉捻機(jī)型號(hào)、茶葉產(chǎn)地的不同進(jìn)行分類保存。用戶管理模塊僅涉及個(gè)人信息管理，用戶可通過(guò)設(shè)定好的賬號(hào)密碼進(jìn)行登錄。操作日志管理記錄系統(tǒng)運(yùn)行情況，主要是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的信息日志。幫助文檔主要闡述了此推薦系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的以及其使用場(chǎng)景。
04
推薦系統(tǒng)測(cè)試
1、試驗(yàn)?zāi)康呐c試驗(yàn)指標(biāo)
揉捻推薦系統(tǒng)主要功能是根據(jù)不同類型鮮葉狀態(tài)來(lái)推薦其揉捻參數(shù)，為了驗(yàn)證推薦揉捻參數(shù)的實(shí)用性，主要選取了茶葉揉捻后的碎茶率、成條率、細(xì)胞破壞率進(jìn)行測(cè)定。
(1)碎茶率測(cè)定
試驗(yàn)碎茶率測(cè)定是通過(guò)稱重完成的。在揉捻試驗(yàn)完后，取出茶葉進(jìn)行稱重，稱重后通過(guò)網(wǎng)篩進(jìn)行篩選，再將篩除的碎末碎葉進(jìn)行稱重。碎茶重量再除以茶葉總重得到破碎率，具體公式如式4所示。
式中：S為碎茶率;mS為碎茶重量;m為茶葉總重量。
(2)成條率測(cè)定
試驗(yàn)成條率測(cè)定也是通過(guò)稱重完成的。在揉捻試驗(yàn)結(jié)束后，取出茶葉進(jìn)行稱重，挑出成條進(jìn)行稱重。成條率可通過(guò)成條葉重量除以茶葉總重，具體公式如式5所示。
式中：C為成條率;mC為成條茶葉重量;m 為茶葉總重。
(3)細(xì)胞破壞率測(cè)定
采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來(lái)進(jìn)行茶葉細(xì)胞破壞率測(cè)定。取揉捻好的茶葉若干，放入100 ℃水浴處理15 min;在當(dāng)前溫度和處理時(shí)間下，破碎細(xì)胞外溢，茶多酚氧化形成茶色素并對(duì)受損細(xì)胞進(jìn)行染色。將處理過(guò)的茶葉展開(kāi)在白紙上進(jìn)行拍照;將圖片導(dǎo)入電腦、采用Grabcut算法刪除背景;根據(jù)顏色特征計(jì)算染色面積與葉片面積比值，得到細(xì)胞破壞率。
2、推薦系統(tǒng)參數(shù)試驗(yàn)
現(xiàn)對(duì)一批鮮葉進(jìn)行揉捻參數(shù)推薦，鮮茶產(chǎn)地來(lái)源于廣西昭平，鮮葉等級(jí)為三級(jí)，采用35型茶葉揉捻機(jī)進(jìn)行揉捻，所要制成茶葉種類為紅茶春茶。揉捻參數(shù)推薦系統(tǒng)接收到信息獲取層所傳送的相關(guān)信息，找到鮮葉等級(jí)為三級(jí)鮮葉、茶葉種類為紅茶春茶、揉捻機(jī)型號(hào)為35型、茶葉產(chǎn)地為廣西昭平的數(shù)據(jù)庫(kù)。由于當(dāng)前茶葉揉捻機(jī)采用的是固定位置揉捻，所以試驗(yàn)中以下降距離為控制參數(shù)。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)里歷史揉捻參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并推薦出茶葉揉捻工藝參數(shù)，揉捻轉(zhuǎn)速35 r/min、空壓揉捻時(shí)間為15 min、一次輕壓位置為8 cm處、揉捻時(shí)間為11 min、重壓壓力位置為13 cm處、重壓時(shí)間10 min、第二次輕壓壓力大小為7 cm處、揉捻時(shí)間為13 min。將揉捻工藝參數(shù)應(yīng)用到35型茶葉揉捻機(jī)進(jìn)行揉捻，揉捻結(jié)束后取出部分茶葉，進(jìn)行篩選、稱重，計(jì)算破茶率和成條率，并用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)檢測(cè)茶葉揉捻后細(xì)胞破碎率。
查找茶葉揉捻機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)表，可以得出6CR-35型揉捻機(jī)揉捻紅茶，揉捻加工后的作業(yè)性能指標(biāo)應(yīng)滿足成條率≥85%、碎茶率≤4.2%、茶葉細(xì)胞破壞率≥83%。茶葉揉捻機(jī)揉捻結(jié)果如表6所示，試驗(yàn)1是根據(jù)20次揉捻數(shù)據(jù)進(jìn)行推薦，試驗(yàn)2是根據(jù)40次揉捻數(shù)據(jù)進(jìn)行推薦，試驗(yàn)3是根據(jù)60次揉捻數(shù)據(jù)進(jìn)行推薦。從表中試驗(yàn)1、試驗(yàn)2、試驗(yàn)3可以看出隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，揉捻葉的成條率逐漸增加、碎茶率逐漸降低、茶葉細(xì)胞破碎率逐漸增加。