专业化烘烤设备的运用

第四章 烟叶烘烤设备的智能化控制系统 4.1引言烟叶烘烤就是要将烟草在全部农艺过程中形成和积累的优良性状充分显露发挥出来，是生产优质烟叶至关重要的技术环节，也是我国目前生产水平下最薄弱的环节，甚至成了增进烟叶内在和外观品质的制约因素。烤烟烘烤环节存在的效率低、劳动强度高、消耗大、烘烤技术不易掌握，产品质量不易得到保证等问题。因此，必须研究和采用先进的技术和设备来准确落实科学的烘烤工艺，提高烤烟质量，提高烟草行业的经济效益。最近，我国引进了一批优良品种，同美国、巴西合作，加强了栽培技术及田间管理技术，烟叶质量有了一定的提高，与此同时也吸收了部分国外先进烤烟调制技术。但是从我国的国情分析，美国、日本普遍采用的集装箱式自动化烘烤调制技术。因此价格昂贵、单烟消耗量大，而我国烟叶初烤大都在农村且是单户进行，在较长一段时间内很难在我国推广。从当前我国烟草生产现状来看，烤烟烘烤调制技术相对比较落后，是影响烤烟质量的重要因素。因此，研究适合国情的烤烟烘烤调制智能化系统是当务之急。4.1.1国外烤烟烘烤调制技术20世纪50年代中期，美国北卡罗莱纳州立大学农业工程系约翰逊(W. HJohnson)等研究了烟叶在堆积变黄过程中的变化，1957年他们在实验室研究了堆积烘烤的实验装置，1958年他们又进行了中间试验并获得成功，并于1960年设计成适合于生产的烤烟设备，并提出了密集烘烤相应的烘烤工艺。试验结果证明，这种密集烘烤设备，对叶片变黄及干燥均有利，可有效节省劳力和原料，具有值得推广的优越性，从而揭开了密集烘烤设备发展的新篇章。其后密集烘烤设备的研究不断取得突破。1969年，日本鹿儿岛烟草试验场在实践中发现了一个新的烘烤工艺方法，即将湿球温度控制在38，按照一定工艺的要求升干球温度。根据这一原理，山中弘久和川上嘉通二人成功研制出湿球温度自动控制系统，实现了烟叶烘烤自动化。1974年，日本三洲产业株式会社研制出了气流上升式密集烘烤装置。1976年，鲍威尔(POWELL)公司又成功研制出771型气流上升式堆积烘烤设备，将烟叶直接堆积于大箱进行烘烤，用油或煤气做原料，采用温湿度自控系统，实现了烟叶烘烤的机械化和自动化。1977年北卡州立大学的石格斯(C. WSuggs)发表了大箱式密集烘烤研究报告。同年约翰逊(W. H. Johnson)又发表了气流横吹式密集烤房的研究报告，使大箱式烘烤得到进一步改善。在密集烤房不断发展应用的过程中，密集烘烤设备和工艺不断改进和完善，显示出节省烘烤用工、节约原料、提高劳动生产效率、热能利用率和烟叶烘烤质量，热效率可达51.4%，节省劳动用工63%，节约原料63%，缩短烘烤时间40h，显示出了巨大的优越性。因此，密集烤房在世界各产烟国家得到迅速推广应用。近年来，美国、加拿大、日本等发达国家的密集烘烤普及率已达50%以上，津巴布韦、巴西、南非的应用面积也达到或超过50%，这些主要生产烤烟的国家基本上淘汰了普通烤房，使用自动化或半自动化密集烤房。4.1.2国内烤烟烘烤调制技术20世纪70年代初期以前，烤烟生产水平很低，烟叶烤房十分简陋，形似农村普通住房，称为自然通风气流上升式烤房。自然通风气流上升式烤房的基本特点是结构和建造简单，成本较低，烘烤过程升温排湿较快，但往往由于供热设备和排湿设备安装不合理造成烤房内温度不均匀，影响烟叶烘烤质量。20世纪80年代，进行了大量的烤房研究与改造，并推广了容量150竿左右的小型烤房。到90年代，中国烟叶公司组织有关科研单位研究并在全国推广烤烟三段式烘烤技术，使我国烟叶烘烤工艺能够与国际先进技术接轨，同时加快普通烤房标准化改造步伐，满足先进烘烤工艺的需要。近年来，我国烟草生产的突出特点：一是中式卷烟的发展迫切需要进一步提高烟叶品质，尤其是烟叶外观等级质量与内在香气的一致性；二是烤烟整体生产水平普遍提高，集约化育苗、平衡施肥、三段式烘烤等技术得到全面推广应用；三是烟草种植向适度规模发展，一些主产烟区烤烟生产逐渐向专业化、职业化发展；四是烟叶生产的可持续发展，要求加强烟田基础建设，降低劳动强度，减少生产用工和烤烟生产成本，提高烟农种烟效益和种烟积极性。在这四个方面中，均涉及了烟叶的烘烤问题。包括烘烤工艺和烘烤设备两方面因素，尤其是烘烤设备相对陈旧落后，不能准确落实先进的三段式烘烤工艺指标要求。其主要问题：大部分烤房容量偏小；烤房性能较差，一些烤房存在升温升不上、保温保湿保不住、排湿排不出，不能准确控制温湿度等;烘烤能源消耗多，烤烟成本过高:烤房设备简陋，烧火和通风排湿操作困难，不利于烤烟规模化生产的需要。近几年，烟叶烘烤科学研究紧紧围绕提高烟叶烘烤质量、降低烘烤劳动强度、减少烤烟用工投入和能源消耗，己做了大量的试验和生产示范探索，为适度规模化、专业化、规范化生产提供了技术支撑。