CN109452380A - 一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法，所述茶叶加工设备包括机架、高度检测装置、电机、第一联轴器、扭矩传感器、第二联轴器、传动轴、炒锅、电热丝、炒板、速度传感器和温度传感器；本发明茶叶加工设备对电机和电热丝的控制取决于扭矩传感器取得的具体数值，杜绝工人凭感觉操作导致茶叶炒制质量不稳定的问题，提高了加工茶叶的品质，对提高茶加工品质的提高意义深远；采用正反馈机制，使得搜索过程不断收敛，最终逼近最优解。

Description

一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法

技术领域

本发明涉及茶叶加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法。

背景技术

目前球形茶作为主要的一种消费茶，出口历史悠久，世界闻名。在球形茶当中以珠茶最为典型。在历史上，珠茶起源于绍兴平水，品质高，外形圆润，价格昂贵。二十世纪八十年代，珠茶多次获得茶叶大奖。近年我国珠茶的出口量绍兴珠茶约占一半比重，经济影响深远。珠茶作为球形茶的代表在茶叶出口中占有很大比重，越来越受到国内外消费者的喜爱。

茶树的起源距今已有六到七万年漫长的历史，最初茶的利用是在原始社会中野生采集中发生的。中国是茶树的发源地，4000多年前，我国就开始利用茶叶，被人们作为解暑的良品。茶叶通过深加工后，可以作为食品或者医药的添加原材料。一般茶叶的加工过程主要分为三部分：茶叶的初制加工、茶叶的精制加工和茶叶的深加工。

茶叶初制加工过程中，翻炒成形是一道非常重要的工序，将很大程度上影响茶叶品质及茶叶成形效果的优劣。茶叶在翻炒过程中，将会发生一系列的物理、化学变化，茶叶在翻炒过程中被加工成球形，翻炒成形是茶叶成形、成味、成香、成色的协同工作。

但是长期以来茶叶加工设备对于炒茶的温度，风速，时间和炒板速度并没有加以调控，因此提出一种茶叶加工设备控制方法，对提高球形茶加工品质的提高意义深远。

发明内容

本发明的目的在于克服在茶叶加工设备炒制茶叶时，由于电热丝加热温度和电机转速不匹配，使得茶叶失水速率过快或过慢，进而造成茶叶品质下降的情况，提出了一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法，对提高茶加工品质的提高意义深远。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法，所述茶叶加工设备包括机架、高度检测装置、电机、第一联轴器、扭矩传感器、第二联轴器、传动轴、炒锅、电热丝、炒板、速度传感器和温度传感器；所述电机和炒锅均固定在机架上，所述电机的输出轴依次连接第一联轴器、扭矩传感器和第二联轴器，第二联轴器的输出轴通过曲柄摇杆机构连接传动轴，炒板固定在传动轴上，炒板下半部分的形状为与炒锅形状相配合半圆形，电机运动时通过第一联轴器、扭矩传感器带动第二联轴器的输出轴转动，进而通过曲柄摇杆机构带动炒板绕着传动轴在炒锅内往复摆动；所述温度传感器和速度传感器固定在炒板底部靠近炒锅的位置，电热丝均匀分布在炒锅的锅底；所述高度检测装置包括万向磁力表座和激光探头，万向磁力表座安装在炒锅旁的机架上且设置有一对，每个万向磁力表座上均安装有三个激光探头，两个万向磁力表座上的三个激光探头位置一一对应，相对两个激光探头的相对方向为炒板翻炒茶叶时茶叶的腾空方向，且三个激光探头从上至下依次布置在万向磁力表座上；

所述茶叶加工设备控制方法包括如下步骤：

1)初始化粒子群，即茶叶份数，确定两个合理的解空间，分别为温度解空间和电机转速解空间，解空间对应于粒子群算法中的位置，位置分别是电热丝加热茶叶的温度和电机转速，温度和电机转速的变化率对于粒子群算法中的速度；