由于現(xiàn)有歷史揉捻數(shù)據(jù)量較少，揉捻參數(shù)推薦系統(tǒng)推薦數(shù)據(jù)還不完善。試驗(yàn)4是根據(jù)80次揉捻數(shù)據(jù)進(jìn)行推薦，可以看出揉捻后的碎茶率、成條率以及細(xì)胞破壞率已達(dá)到揉捻機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)。因此，隨著后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)增加，推薦系統(tǒng)不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)優(yōu)化，按照此系統(tǒng)推薦參數(shù)進(jìn)行揉捻，茶葉揉捻品質(zhì)將越來(lái)越好。
05
討論
茶葉揉捻品質(zhì)易受制茶師傅主觀因素影響，通過(guò)對(duì)鮮葉等級(jí)、茶葉種類、茶葉產(chǎn)地以及揉捻機(jī)型號(hào)來(lái)確定揉捻工藝參數(shù)，能夠保證茶葉揉捻品質(zhì)穩(wěn)定。文章將XGBoost算法用于茶葉揉捻參數(shù)推薦，利用真實(shí)揉捻工藝相關(guān)參數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證，在參數(shù)推薦過(guò)程中展現(xiàn)了較強(qiáng)性能。根據(jù)此算法設(shè)計(jì)出茶葉揉捻參數(shù)推薦系統(tǒng)，并對(duì)推薦系統(tǒng)推薦參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。從推薦系統(tǒng)參數(shù)試驗(yàn)可以看出揉捻后的碎茶率、成條率以及細(xì)胞破壞率已達(dá)到揉捻機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)，并且隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)增加，推薦系統(tǒng)不斷學(xué)習(xí)優(yōu)化，按照推薦參數(shù)進(jìn)行茶葉揉捻，揉捻品質(zhì)將越來(lái)越好。此揉捻推薦系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前茶葉揉捻設(shè)備發(fā)展具有一定現(xiàn)實(shí)意義。
作者簡(jiǎn)介：
陳俠
安徽宿州人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備。
通訊作者：
柳軍
副研究員，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)機(jī)裝備。
來(lái)源：中國(guó)茶葉加工
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綠茶是非發(fā)酵茶，較多地保留了鮮葉的天然物質(zhì)，含有茶多酚、葉綠素、咖啡堿、氨基酸、維生素等多種營(yíng)養(yǎng)成分，特別是多酚類化合物含量高，具有較好的保健功能。2019年中國(guó)綠茶產(chǎn)量達(dá)到177萬(wàn)噸，占全國(guó)茶葉產(chǎn)量的63%。中國(guó)綠茶市場(chǎng)人均消費(fèi)量也呈上升走勢(shì)，2018年人均消費(fèi)量首次超過(guò)1 kg/人，達(dá)到1.03 kg/人，2019年達(dá)到1.05 kg/人。綠茶是中國(guó)茶葉中出口規(guī)模最大的茶類，2019年綠茶出口量占茶葉出口總量的83%。
綠茶機(jī)械化制作工藝一般經(jīng)殺青、揉捻、做形、烘焙等工序，殺青、揉捻和烘焙一般可以由通用裝備來(lái)完成，但做形裝備則為專用裝備，對(duì)外形不同的綠茶應(yīng)由不同的做形裝備完成。文章綜述了芽(條)形、片形、顆粒形等典型綠茶做形裝備研究現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，并對(duì)綠茶做形裝備的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。
01
芽(針、條)形綠茶做形裝備研究
▲ 安吉白茶(條形綠茶)
茶葉理?xiàng)l機(jī)是芽(針、條)形綠茶做形關(guān)鍵設(shè)備，最早出現(xiàn)于安徽宣城地區(qū)，利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)U形槽鍋實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，深受我國(guó)茶農(nóng)喜愛(ài)，在茶葉加工生產(chǎn)線中已廣泛應(yīng)用。茶葉在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的U形槽鍋中被拋起與槽鍋壁產(chǎn)生碰撞，在動(dòng)摩擦、擠壓力的作用下使茶葉產(chǎn)生形變;在加熱裝置熱作用下茶葉葉片水分減少并軟化收縮，同時(shí)配合機(jī)械力的作用進(jìn)行做形;加熱過(guò)程產(chǎn)生熱化學(xué)作用會(huì)引起茶葉內(nèi)質(zhì)成分的變化，有利于茶葉色、香、味等重要特征的形成，U形槽鍋?zhàn)鳛槔項(xiàng)l機(jī)重要組成部件，其槽鍋形狀及設(shè)計(jì)參數(shù)直接影響到理?xiàng)l質(zhì)量。