不少研究人员研制并在生产中试验示范了普通烤房的温湿度自控技术与设备。普通烤房温度和供热系统的自控或半自控，主要通过对燃料燃烧所需要的助燃空气量的调节来实现，湿度控制则通过调节排湿门开启大小来实现。普通烤房温湿度的自控或半自控系统由温湿度传感器、控制装置、循环热风机、排湿窗及排湿风机、鼓风机等构成。目前，我国以煤为能源的密集烤房发展很快，形式多样，有砖混结构、板块组装形式等，烧蜂窝煤或散煤，气流上升或气流下降式，使用烟夹夹烟或烟竿编烟。密集烤房装烟密度为传统烤房的24倍。密集烤房实行强制通风和热风循环，使烤房内温湿度更均匀，以利于烟叶均匀变黄和干燥;将人工控制烤房温湿度改为自动控制，实现了烟叶烘烤温湿度的精准调控，体现出省工、热能利用率和烟叶品质提高等优越性。然而，由于我国烟叶初烤大都在农村进行，而且是分散性，还不具备密集烘烤，大都是采用普通烤房进行烟叶烘烤。4.2 烟叶烘烤调制原理烟叶烘烤的主要目的是通过对烤房内温湿度的有计划控制，以显现和确定采收烟叶叶片的潜在质量。烘烤既是一个干燥过程，又是一个生物化学过程。在烘烤过程中，伴随着烟叶的脱水、变黄、干燥，叶内进行了复杂的生理化学变化，经过合理的烘烤控制，烟叶的外观状态和内在质量得到符合于工业需要的定向调控，一些良好的化学和生物学变化形成的化合物得到优化和保留，形成卷烟的初级原料。烘烤条件要随着采收烟叶的变化而调整。烘烤控制程序同时也因烤房、烟品种、叶片部位、采收和烘烤时气候条件、烟叶的成熟度和采收时水分含量等因素的变化而不同。一个烘烤过 通常需要120h150h才能完成。烘烤过程控制的主要变量是烘烤的环境温度、相对湿度、风速以及这些变量的时间变化，通过对这些变量的调控来调控叶片的温度和水分，进而影响和决定烟叶生物化学变化的速度和程度，形成特定的烟叶质量。在烘烤中烟叶的外观形态发生两个十分明显的变化。一是烟叶颜色由黄绿色变化。黄色，这是形成最佳烟叶质量需要的目标颜色，间接反映了烟叶内在质量的状况，颜色的深浅与烘烤过程中的湿度控制密切相关，如果控制失误，还可能继续发展变为褐色、深棕褐色，降低烟叶的质量和价格;二是烟叶由含水量80%90%的膨胀状态变凋萎、叶片全干直到干筋。烟叶的这两个变化，反映了烟叶内在化学组成的变化过程。一方面是有机物质的转化、分解和某些小分子物质缩合的生化变化，需要在酶的作用下完成，这是酶促过程，另一方面是水分蒸发和散失的物理过程，反映烟叶外观状态的变化。烟叶水分蒸发的干燥过程，除了需要一定的叶组织温度和环境温度外，还需要逐渐降低环境的相对湿度。烟叶在烘烤过程中酶促和干燥两个过程是密切相连，相辅相成的，其中有些时间内是相互关联着的。前期，当烟叶失去部分水分时，酶促作用大，强烈进行，烟叶的脱水给酶促作用创造了适宜的条件，到了后期，环境温度升高，相对湿度降低，烟叶水分排出减少，又限制了叶内酶的活性和作用，使叶内生化变化逐渐减弱，直至终止，从而固定了烟叶的外观颜色和内在质量。烟叶烘烤的全过程中，存在着两个速度：一是酶活性变化速度，代表着烟叶组织内有机物质的转化程度；二是干燥速度，代表了烟叶水分的散失，同时也表明叶内的生化转化能否继续进行。烟叶烘烤的所有控制措施，就在于创造适宜的条件，合理调整两个变化速度，使之能相互配合，同步进行。在变黄过程中，要促进酶的活动，需要较低的温度和较高的相对湿度，但在初期必须使叶片本身丧失一定量的水分而凋萎。当对品质不利的淀粉大量分解转化为对吸食有利的糖，芳香类化合物产生和增加，蛋白质和叶绿素分解使叶片变黄达到一定程度以后，就应采取逐步提高温度和降低相对湿度的方法，迅速排除水分，加速叶片干燥，终止酶的活动，将烟叶的黄色固定下来。当叶片全部变黄后，把叶片烤干，并使烟叶特有的香味最大程度地保留下来。总体来讲，烟叶烘烤过程是控促结合的生物化学变化过程。烟叶烘烤前期，叶内存在有一定量的水分，是烟叶变黄和内在物质转化等生理化学变化所必需的条件，同时控制水分一定量的散失，造成提高淀粉酶、蛋白酶活性的环境条件，促进绿色变黄色，大分子物质分解转化为适宜于烟叶质量提高的小分子物质和香气前提物质。在后期，逐步提高温度和促进失水，又是逐渐减弱酶的活性，控制外观颜色和内在物质继续转化或促进小分子物质聚合形成和固定烟叶质量的必要手段，这就是烘烤过程中的有促有控，控促结合。4.2.1烟叶烘烤的技术要点目前，因烘烤不当造成的烤烟经济损失在20%30%，主要是挂灰、青筋或黄片、青筋、烟叶正背面色差过大等。针对这种情况，通过大量实验，总结出几种特殊烟叶的烘烤，要点如下：1.旱天烟“稀编烟，稠装炕”。在烘烤时要先拿色，后拿水，以防烤青。一是烘烤时起点温度要高，可提到39 ；二是变黄时间宜晚，烟叶变黄程度要稍高，定色阶段前期升温要慢消除残余青色，后期升温要加快；三是整个烘烤过程湿球温度宜稍高。