2)对粒子群中的第i(1，2，…，m)个粒子，定义2维当前位置向量， 为第i个粒子的温度，为第i个粒子的电机转速，表示搜索空间中粒子的当前位置；

3)通过基本的PSO算法：根据

计算得粒子的速度(温度和电机转速的变化率)，根据更新粒子的位置(加热温度和电机转速)，i＝1，2…m；j＝1，2；

4)炒茶设备根据新的加热温度和电机转速炒制茶叶，依据茶叶的色泽，水分，整碎程度三样影响茶叶品质的因素，评价每个粒子的适应度，计算每个粒子的目标函数，即对茶叶的评估分；

5)设置每个粒子的pⁱ，对每个粒子，将其适应度即评估分与其经历过的最好位置pⁱ进行比较，如果优于pⁱ，则将其作为该粒子的最好位置pⁱ；

6)设置全局最优值p^g，对每个粒子，将其适应度与群体经历过的最好位置p^g进行比较，如果优于p^g，则将其作为当前群体的最好位置p^g；

7)根据步骤3)更新粒子的速度和位置，根据新的位置，控制电热丝和电机分别以该位置所对应的温度和电机转速对茶叶进行加工；根据粒子的速度来调整电热丝加热温度和电机转速的变化率；

8)检查终止条件；如果未达到设定条件即预设误差或者迭代的次数，则返回步骤3)；

9)满足终止条件，群体经历过的最好位置p^g所对应的坐标值即为最佳电热丝加热温度和电机转速；

10)固定并调整万向磁力表座上激光探头在竖直位置上的高度；

11)通过调整加热丝，调节炒锅的温度，使得炒锅处于合适的温度区间；

12)启动电机，带动曲柄摇杆机构，进而控制炒板做往复摆动，翻炒茶叶；当一个激光探头因茶叶翻炒而被遮挡，而与之相邻的上方探头没有被遮挡住时，检测茶叶翻炒时的高度在这两个探头高度之间和力矩传感器的值，进而控制电机转速；

12)通过力矩传感器测得值控制控制电机转速，以保证茶叶所受力矩恒定不变，根据算法得出的电机转速和电热丝加热温度之间的关系，调整电热丝加热温度，茶叶在被翻炒过程中，茶叶中的水分受热蒸发，在恒定力矩的作用下，茶叶每次腾空高度增加；直至茶叶高度稳定在第二探头和第三探头之间；

13)改变茶叶所受力矩设定值，并通过力矩传感器控制电机转速，茶叶中的水分进一步受热大量蒸发，在恒定力矩的作用下，茶叶每次腾空高度增加；直至茶叶高度稳定在第一探头和第二探头之间；

14)由于茶叶丢失大量水分，空气阻力对茶叶腾空高度的影响程度加大,通过激光探头返回值，控制电机转速，使得茶叶翻炒腾空高度保持稳定，根据算法得出的电机转速和电热丝加热温度之间的关系，调整电热丝加热温度，并读取该转速下扭矩传感器的中的数值，当该值达到预设扭矩值时，关闭电机和电热丝，加工完成。

进一步的，所述炒锅呈45度斜角固定在机架上。

进一步的，所述炒板的半圆形的下半部分边缘与炒锅的内壁贴合。

进一步的，所述炒板通过螺栓固定在传动轴上，传动轴通过两端的轴承安装在机架上。

本发明的有益效果在于：

1、本发明针对缺乏茶叶加工设备控制方法，提出了一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法，对提高茶加工品质的提高意义深远。

2、本发明粒子群算法简单，容易实现，表现出较好的收敛性和健壮性，与其它求解约束优化问题的方法相比较，具有一定的优势。

3、本发明的gBest给出信息给其他的粒子，整个搜索更新过程是跟随当前最优解的过程，所有的粒子可能更快的收敛于最优解。

4、本发明的茶叶加工设备加工过程完全自动化，通过扭矩传感器测得的竖直判断加工是否结束，节省人力，降低了炒制成本。

5、本发明的茶叶加工设备对电机和电热丝的控制取决于扭矩传感器取得的具体数值，杜绝工人凭感觉操作导致茶叶炒制质量不稳定的问题，提高了加工茶叶的品质。

6、本发明的茶叶加工设备通过扭矩传感器测得数值计算出炒锅内茶叶的重量变化，进而计算出炒锅内茶叶的占比，进而控制并调整电热丝和电机的工作状况，形成闭环控制，更加精准控制茶叶炒制过程，提高了加工茶叶的品质。