國(guó)內(nèi)眾多專家學(xué)者對(duì)理?xiàng)l機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)展開(kāi)研究，程玉明等曾對(duì)理?xiàng)l機(jī)的槽鍋展開(kāi)設(shè)計(jì)研究，U形槽寬加深為115 mm、U形槽深增加到100~110 mm、采用兩邊圓弧曲率半徑差為5 mm的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)、槽鍋底部增加三條導(dǎo)葉筋，以增強(qiáng)理?xiàng)l葉與鍋壁的撞擊力，加強(qiáng)筋對(duì)理?xiàng)l葉產(chǎn)生的搓擦效果，同時(shí)增強(qiáng)了茶葉的翻動(dòng)特性和透氣性，提高理?xiàng)l做形質(zhì)量;趙祖光對(duì)茶葉理?xiàng)l機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌進(jìn)行改進(jìn)，將雙圓柱形滑軌副改為一圓一平滑軌，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得出新設(shè)計(jì)的滑軌副可以提高機(jī)器壽命，在一定程度上提高了制茶品質(zhì)。
茶葉理?xiàng)l機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，當(dāng)設(shè)計(jì)的最小傳動(dòng)角過(guò)小，會(huì)造成機(jī)構(gòu)傳動(dòng)卡滯、沖擊及振動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)影響茶葉成形率。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法過(guò)程較繁，且一般較難獲得最大傳動(dòng)角，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機(jī)課題組運(yùn)用蟻群算法對(duì)茶葉理?xiàng)l機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取最小傳動(dòng)角及成條率為目標(biāo)函數(shù)，以理?xiàng)l機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，根據(jù)茶葉理?xiàng)l機(jī)作業(yè)時(shí)具體結(jié)構(gòu)要求為約束條件，建立了茶葉理?xiàng)l機(jī)多元非線性優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用蟻群算法和Matlab語(yǔ)言，編制了基于蟻群算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)求解程序，結(jié)果為，曲柄長(zhǎng)度a為59.1 mm，連桿長(zhǎng)度b為341.5 mm，偏心距e為57.5 mm，滑塊行程H為120 mm，輔助角β為8.26°，極位夾角θ為3.5°，最小傳動(dòng)角γmin為70.1°。優(yōu)化后的最小傳動(dòng)角由50°增大到70.1°，使傳動(dòng)更加平穩(wěn)，振動(dòng)減輕，噪音降低;槽鍋的卡滯現(xiàn)象消失，理?xiàng)l機(jī)的成條率也有所增加，理?xiàng)l機(jī)優(yōu)化前后的參數(shù)如表1所示。
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)屬非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，理?xiàng)l機(jī)作業(yè)時(shí)連桿的慣性力難以平衡，造成振動(dòng)噪音較大。