2.涝天烟，在烘烤中要先拿水，后拿色，解决烤黑。要“稀编烟，稀装烟”。一是变 黄期温度要达到3940 ，干湿球温度差要达到34，转火时变黄程度宜低；二是定色期烧火要稳，升温要准，排湿要快，每2小时升1，达到4648，并充分延长，使烟叶完全变黄，达到小卷筒，此后以每2小时升温1左右，至5455 ，实现全炕干片。3.返青烟，长期干旱后遇透雨，烟叶出现返青，不要急于采烤，要等二次落黄后再采烤。要“稀编烟，稀装炕”，高温变黄，低温变色。一是点火后要以每小时1 速度提升干球温度到40左右，干湿球温度差达到3，保持较快的变黄速度，变黄程度宜低不宜高；二是要充分延长4647时间，使湿球稳定在37，使低棚烟叶完全变黄且达到小卷筒，然后以每2小时升温1速度，将干球温度升至5455，实现全炕干片，转入正常烘烤。4.后发烟，这种烟主要是由于烟田施肥不合理，而且烟叶生长前期干旱，中后期降雨相对较多情况下形成的。要“稀编烟，稀装烟”。一是变黄温度以38左右为宜，定色阶段升温速度易慢不易快；二是湿球温度宜偏低，变黄期干湿球温度差为3左右；三是转火变黄程度不宜高。5.烤坏烟的原因分析：烤青。一是成熟不够；二是成熟整齐度不够；三是烤房棚距偏低；四是烘烤时起点温度高，变黄不够，定色期升温过快。挂灰。一是成熟过度；二是上部留叶过少；三是变黄过早或过晚；四是定色期升温过快或大幅度降温。杂色。一是编装密度过大；二是烟叶变黄时无变软，升温快；三是定色排湿不畅；四是干球温度达50时，烟叶还未达到小卷筒就升温；五是干球54没有达到大卷筒就升温；六是烤火忽大忽小。4. 2 .2 三段式烟叶烘烤工艺当前，在国内最实用的烘烤工艺流程是3阶段式工作模式。该模式根据烟叶的变化将整个烘烤过程分为3个阶段，即变黄期、定色期和干筋期。在每一阶段内，温湿度都有相应的限制要求(如图4-1所示)。由于地区不同，烟叶的具体情况不同，每一阶段执行时间长短可能有差异。具体设置如下：1.变黄前期：此期主要任务是使全炕烟叶失水变软，保证下棚烟叶正常变黄，防止温度过高失水过多，下棚烟叶烤青。同时，还要保证烟叶的正常水分，防止硬变黄。具体方法是：关闭天窗地洞点火后，将温度快升至38，待底棚烟叶发热发汗后，稳火将温度逐步降至3435，湿球温度33，底棚烟叶变为黄片青筋微带青，二棚叶片充分塌架时，方可升温继续变黄。2.变黄后期：当底棚烟叶达到黄片青筋，二棚烟叶充分塌架后，即可将温度以每小时12升到40 ，顿火，使温度保持在4042，主攻二棚烟叶变黄，湿球温度保持在3738，此时如果湿球温度超过38，说明炕内湿度过大，应小开天窗，进行排湿，开的大小，以湿球温度稳定在3738为准。如湿球温度低于37 ，则说明炕内湿度小，应严格保湿措施。此期主要任务是促进炕内烟叶充分变黄。在实际操作中以二棚烟叶变化程度为准。二棚烟叶不达到黄片青筋，叶片勾尖卷边软打筒，不能升温转入定色期，否则易造成烤青。3，定色前期：此期的主要任务有两个。一是促进烟叶进一步变化，二是排湿使烟叶 逐步干燥。两者要协调进行，干燥过快易回青，干燥过慢易挂灰。这一时期是烟叶干燥成型的主要时期，也是烟叶烘烤的最关键环节，升温排湿要稳要准。稳主要有两个方面的含义，即干球温度稳升、湿球温度稳定不变；这时升温排湿的时间选择要准，这一点要务必做到。进入定色前期后，可将温度从42逐步升到45 47 ，顿火，保持温度一段时间。等二棚烟叶达到黄片青筋半卷筒再升温到50，达不到此标准温度不能超过50。4.定色后期：进入定色后期主要的任务是干燥。可将温度从50以23小时1的速度稳定地升到54，湿球温度保持3940，达到全炕烟叶大卷筒，只剩主筋未干。5.干筋期：温度不超过68 ，湿球温度不超过4243。全炕叶片全干后，可在45小时内把温度从54快升到68，湿球温度稳定在42。主筋全干后(只剩近柄处35cm不干)停火，结束烘烤。此期应注意：(1)干球温度不能超过68；（2）湿球温度超过42时应及时关闭天窗地洞，防止烟叶温度过高，出现烤红。图4.1烟叶烘烤三阶段式工作模式4.2.3烟叶烘烤烤房技术改造研究由于我国大多数烟叶种植地处西南地带，境内多山，属亚热带季风气候，温暖湿润，四季分明。特别是海拔800m以下乡镇，冬无严寒，夏无酷暑，气候条件非常适合种植烤烟。近年来，广大农民逐渐掌握了烤烟种植技术，经济效益不断提高，种植面积也不断扩大，现已形成一大产业。但随着烤烟种植面积、产量的不断增大，烟叶烘烤环节成了烤烟发展的难题。许多烟农还是采取非常原始的方法进行烘烤，普通烤烟烘房存在着结构不合理，温度不能调节，热能利用率低，排湿不畅，劳动强度大等缺点，较大程度地影响着烟叶的质量和经济效益。如何改进烤烟烘房以提高烟叶质量和烘烤效率，已经成为当务之急。