7、本发明的茶叶加工设备采用曲柄摇杆机构作为驱动连接装置，由于曲柄摇杆机构固有特性，存在极位夹角，即摇杆具有急回运动特性，增加了每次茶叶与炒板和锅壁的接触行程，加快了炒板炒茶时的速度，提高了炒茶的效果。

附图说明

图1是本发明茶叶加工设备的结构示意图。

图中，1-电机、2-第一联轴器、3-扭矩传感器、4-第二联轴器、5-输出轴、6-炒锅、7-电热丝、8-炒板、9-速度传感器、10-温度传感器、11-传动轴、12-转动盘、13-传动杆、14-固定座、15-摆动杆、16-滑块、17-滑槽、18-机架、19-万向磁力表座、20-激光探头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法，所述茶叶加工设备包括机架18、高度检测装置、电机1、第一联轴器2、扭矩传感器3、第二联轴器4、传动轴11、炒锅6、电热丝7、炒板8、速度传感器9和温度传感器10，所述电机1和炒锅6均固定在机架18上，所述电机1的输出轴5依次连接第一联轴器2、扭矩传感器3和第二联轴器4，第二联轴器4的输出轴5通过曲柄摇杆机构连接传动轴11，炒板8固定在传动轴11上，炒板8下半部分的形状为与炒锅6形状相配合半圆形，电机1运动时通过第一联轴器2、扭矩传感器3带动第二联轴器4的输出轴5转动，进而通过曲柄摇杆机构带动炒板8绕着传动轴11在炒锅6内往复摆动；所述温度传感器10和速度传感器9固定在炒板8底部靠近炒锅6的位置，电热丝7均匀分布在炒锅6的锅底；所述高度检测装置包括万向磁力表座19和激光探头20，万向磁力表座19安装在炒锅6旁的机架18上且设置有一对，每个万向磁力表座19上均安装有三个激光探头20，两个万向磁力表座19上的三个激光探头20位置一一对应，相对两个激光探头20的相对方向为炒板8翻炒茶叶时茶叶的腾空方向，且三个激光探头20从上至下依次布置在万向磁力表座19上。

所述茶叶加工设备控制方法包括如下步骤：

1)初始化粒子群，即茶叶份数，确定两个合理的解空间，分别为温度解空间和电机转速解空间，解空间对应于粒子群算法中的位置，位置分别是电热丝加热茶叶的温度和电机转速，温度和电机转速的变化率对于粒子群算法中的速度；

2)对粒子群中的第i(1，2，…，m)个粒子，定义2维当前位置向量， 为第i个粒子的温度，为第i个粒子的电机转速，表示搜索空间中粒子的当前位置；

3)通过基本的PSO算法：根据

计算得粒子的速度(温度和电机转速的变化率)，根据更新粒子的位置(加热温度和电机转速)，i＝1，2…m；j＝1，2；

4)炒茶设备根据新的加热温度和电机转速炒制茶叶，依据茶叶的色泽，水分，整碎程度三样影响茶叶品质的因素，评价每个粒子的适应度，计算每个粒子的目标函数，即对茶叶的评估分；

5)设置每个粒子的pⁱ，对每个粒子，将其适应度即评估分与其经历过的最好位置pⁱ进行比较，如果优于pⁱ，则将其作为该粒子的最好位置pⁱ；

6)设置全局最优值p^g，对每个粒子，将其适应度与群体经历过的最好位置p^g进行比较，如果优于p^g，则将其作为当前群体的最好位置p^g；

7)根据步骤3)更新粒子的速度和位置，根据新的位置，控制电热丝和电机分别以该位置所对应的温度和电机转速对茶叶进行加工；根据粒子的速度来调整电热丝加热温度和电机转速的变化率；

8)检查终止条件；如果未达到设定条件即预设误差或者迭代的次数，则返回步骤3)；

9)满足终止条件，群体经历过的最好位置p^g所对应的坐标值即为最佳电热丝加热温度和电机转速；

10)固定并调整万向磁力表座上激光探头在竖直位置上的高度；

11)通过调整加热丝，调节炒锅的温度，使得炒锅处于合适的温度区间；

12)启动电机，带动曲柄摇杆机构，进而控制炒板做往复摆动，翻炒茶叶；当一个激光探头因茶叶翻炒而被遮挡，而与之相邻的上方探头没有被遮挡住时，检测茶叶翻炒时的高度在这两个探头高度之间和力矩传感器的值，进而控制电机转速；