為了以最小的成本降低理?xiàng)l機(jī)的振動(dòng)噪音，在不改變理?xiàng)l機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機(jī)課題組對(duì)理?xiàng)l機(jī)進(jìn)行了減振方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)理?xiàng)l機(jī)存在單機(jī)不對(duì)稱，整機(jī)分為上下兩層，每層包括由各自的曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成的兩個(gè)相同的振動(dòng)單元，每個(gè)振動(dòng)單元的曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心和連桿在連接板的鉸接點(diǎn)位于同一水平線上，能夠保證四個(gè)連桿的任意時(shí)間的慣性力均對(duì)稱，以減小機(jī)器振動(dòng);為了平衡傳統(tǒng)理?xiàng)l機(jī)連桿產(chǎn)生的慣性力，設(shè)計(jì)了一種適用于茶葉連續(xù)化、清潔化生產(chǎn)線的具有低振動(dòng)、低噪音的茶葉連續(xù)理?xiàng)l機(jī)，通過(guò)對(duì)稱布置的、形狀和重量相同的四個(gè)平衡重以平衡理?xiàng)l機(jī)的慣性力，可以對(duì)一階及二階慣性力進(jìn)行有效平衡，提高了減振效果;以行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)取代曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，與后者相比，行星齒輪組具有良好的對(duì)稱性，創(chuàng)新機(jī)構(gòu)具有更好的傳動(dòng)平穩(wěn)性及較低的振動(dòng)、噪音;張小福設(shè)計(jì)了一種理?xiàng)l機(jī)的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，利用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)、噪音較小的特點(diǎn)及易于電控的特點(diǎn)，以高速氣缸通過(guò)電磁閥換向驅(qū)動(dòng)往復(fù)式茶葉理?xiàng)l機(jī)，以紅外線陶瓷發(fā)熱板為加熱元件，具有熱效率高，傳動(dòng)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)。
隨著各種名優(yōu)茶生產(chǎn)線的建立，連續(xù)多級(jí)式理?xiàng)l機(jī)被廣泛引用。陳根生等根據(jù)芽形名優(yōu)綠茶品質(zhì)要求及工藝需求，在理?xiàng)l環(huán)節(jié)采用三級(jí)連續(xù)理?xiàng)l機(jī)組，通過(guò)試驗(yàn)研究確定了三個(gè)理?xiàng)l機(jī)組的振動(dòng)頻率及理?xiàng)l溫度，成條率可達(dá)80%以上，茶葉加工生產(chǎn)線中的理?xiàng)l機(jī)組各單機(jī)原理與現(xiàn)有的理?xiàng)l機(jī)相似，但由于每一級(jí)理?xiàng)l機(jī)的槽鍋的傾角、U形槽寬度與槽深等均可依工藝要求確定而不相同，故每一級(jí)的理?xiàng)l時(shí)間、溫度等工藝參數(shù)都可最大限度適應(yīng)該階段的茶葉加工工藝要求。
近年來(lái)浙江川崎茶業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的60K-S系列精揉機(jī)、寧波姚江源機(jī)械有限公司的6CRJ系列精揉機(jī)等可用于恩施玉露、雨花茶、古丈毛尖、安化松針、信陽(yáng)毛尖等針芽形名優(yōu)綠茶的做形工序。盤式揉捻機(jī)在進(jìn)行揉捻作業(yè)時(shí)，對(duì)揉捻葉只有機(jī)械力的作用，并且揉捻過(guò)程系在封閉的揉桶內(nèi)進(jìn)行。而精揉機(jī)除了對(duì)茶葉有機(jī)械力的作用外，還有熱的作用，更有利于茶葉成形，并能減小破碎率。同時(shí)精揉機(jī)為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，透氣性好，能有效地控制茶葉水分，保證茶葉葉底嫩綠明亮，故加工出的成品茶，條索緊細(xì)圓直，鋒苗挺秀，香氣清高。
▲ 川崎精揉機(jī)在雨花茶中的應(yīng)用
(南京盛峰茶業(yè)有限公司供圖)
02
片形綠茶做形裝備研究
▲ 龍井茶(片形綠茶)
長(zhǎng)板式扁形茶炒制機(jī)是名優(yōu)扁形綠茶(龍井茶)做形的關(guān)鍵設(shè)備之一，于1999年研制成功，經(jīng)改進(jìn)和優(yōu)化后投入實(shí)際加工生產(chǎn)中。將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用到扁形茶炒制機(jī)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將茶農(nóng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，降低了對(duì)操作者的技術(shù)要求，提高了茶葉加工的科技水平。2000年左右，浙江新昌茶區(qū)開(kāi)始應(yīng)用長(zhǎng)板式扁形茶炒制機(jī)進(jìn)行龍井茶做形，因?yàn)樵摍C(jī)在一定程度上具有磨光作用，能較好地適應(yīng)龍井茶的做形工藝需求。隨著長(zhǎng)板式扁形茶炒制機(jī)的推廣使用，扁形茶的炒制作業(yè)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，并能與多功能電熱理?xiàng)l機(jī)配合使用，發(fā)揮各自性能優(yōu)點(diǎn)，提高成茶品質(zhì)和工作效率。