4.3 烤房的标准化改建随着我国烟叶种植适度规模化水平不断提升，烤房的建设向配备自动控制设备的密集型烤房方向发展。密集烤房是烤烟生产中烘烤加工烟叶的专用设备，基本特征是装烟密度大(为普通烤房装烟密度的23倍)，使用风机进行强制通风，配有温湿度检测系统。可以使用板块组装形式和砖混结构，燃煤供热，用烟夹夹烟或烟竿编烟。（1）基本结构和形式装烟室结构主要包括:墙体、房顶、挂烟设备、门、观察窗、进风口、进风道、分风板、回风口、回风道、排湿口等。加热室结构主要包括:墙体、房顶、加热室门、火炉、换热器、烟囱、出灰口和炉下进风道、出风口、冷风进风口、回风口、回风量调节板、风机、风机支架、电机等。（2）容量和规格从近年来我国密集烤房发展情况来看，绝大多数用砖砌筑墙体，用钢筋混凝土预制板浇注房顶。墙体厚度一般为南方烟区和黄淮烟区24cm，北方烟区和烘烤季节气温较低的地区38cm，房顶81 0cm，并加保温层。加热室开设维修门和进风口，装烟室安装装烟门、排湿口和观察窗，加热室和装烟室中间隔墙上开设进风道和回风道。一般烤烟能力以20亩左右为主，有1/3左右烤烟能力在25 30亩，也有一部分烤烟能力为1012亩。（3）装烟室装烟室是密集烤房挂置烟叶的地方。内设装烟架，专门用于挂置烟夹或烟竿。进风道在装烟室下端，由加热室隔墙到装烟门逐渐抬高，地面要制作44.5度的坡度。整个进风道截面呈梯形，用于纵向分风。从隔墙进风口上端至装烟室尾端水平横向安装木质分风板，用于横向分风。一般分风板宽5cm，空隙1.21.3cm左右，空隙度2527%。确保装烟室前后左右分风均匀。回风道设在烤房内的上部，高出装烟架40cm。装烟室左右两侧靠近房顶部均匀开设3个排湿口，每个高20cm，长60cm。（4）加热室和供热设备加热室与装烟室相连，内设火炉和热交换器，并在适当的位置安装风机。风机按一定方向向装烟室输送热空气，经过与烟叶接触进行湿热交换后，循环回到加热室，或者其中一部分排到烤房外部。供热设备是密集烤房的心脏，目前我国多用蜂窝煤火炉或散煤火炉。加热室中的炉膛、火管要有良好的耐热性、导热性、耐用性，达到供热充足。加热室内安装火炉、火管，侧墙上开设维修门，装双层门，确保严密保温、不漏气。在加热室侧墙上，根据风机安装位置开设冷风进风口，高400mm，宽300mm，装活动门，用于调节进风量。蜂窝煤炉由2个火炉组成，每个炉膛长1 000mm，宽550600mm，高600800mm。用土砖或耐火砖砌制，或用5mm钢板焊制，内装耐火材料炉衬。炉膛下设进风道。顶端出火口与热交换器连通。出火口安装活动盖板，能控制火口大小。炉膛顶端出火口与热交换器连通，中上部开进煤口，与加煤料斗连通，底部安装炉条，灰坑高600 800mm。灰坑设门，开助燃空气进口，由鼓风机鼓风。（5）电机和风机选择强制通风、热风循环是国外烘烤设备的一项通用技术。叶间隙风速增加，能够使上下层烟叶温度变得接近一致，有利于烟叶达到更高变黄变程度后再及时转入定色。定色阶段的风速增加有利于增进烟叶的颜色和色度。且整体上烤房内湿度稍有增加，烟叶内含物质转化充分，烤后烟叶颜色桔黄，色度强，光泽好，油分和弹性增加。近几年各地快速推广了普通烤房热风循环，烤房叶间隙风速比普通烤房增加0.040.06m/s，烟叶质量明显得到提高。表4.1 热风循环系统的主要技术参数项 目小 型 烤 房中 型 烤 房回风口规格(cm )回风道规格(cm)风机类型风机功率(VA)风机风量(m3/h)风机风压(Pa) 3050 4040 轴流式 15030015003000 70 5060 5050 轴流式 30050030005000 100热风循环烤房的核心是增设风机和空气循环系统，增加烟叶间隙风速，减小烤房上下层间温湿度差。风机选择、热风循环系统的造安装等是否适宜合理，直接影响热风循环烤房的使用效果。如有些采用离心式风机(小型鼓风机)，风压大但风量很小；有些选用风机功率过小(仅有4060W )，风压风量都很小；有些循环管道为直径仅100150mm的PVC管(分风管直径甚至只有5080mm )。这些都达不到热风循环，增加叶间隙风速，减小烤房上下层烟叶间温度差和湿度差的效果。热风循环系统的几个主要技术参数如表4.1。（6）干、湿温度自控干温是指烤房内的空气温度，湿温是指烤房内的水分温度。为保证密集烤房各项烘烤技术指标的准确性，要使用干湿温度自控仪，用于检测、显示和调控烟叶烘烤过程中的干温和湿温。通过对烧火、供热和通风排湿的调控，实现烘烤干、湿温度的控制。它由温度传感器、主机、执行器等组成，在主机芯片内设有烘烤干、湿温度专家曲线，并有在线调节功能。干温度控制原理。根据燃料的燃烧强度与在燃燃料量和助燃空气量的数学关系，建立燃烧数学模型，通过协调助燃空气量和加煤量，调节燃烧强度，实现对供热量和烤房的干温度控制。