12)通过力矩传感器测得值控制控制电机转速，以保证茶叶所受力矩恒定不变，根据算法得出的电机转速和电热丝加热温度之间的关系，调整电热丝加热温度，茶叶在被翻炒过程中，茶叶中的水分受热蒸发，在恒定力矩的作用下，茶叶每次腾空高度增加；直至茶叶高度稳定在第二探头和第三探头之间；

13)改变茶叶所受力矩设定值，并通过力矩传感器控制电机转速，茶叶中的水分进一步受热大量蒸发，在恒定力矩的作用下，茶叶每次腾空高度增加；直至茶叶高度稳定在第一探头和第二探头之间；

14)由于茶叶丢失大量水分，空气阻力对茶叶腾空高度的影响程度加大,通过激光探头返回值，控制电机转速，使得茶叶翻炒腾空高度保持稳定，根据算法得出的电机转速和电热丝加热温度之间的关系，调整电热丝加热温度，并读取该转速下扭矩传感器的中的数值，当该值达到预设扭矩值时，关闭电机和电热丝，加工完成。

所述炒锅6既可以是水平固定在机架18上，也可以呈45度斜角固定在机架18上，炒锅6呈45度斜角固定在机架18上时茶叶放在炒锅内高的一侧，炒板8小范围摆动即可带动茶叶较大幅度运动。

所述炒板8的半圆形的下半部分边缘与炒锅6的内壁贴合，炒板8运动时茶叶不会因为炒板8底部与炒锅6的内壁存在缝隙而落入炒锅6的另外一侧。

所述炒板8通过螺栓固定在传动轴11上，传动轴11通过两端的轴承安装在机架18上。

所述曲柄摇杆机构包括转动盘12、传动杆13、固定座14、摆动杆15和滑块16，转动盘12固定在第二联轴器的输出轴上，转动盘12的盘边铰接在传动杆13的中部，传动杆13的下端铰接在固定座14上，传动杆13的上端套装有滑块16，且摆动杆15上设置有供滑块16滑动的滑槽17，滑块16套装在滑槽17内部，摆动杆15的上端与传动轴固定连接，第二联轴器的输出轴转动时带动转动盘12转动，进而带动传动杆13绕着下端的固定座14左右摆动，设置在传动杆13上端的滑块16绕着传动杆13下端的固定座14左右摆动，进而带动传动杆13绕着传动轴左右摆动，从而使炒板在炒锅内左右摆动翻炒炒锅内的茶叶。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法，其特征在于：所述茶叶加工设备，包括机架(18)、高度检测装置、电机(1)、第一联轴器(2)、扭矩传感器(3)、第二联轴器(4)、传动轴(11)、炒锅(6)、电热丝(7)、炒板(8)、速度传感器(9)和温度传感器(10)，所述电机(1)和炒锅(6)均固定在机架(18)上，所述电机(1)的输出轴(5)依次连接第一联轴器(2)、扭矩传感器(3)和第二联轴器(4)，第二联轴器(4)的输出轴(5)通过曲柄摇杆机构连接传动轴(11)，炒板(8)固定在传动轴(11)上，炒板(8)下半部分的形状为与炒锅(6)形状相配合半圆形，电机(1)运动时通过第一联轴器(2)、扭矩传感器(3)带动第二联轴器(4)的输出轴(5)转动，进而通过曲柄摇杆机构带动炒板(8)绕着传动轴(11)在炒锅(6)内往复摆动；所述温度传感器(10)和速度传感器(9)固定在炒板(8)底部靠近炒锅(6)的位置，电热丝(7)均匀分布在炒锅(6)的锅底；所述高度检测装置包括万向磁力表座(19)和激光探头(20)，万向磁力表座(19)安装在炒锅(6)旁的机架(18)上且设置有一对，每个万向磁力表座(19)上均安装有三个激光探头(20)，两个万向磁力表座(19)上的三个激光探头(20)位置一一对应，相对两个激光探头(20)的相对方向为炒板(8)翻炒茶叶时茶叶的腾空方向，且三个激光探头(20)从上至下依次布置在万向磁力表座(19)上；