隨著設(shè)計(jì)水平的不斷創(chuàng)新，長(zhǎng)板式單鍋扁形茶炒制機(jī)自動(dòng)化程度獲得顯著提高。機(jī)器在工作時(shí)，使用者可通過(guò)人機(jī)對(duì)話設(shè)置各加工參數(shù)，儲(chǔ)存在電腦內(nèi)的數(shù)據(jù)直接對(duì)整個(gè)炒茶過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，無(wú)需人為干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)茶葉加工過(guò)程全程自動(dòng)化;夏建仁等對(duì)龍井茶機(jī)械化加工工藝進(jìn)行了研究，將全自動(dòng)和半自動(dòng)的兩臺(tái)長(zhǎng)板式龍井茶炒制機(jī)組合進(jìn)行扁茶做形，優(yōu)化了扁形茶機(jī)械加工工藝，提高了扁形茶做形品質(zhì)。
由于茶葉需求日益提高，扁形茶單機(jī)加工機(jī)械雖能滿足龍井(扁形)茶做形要求，卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，為滿足龍井(扁形)茶半連續(xù)化及連續(xù)化、智能化生產(chǎn)方式，國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)、高校開(kāi)展研究并取得一定進(jìn)展。為滿足上述需求，杭州千島湖豐凱實(shí)業(yè)有限公司進(jìn)行了如表2所示的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，即將3臺(tái)或4臺(tái)長(zhǎng)板式龍井(扁形)茶炒制機(jī)前后串聯(lián)，作業(yè)時(shí)，第一臺(tái)炒制機(jī)主要負(fù)責(zé)殺青工序，第二臺(tái)負(fù)責(zé)繼續(xù)殺青和初步做形工序，第三臺(tái)主要負(fù)責(zé)繼續(xù)做形工序，第四臺(tái)主要負(fù)責(zé)磨光工序。通過(guò)這四個(gè)工序，龍井(扁形)茶炒制的全過(guò)程得以完成，目前該裝備已應(yīng)用于龍井茶生產(chǎn)線中。
▲ “豐凱牌”6CCB-983D型三鍋連續(xù)扁茶炒制機(jī)
扁形綠茶具有代表性的產(chǎn)品類型有西湖龍井(有梗)及六安瓜片。兩者雖都是扁形，但在外形上具有較大差別。前者為較平的片形，后者則為形如瓜子、略帶彎曲。上述長(zhǎng)板式扁形茶炒制機(jī)只能用于龍井茶做形，不能用于六安瓜片。
六安瓜片的做形一般是用理?xiàng)l機(jī)，但容易使條形過(guò)直、卷曲欠缺，在多年的制茶實(shí)踐中，通常在理?xiàng)l機(jī)的U形槽鍋中放置加壓棒來(lái)完成做形工序，在U形槽鍋的帶動(dòng)下，槽鍋內(nèi)的茶葉沿U形槽產(chǎn)生翻滾、拋起、與槽鍋壁產(chǎn)生碰撞，同時(shí)U形槽鍋內(nèi)的加壓棒在槽鍋內(nèi)做以槽鍋寬度為直徑的似圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)槽鍋內(nèi)的茶葉產(chǎn)生沖擊壓力作用，最終成形，但加壓棒的釋放及回收還是要靠人工完成，這不僅加大了勞動(dòng)強(qiáng)度，也不利于茶葉清潔化生產(chǎn)，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，另外茶葉加工質(zhì)量要受到工人技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的制約，無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)要求，影響成茶品質(zhì)。
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機(jī)課題組設(shè)計(jì)了一種具有自動(dòng)加壓功能做形裝備用于六安瓜片的做形工序，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了六安瓜片連續(xù)化、清潔化生產(chǎn)。所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)式自動(dòng)加壓茶葉理?xiàng)l機(jī)如圖1所示，是一種機(jī)、電、氣一體化的茶葉自動(dòng)化加工設(shè)備，由氣缸、活塞桿、吊環(huán)支架和吊環(huán)組成，實(shí)現(xiàn)了做形工序的自動(dòng)加壓，該設(shè)備于2007年應(yīng)用在六安瓜片生產(chǎn)線至今，效果良好。