湿温度控制原理。若无冷空气进入，加热室和装烟室只有热空气的内循环；若打开风门，冷空气进入。在风门控制灵活的情况下，只要控制冷空气进入门的开度，变可自行排湿。传感器。干温度和湿温度传感器均使用数字型传感器。湿温度传感器要用脱脂纱布包裹感温头，并将纱布置于清水中，保持感温头与水面距离20mm 。干、湿温度控制专家系统。密集烤房的温湿度自控仪要根据烤烟三段式烘烤工艺的基本模式设计，必须写入通常的烘烤干湿温度值和大致时间指标曲线，特别要强调升温速度和需要稳温的几个关键温度点，并设置报警和在线调节功能。干湿温度自控仪的各项操作要简捷、明确，使烘烤过程能够在最佳状态下完成。4.3.1 密集烤房的特点 (1)强制通风，热风循环，热能利用率高，节省燃料。由于热风不断地进行内循环，使热量得以充分利用，所以热效率高。（2）烤房利用率高，烘烤能力大。密集烤房的装烟密度一般为普通烤房的46倍，有的能达到8倍。1座密集型烟叶烤房的烘烤能力相当于1020座传统烤房，大大地减少了占地面积。（3）机械化、自动化作业。先进的密集烘烤设备基本上都是机械化、自动化作业的，不仅工作效率很高，烘烤工艺稳定，管理简便，而且大大地减轻了烘烤作业的劳动强度。（4）节约劳动力。与普通烘烤相比，烟夹挂烟在绑烟环节上可节约50%的劳动力。我国的调查结果表明，整个烘烤过程可节省工时2/3。国外先进的大箱式密集烘烤设备可节省工时高达90%以上。（5）烟叶夹持设备先进。采用烟夹夹烟或大箱装烟，大幅度地提高了装烟密度，与烟竿绑烟相比，还能节省大量的绑烟用工量。（6）烘烤安全。装烟室里面没有火管，不会发生火灾。（7）使用年限长。密集烤房一般可连续使用25年左右。（8）可综合利用。密集烘烤设备在烤完烟叶以后，还可以用于干燥其他农副产品以及工业原料和制品。（9）要求严格。燃烧器、热交换器、风机等设备必须精良、耐用，电源要稳定等。传统的密集型烤房烟叶烘烤控制系统多采用传统的PID控制方法，由于烟叶烘烤过程中烤房内温湿度的非线性和耦合性较大，实际运行效果很不理想，很难符合烟叶烘烤的工艺要求。现在只能靠操作工人的实际经验来操作。因此，需要采取智能化控制技术对烟叶烘烤过程中的温湿度变化进行控制，其主要任务是在满足经济性、实用性、科学性的前提下，设计一套稳定、可靠的温湿度智能控制系统，使烟叶烘烤过程中温湿度的变化尽可能的符合三段式烘烤工艺，以提高烟叶烘烤质量。目前，我国烟叶烘烤过程中的供热和排湿主要依靠操作人员的烘烤经验，人为通过火力、天窗、地洞开启的大小和气流上升(下降)的自然速度控制烤房的温湿度。在烤烟烘烤近120个小时的过程中，人工控制出现失控机会多、干湿温度波动幅度大、能源利用率低、烘烤效果不稳定等情况，直接影响烘烤后烟叶的质量，且花费大量的劳动力。为解决上述问题，根据烟叶三段式烘烤工艺中的温度要求，现在介绍一种拟开发基于模糊控制的烟叶烤房温湿度控制仪，该设备使烤房内的温湿度按照烟叶最佳生化控制曲线变化，解决了烟叶烘烤过程中温湿度变化的非线性和耦合性，从而提高烤房内温湿度的控制精度，以达到提高烘烤质量和减轻劳动强度的目的，为探索适合农村社会经济状况和生产规模的烤烟烘烤自动化提供设备和技术支持。4.4 智能控制系统的设计内容和主要工作在完成烟叶智能控制系统中，应完成以下工作：（1）实际考察和分析研究密集型烤房的现行状况，明确烟叶烘烤过程中的温湿度控制系统的设计思路，确定控制方案。（2）根据烟叶烘烤的过程中的温湿度工艺特点、技术要求和控制经验，设计模糊控制查询表。（3）控制系统的硬件设计(电路原理图见图4.2、图4.3)。根据烟叶烘烤过程中温湿度变化的范围和要求的控制精度，以及所控对象的技术参数，选定合适的单片机和外围控制芯片，实现温湿度的设定、检测、控制、报警等。（4）根据控制系统的要求，采用模块化程序设计，首先列出各个模块的功能，设计出程序流程图，最后用C语言编写程序。（5）进行控制系统的硬件调试和软件调试，对硬件进行静态调试和联机调试，逐一排除故障，在开发系统上对软件进行分模块调试，最后将各个模块连起来整体调试。（6）根据方案要求，设计仪表面板，装配完整控制主机。4.4.1模糊控制器设计模糊自动控制是以模糊集合、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智能性来看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它现在己成为目前实现智能控制的一种重要而有效的形式。尤其是模糊控制和遗传算法、神经网络及混沌理论等新学科相结合，正在显示出其巨大的应用潜力。