所述茶叶加工设备控制方法包括如下步骤：

1)初始化粒子群，即茶叶份数，确定两个合理的解空间，分别为温度解空间和电机转速解空间，解空间对应于粒子群算法中的位置，位置分别是电热丝加热茶叶的温度和电机转速，温度和电机转速的变化率对于粒子群算法中的速度；

2)对粒子群中的第i(1，2，…，m)个粒子，定义2维当前位置向量， 为第i个粒子的温度，为第i个粒子的电机转速，表示搜索空间中粒子的当前位置；

3)通过基本的PSO算法：根据

计算得粒子的速度(温度和电机转速的变化率)，根据

更新粒子的位置(加热温度和电机转速)，i＝1，2…m；j＝1，2；

4)炒茶设备根据新的加热温度和电机转速炒制茶叶，依据茶叶的色泽，水分，整碎程度三样影响茶叶品质的因素，评价每个粒子的适应度，计算每个粒子的目标函数，即对茶叶的评估分；

5)设置每个粒子的pⁱ，对每个粒子，将其适应度即评估分与其经历过的最好位置pⁱ进行比较，如果优于pⁱ，则将其作为该粒子的最好位置pⁱ；

6)设置全局最优值p^g，对每个粒子，将其适应度与群体经历过的最好位置p^g进行比较，如果优于p^g，则将其作为当前群体的最好位置p^g；

7)根据步骤3)更新粒子的速度和位置，根据新的位置，控制电热丝和电机分别以该位置所对应的温度和电机转速对茶叶进行加工；根据粒子的速度来调整电热丝加热温度和电机转速的变化率；

8)检查终止条件；如果未达到设定条件即预设误差或者迭代的次数，则返回步骤3)；

9)满足终止条件，群体经历过的最好位置p^g所对应的坐标值即为最佳电热丝加热温度和电机转速；

10)固定并调整万向磁力表座上激光探头在竖直位置上的高度；

11)通过调整加热丝，调节炒锅的温度，使得炒锅处于合适的温度区间；

12)启动电机，带动曲柄摇杆机构，进而控制炒板做往复摆动，翻炒茶叶；当一个激光探头因茶叶翻炒而被遮挡，而与之相邻的上方探头没有被遮挡住时，检测茶叶翻炒时的高度在这两个探头高度之间和力矩传感器的值，进而控制电机转速；

12)通过力矩传感器测得值控制控制电机转速，以保证茶叶所受力矩恒定不变，根据算法得出的电机转速和电热丝加热温度之间的关系，调整电热丝加热温度，茶叶在被翻炒过程中，茶叶中的水分受热蒸发，在恒定力矩的作用下，茶叶每次腾空高度增加；直至茶叶高度稳定在第二探头和第三探头之间；

13)改变茶叶所受力矩设定值，并通过力矩传感器控制电机转速，茶叶中的水分进一步受热大量蒸发，在恒定力矩的作用下，茶叶每次腾空高度增加；直至茶叶高度稳定在第一探头和第二探头之间；

14)由于茶叶丢失大量水分，空气阻力对茶叶腾空高度的影响程度加大,通过激光探头返回值，控制电机转速，使得茶叶翻炒腾空高度保持稳定，根据算法得出的电机转速和电热丝加热温度之间的关系，调整电热丝加热温度，并读取该转速下扭矩传感器的中的数值，当该值达到预设扭矩值时，关闭电机和电热丝，加工完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法，其特征在于：所述炒锅(6)呈45度斜角固定在机架(18)上。

3.根据权利要求1所述的一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法，其特征在于：所述炒板(8)的半圆形的下半部分边缘与炒锅(6)的内壁贴合。

4.根据权利要求1所述的一种基于粒子群算法的茶叶加工设备控制方法，其特征在于：所述炒板(8)通过螺栓固定在传动轴(11)上，传动轴(11)通过两端的轴承安装在机架(18)上。