03
顆粒形及卷曲形綠茶做形裝備研究
▲ 貴州綠寶石(顆粒形綠茶)
不同顆粒形綠茶機(jī)制加工工藝雖然不同，但主要由殺青、揉捻、做形和烘焙等關(guān)鍵工序組成，而做形工序?qū)︻w粒形綠茶形成獨(dú)特卷曲外形起著關(guān)鍵作用，雙鍋曲毫炒干機(jī)是顆粒形綠茶做形的關(guān)鍵設(shè)備，茶葉在高溫炒鍋內(nèi)受炒手板推壓力、茶葉間摩擦力、茶葉與炒鍋內(nèi)壁摩擦力、茶葉自身重力等多個(gè)方向的作用力下，逐漸向內(nèi)收緊成圓球顆粒狀，以完成做形工序。
20世紀(jì)80年代，84型珠茶炒干機(jī)研制成功并在全國(guó)珠茶生產(chǎn)區(qū)推廣使用，因其茶灶的設(shè)計(jì)會(huì)造成環(huán)境和茶葉的污染，不符合我國(guó)茶葉無(wú)公害化生產(chǎn)的理念，需對(duì)茶灶進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，浙江省上虞市改進(jìn)的新茶灶應(yīng)用時(shí)間雖短、整體不夠完善，但對(duì)茶葉清潔化生產(chǎn)具有重要意義。
6CCGQ-50型雙鍋曲毫炒干機(jī)作為名優(yōu)茶加工做形的重要機(jī)型之一，關(guān)鍵在于炒茶溫度、炒板擺速與擺幅等，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算控制理念逐漸應(yīng)用于茶葉加工領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，降低茶農(nóng)的技術(shù)要求，提高經(jīng)濟(jì)效益，可進(jìn)行大規(guī)模批量生產(chǎn)加工，浙江紅五環(huán)制茶裝備股份有限公司研制生產(chǎn)的6CCQ-60型炒干機(jī)采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)炒茶溫度、時(shí)間、炒板擺幅等參數(shù)的自動(dòng)控制，提高了炒茶機(jī)械的智能化水平。
▲ “春江牌”6CCQ-50型雙鍋曲毫機(jī)
做形工序中所應(yīng)用的雙鍋曲毫機(jī)，主要利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)模擬人工炒茶作業(yè)。曲柄為主動(dòng)件，帶動(dòng)搖桿左右擺動(dòng)，搖桿驅(qū)動(dòng)與其同軸安裝的炒板在炒鍋內(nèi)不斷擺動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)顆粒型綠茶做形。
由于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)不緊湊，占用空間較大;曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度及速度均有較大變化，導(dǎo)致茶葉受熱不均勻、振動(dòng)噪音較大。加之上述機(jī)構(gòu)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)以經(jīng)驗(yàn)為主，運(yùn)動(dòng)性能不佳，易造成運(yùn)動(dòng)卡滯及較大振動(dòng)，影響成品茶品質(zhì)。
安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機(jī)課題組對(duì)上述機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以最小傳動(dòng)角最大化為目標(biāo)函數(shù)，建立雙鍋炒茶機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Matlab編制基于蟻群算法的優(yōu)化程序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算及驗(yàn)證又通過(guò)3因素3水平正交試驗(yàn)，探究貴州珠茶初烘葉含水率、第一次造形時(shí)間、第二次造形炒板的擺動(dòng)頻率對(duì)珠茶成形勻度和碎茶率的影響，獲得的最佳參數(shù)組合分別為：初烘葉含水率50%、第一次造形時(shí)間50 min、第二次造形炒板的擺動(dòng)頻率2.58 