1模糊控制理论概述传统的自动控制，包括经典理论和现代控制理论中有一个共同的特点，即控制器的综合设计都要建立在被控对象准确的数学模型的基础上，但是在实际工业生产中，很多系统的影响因素很多，十分复杂，建立精确的数学模型特别困难，甚至不可能的。这种情况下，人们期望有一种不依赖于数学模型的控制方法，模糊控制方法就应运而生了。模糊控制作为智能控制中的一个子系统，它的发展和应用是相当迅速的。自从1965年美国的L.A.Zadeh教授提出模糊集合和模糊控制的概念后，许多国家都投入了大量的研究人员对模糊理论和模糊控制进行研究。尽管模糊集合理论的提出至今只有40年，却得到了极大的发展，关于模糊理论和算法、模糊推理、工业控制应用、模糊硬件与集成、以及稳定性研究等方面的许多重要论文都极大地促进了模糊控制理论的应用与发展。最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数(或规则)自调整模糊系统方面的研究，尤其受到各国学者的重视。最早取得应用成果的是英国伦敦大学教授E.H.Mamdani, 1974年他利用模糊控制语句构成模糊控制器，首次将模糊控制理论应用于蒸汽机及锅炉的控制，取得了优于常规调节器的控制品质。随后，丹麦、美国与日本的学者相继将模糊控制方法成功应用在温度、热水装置、压力与液面、十字路口交通枢纽指挥、水泥窑生产过程与汽车速度等自动控制系统中。1983年日本学者M. Sugeno和K.Muralcani将一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器应用于汽车速度控制，并取得成功。1984年，美国推出“模糊推理决策支持系统”。我国在模糊控制应用方面也取得了显著的成果。我国对模糊控制的理论与应用研究起步较晚，但发展较快，诸如在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类分析、模糊图像处理、模糊集合论、模糊模式识别等领域取得了不少有实际影响的结果。目前模糊控制技术日趋成熟和完善。模糊控制在化工、机械、冶金、工业窑炉、水处理、食品生产、家电产品等诸多领域中得到应用。模糊控制充分显示了在大规模系统、多目标系统、非线性系统以及无适当传感器可检测的系统中的良好应用效果。可以预料，随着模糊控制理论的不断完善，其应用领域将会更加广泛。2模糊控制特点 模糊控制理论诞生后，由于它具有明显的优点，主要反映在对复杂的、机理不明的控制系统，它模仿和升华了人的控制经验与策略，因此与经典的控制方法比较更有工程意义。它具有以下特点:（1）模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。（2）由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。（3）基于模糊的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异，但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。（4）模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。（5）模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。因此，模糊控制被广泛的应用于工业锅炉、煤炭生产过程、金属冶炼、石油化工等方面，并取得了较为理想的效果。3模糊控制在应用中的基本思想在控制系统传统设计中，都需要了解被控制对象的数学模型。但是对于一些生产过程，要获得既有足够的精确性，又便于系统分析的数学模型是相当困难的。这就使得现代控制理论的应用受到了限制。然而，一个熟练的操作人员却能够对系统中的各种参量，如温度、压力，以致颜色、气味等，做出响应和判断，最终获得最好的人工控制效果。这种控制方式并不依赖于数学模型，仅依赖于人的经验积累、感觉和逻辑判断。由此得到启发，将由脑中的经验加以总结，把凭经验所采取的相应措施总结成一条条控制规则，进而构筑一个控制器去代替人对复杂的生产过程进行控制，这种控制就是模糊控制。扎德提出的模糊思想及向控制领域的渗透，在理论上和实践上为控制理论开辟了新的发展方向，提供了新的系统设计方法，即模糊控制方法。在生产或生活的实践中人们可以采用手动控制方式来达到控制某一对象运动状态的目的。