Hz;李為寧等用Solidworks建立了雙鍋曲毫機(jī)的3D虛擬樣機(jī)，基于離散元法建立茶葉顆粒及接觸力學(xué)模型，運(yùn)用EDEM軟件對(duì)做形過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算，以成形率最大化和碎茶率最小化為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)炒板關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，同時(shí)運(yùn)用2因素3水平試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，獲得了弧形炒板的最優(yōu)擺速及擺幅;鄭紅發(fā)等以6CCGQ-50型雙鍋曲毫炒干機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，開(kāi)展螺形茶造型技術(shù)研究，得到了曲毫的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)為投葉量6 kg/鍋、曲毫溫度180 ℃、炒制時(shí)間75 min，上述優(yōu)化結(jié)果如表3所示。
傳統(tǒng)的珠茶炒干機(jī)仍為單機(jī)生產(chǎn)，作業(yè)中需人工操作，以完成上料、出料及并鍋環(huán)節(jié)，難以適應(yīng)連續(xù)化生產(chǎn)需求。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機(jī)課題組設(shè)計(jì)出一種基于自動(dòng)供料的珠茶連續(xù)化做形控制系統(tǒng)以及控制方法，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，基于程控的自動(dòng)稱重系統(tǒng)可進(jìn)行自動(dòng)定量加料，設(shè)計(jì)的基于雙搖桿機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)槽鍋支架翻轉(zhuǎn)自動(dòng)下茶，PLC控制并鍋環(huán)節(jié)可進(jìn)行復(fù)炒，實(shí)現(xiàn)珠茶做形的連續(xù)化生產(chǎn)。
一些曲毫類卷曲形綠茶做形(如碧螺春)，可用揉捻機(jī)進(jìn)行初步揉捻成條，然后采用6CB-180型碧螺春整形機(jī)，6CCQ-50G型曲毫炒干機(jī)，6CL-30型名茶搓螺機(jī)，6SCG-50CDT型雙鍋曲毫機(jī)，6CRQ-60型瓶式曲毫機(jī)等完成做形。般溫度設(shè)定在60~80 ℃，在熱及機(jī)械力的同時(shí)作用下完成做形工序，同時(shí)要求透氣，保持茶葉色澤翠綠。上述時(shí)間一般為20~30 min，炒至茶條卷曲，含水量為10%左右，可出茶攤涼。
04
茶葉加工溫度控制系統(tǒng)研究
溫度是綠茶做形工序中的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)茶葉的成型和品質(zhì)提升有著重要的意義。理?xiàng)l是使茶葉在一定溫度下受熱的作用使葉片軟化，溫度的控制精度直接影響成條率，李文萃等研究了香茶機(jī)械化、連續(xù)化加工滾炒溫度、次數(shù)對(duì)其成茶品質(zhì)的影響。趙瑤等根據(jù)針形茶做形要求，研制CJL-5型針形茶自動(dòng)控溫整形操作臺(tái)，采用遠(yuǎn)紅外加熱方式并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫。范起業(yè)等研究了不同殺青溫度對(duì)香茶品質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)80型電磁滾筒殺青機(jī)殺青，在投葉量為130 kg/h時(shí)，滾筒三段式加熱元件溫度為290 ℃-280 ℃-265 ℃時(shí)，可獲最佳的成茶品質(zhì)。
傳統(tǒng)茶葉理?xiàng)l機(jī)理?xiàng)l溫度控制波動(dòng)較大，為了防止茶葉在理?xiàng)l過(guò)程中出現(xiàn)色澤變黃、變暗或產(chǎn)生焦味的現(xiàn)象，需要精確控制理?xiàng)l溫度，提高茶葉的加工質(zhì)量。傅杰設(shè)計(jì)了茶葉理?xiàng)l工藝參數(shù)模糊決策控制器及模糊PID溫度控制器，并利用Matlab/simulink對(duì)上述控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，以解決茶葉理?xiàng)l機(jī)溫度控制精度不高的問(wèn)題;近年來(lái)模糊控制相關(guān)算法已成功應(yīng)用于工程控制中，王小勇等通過(guò)模糊算法進(jìn)行理?xiàng)l機(jī)溫度控制，運(yùn)用Matlab對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，使得理?xiàng)l機(jī)的主副加熱部件具有較高的穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