例如烟叶烘烤过程中，操作人员通过仪表观察到烤房内的干湿温度发生变化，根据他们所积累的知识和操作经验，做出决策，并采取相应的控制动作，适当调整鼓风机速度、风门大小、排气扇转速等等，若烤房内的干湿温度“偏高”、“偏低”，就要调整系统中调温装置和排湿装置，使烤房内的干湿温度始终控制在规定的范围内，这里操作人员对烟叶烘烤的控制采用的就是模糊控制的方法，这其中包含了人的智能行为，依靠的是定性或模糊的知识，这里显然并不是按照某种控制算法加以精确的计算，而且人也不可能有这样的记忆和计算能力在极短的时间内完成较为复杂的计算，这种控制包含有人的经验和知识，把这种经验和知识用语言描述出来，以构成一组用语言表达的定性决策规则，然后利用模糊集合作为工具使其量化，通过这种量化的物理过程设计出一种控制器，用形式化的人的经验法则模仿人的控制策略，在这个过程中Zadeh提出了模糊集合论这种数学工具，用这种方法可以把人的经验形式化并引入控制过程，在运用比较严密的数学处理过程，实现模糊推理进行判断决策，以达到令人满意的控制效果，这样就形成模糊控制器。4模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理可由图4.2表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线部分所示。模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号(在此取误差反馈)。一般误差信号作为模糊控制器的输入量。把误差信号的精确量进行模糊化变成模糊量，误差的模糊量可用相应地模糊语言表示。至此，就得到了误差的模糊语言集合的一个子集，再由该子集和模糊控制规则根据推理的合成规则做出控制决策，得到模糊控制量。为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量转换为精确量，这一步在图4.2中称为非模糊化处理(也称为去模糊化或清晰化处理)。得到了精确的数字控制量后，经数模转换，变为精确的模拟量后送给执行机构，对被控对象精确控制，然后，进行下一次信号采样，如此循环，从而实现了被控对象的模糊控制。图4.2 模糊控制器的基本原理5 模糊控制系统的组成模糊控制系统和常见的负反馈控制系统很相似，唯一不同之处是模糊控制装置是由模糊控制器来实现，模糊控制器通常由下列几个部分组成。如图4.3所示。图4.3 模糊控制器结构图（1）输入、输出量的规范化。输入输出量的规范化是指将规范化的控制器的输入输出限制在规定的范围内，以便于控制器的设计和实现。（2）输入量的模糊化。模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制器输出的求解，模糊化的主要作用是将输入量规范化后的确定量转换成一个模糊矢量。（3）语言控制规则。模糊控制器的控制规则是基于专家知识或手动操作熟练人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。模糊规则通常由一系列的关系词连接而成，如if-then, or, also, and等，关系词必须经过“翻译”，才能将模糊控制规则数值化。（4）模糊逻辑推理。模糊推理是控制器中根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。在模糊控制中考虑到推理时间，通常采用运算较简单的推理方法。（5）输出量的非模糊化(解模糊化)。模糊推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能己经完成。但是，至此所获得的结果仍是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须作一次转换，求得清晰的控制量输出，即为解模糊化。4.4. 2 模糊控制器的设计1模糊控制器的设计方法在模糊控制系统中，模糊控制器是整个控制系统的核心，因为模糊控制是建立在人的经验的基础上的，而这些经验是不依赖于被控对象的精确数学模型，因此当要设计一个模糊控制器时并不需要像设计数字控制器那样，必须知道被控对象的传递函数的精确数学表达式，而是根据模糊控制器的原理进行设计的，其设计的内容包括以下几方面：（1）确定模糊控制器的输入变量和输出变量。由于模糊控制器的控制规则是根据人的手动控制规则提出的，所以模糊控制器的输人变量可有三个，即误差、误差的变化、误差变化的变化，输出变量一般选择控制量的变化。目前被广泛采用的均为二维模糊控制器，这种控制器是以误差和误差的变化为输入变量，以控制量的变化为输出变量。本书设计中采用温度误差和误差变化率为输入变量，以控制量的变化为输出变量。（2）设计模糊控制器的控制规则。控制规则的设计是设计模糊控制器的关键，一般包括二部分内容：选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集和建立模糊控制器控制规则。（3）确定模糊化和非模糊化的方法。