)精度高，抗干擾能力強(qiáng)，提高了理?xiàng)l的成茶品質(zhì);任桂英等通過(guò)PLC和相關(guān)控制元件組成控制系統(tǒng)，對(duì)溫度、頻率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了茶葉理?xiàng)l過(guò)程的自動(dòng)化，便于用戶簡(jiǎn)單操作;烏蘭等通過(guò)IPSO對(duì)模糊PID控制器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使得控制系統(tǒng)可根據(jù)烘干機(jī)熱風(fēng)爐的實(shí)時(shí)溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)排煙量，保證烘干機(jī)溫度的恒定。
根據(jù)茶葉物料烘焙時(shí)具有遲滯、大慣性和非線性的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)PID控制時(shí)溫度控制精度不高，超調(diào)量較大，魯棒性差，李兵等設(shè)計(jì)了一種基于模糊 PID控制原理設(shè)計(jì)的溫度控制器，用于六安瓜片茶烘焙，具有較好的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)性能，溫度控制精度高、超調(diào)小，當(dāng)葉溫設(shè)置為80 ℃時(shí)，能得到較好的烘焙品質(zhì);安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)茶機(jī)課題組設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)矩陣控制的茶葉烘干機(jī)，烘干機(jī)采用多層隧道式，采用上加熱方式，加熱元件為電加熱遠(yuǎn)紅外輻射板，運(yùn)用DMC-PID串級(jí)溫度控制系統(tǒng)(如圖2)，前級(jí)的DMC算法提高溫度控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力與魯棒性;后級(jí)PID算法提高系統(tǒng)的抗干擾性能。
傳統(tǒng)PID控制、FUZZY-PID及DMC-PID控制技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用于茶葉溫度控制系統(tǒng)中，上述三種溫度控制系統(tǒng)的溫度響應(yīng)曲線如圖3所示，常規(guī)PID溫控精度低且超調(diào)量為15%，F(xiàn)UZZY-PID溫控的超調(diào)量為10.5%，而采用DMC-PID串級(jí)溫控的超調(diào)量為5.9%，可提高溫度控制精度及成茶品質(zhì)。
05
發(fā)展趨勢(shì)
綠茶做形裝備是形成各種綠茶獨(dú)特品質(zhì)的關(guān)鍵，也是模擬人工炒茶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其發(fā)展趨勢(shì)從最初的單機(jī)作業(yè)逐漸向連續(xù)化、智能化方向發(fā)展。成熟的工業(yè)自動(dòng)化控制及傳感器技術(shù)正逐步輻射至茶機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，更多地應(yīng)用了傳感器技術(shù)和機(jī)、電、氣一體化等先進(jìn)技術(shù);做形裝備的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也從簡(jiǎn)單的平面機(jī)構(gòu)向空間機(jī)構(gòu)發(fā)展，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更加緊湊、傳動(dòng)效率更高、運(yùn)行振動(dòng)噪音更小、同時(shí)產(chǎn)生了多種創(chuàng)新機(jī)構(gòu)。通過(guò)運(yùn)用現(xiàn)代智能算法進(jìn)行了關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，相關(guān)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)水平得以提高。
今后，茶葉做形機(jī)械將以食品工程、機(jī)械電子、自動(dòng)化技術(shù)及人工智能多學(xué)科交叉為特點(diǎn)，同時(shí)做形生產(chǎn)線的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化及智能化水平也將日益提高。
來(lái)源：中國(guó)茶葉加工
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