模糊化是将输入的精确量转化为模糊化量，这其中分有三个过程:将输入量变成模糊控制器要求的量；将处理过的输入量进行尺度变换，将己经变换的模糊量进行模糊处理；非模糊化是将模糊推理得到的控制量变为实际控制的清晰量，它包含有两部分内容:将模糊的控制量经清晰化变换成表示在论域范围的清晰量，将表示在论域范围的清晰量经尺度变换变成实际的控制量。（4）编制模糊控制算法程序。控制算法是由计算机的程序实现的。这种程序一般包括两部分，一个是计算机离线计算查询表的程序，另一个是计算机在模糊控制过程中在线计算输入变量，并将它们模糊化处理，查找查询表后再作输出处理的程序。2模糊控制器的结构设计在进行模糊控制器的设计之前，需要先选定模糊控制器的结构，模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。从这个角度可以将模糊控制器分为单变量模糊控制器和多变量模糊控制器。常规的模糊控制器都是单变量模糊控制器，它有一个独立的外部输入变量和一个输出变量。而单变量模糊控制器的输入的个数称为模糊控制器的维数。其中最典型、最基本、也是应用最广泛的是二维模糊控制器，它的输入一般为误差E和误差的变化率EC，输出为控制量U。根据本系统的特点和控制要求，模糊控制器选用二维结构，即以干湿温度的误差和干湿温度误差的变化为输入变量，以控制量的变化(加热装置、排湿装置)为输出量。其基本结构图如图4.4所示。图4.4 模糊控制器结构图在烟叶烘烤过程中，温度控制有两种情况:一种是恒温控制，一种是均匀升温控制。图中：输入量为温度偏差Et（设定温度与实测温度的差）、湿度偏差Eh（设定湿度和实测湿度的差)、温度偏差对时间的变化率Et和湿度偏差对时间的变化率Eh，1、2为温湿度解耦系数。输出量为加热控制量Ct和排湿控制量Ch。Ct最终量化为热风炉鼓风机的转速，Ch最终量化为风门的开度也即步进电机的步数、排气扇的转速和循环风机的转速。3模糊控制规则的建立（1）选择输入和输出变量的词集。模糊控制器的控制规则表现为一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入输出变量状态的词汇(如“正大”、“负小”等)的集合，称为这些变量的词集。选择较多的词汇描述输入输出变量，可以方便的制定控制规则，但控制规则变得复杂；选择的词汇过少，使得描述变量变的粗糙，导致控制器性能变坏。本设计采用的输入量和输出量的语言描述为:NB，NM，NMS，NS，Z，PS，PMS，PM，PB，其中NB，NM，NMS，NS，Z，PS，PMS，PM，PB分别代表负大、负中、负中小、负小、零、正小、正中小、正中、正大。（2）定义各模糊变量的模糊子集。定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状，将确定的隶属函数曲线离散化，得到有限个点上的隶属度，便构成了一个相应模糊变量的模糊子集。在确定语言变量的模糊子集的隶属函数时，应注意：隶属函数曲线的形状不同会导致不同的控制特性。隶属函数曲线形状较尖的模糊子集其分辨率较高，控制灵敏度较高；相反，隶属函数曲线形状较缓，控制特性也较平缓，系统稳定性较好。因此，再选择模糊变量的模糊集的隶属函数时，在误差较大的区域采用低分辨率的模糊集，在误差较小或接近于零的区域采用高分辨率的模糊集。定义某一语言变量，如误差，误差变化和控制量的变化的全部模糊集合时，要考虑它们对基本论域的覆盖程度，应使论域中的任意一点对这些模糊集合的隶属度的最大值都不能太小，否则在这样的点上会出现“空档”，从而引起失效。为了表示方便和计算简单，在设计时，对于误差、误差的变化率和控制量的语言值的隶属函数都采用三角形隶属函数。（3）建立模糊控制规则。模糊控制规则实际上是总结有经验的操作者或专家的控制知识和经验制定出的一条条模糊条件语句的集合，通常简写成一个表，即模糊控制规则表。确定模糊控制规则的原则必须是系统输出响应的动静态特性达到最佳。当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。如当温度误差为正，且系统本身有减少误差的趋势时，为了尽快消除误差且有不超调，应取较小的控制量，即当温度误差为正大，且误差变化率为正小时，控制量变化取正中；误差变化率为正大或正中时，控制量不宜增加。写成对应的语句如下：if Et =PB and Et =PS then U=NM； if Et =PB and Et=PB or Et=PM then U=NB；如此类推，若己知某时刻的温度偏差与偏差变化率的模糊值，根据烟叶烘烤的实际经验，则可以得到相应的控制量的模糊值，再进行实验分析、归纳，就可以确定其温度控制规则如表4.2所示:表4.2 烟叶烘烤温度控制规则表EtEtNBNMSNMNSZPSPMSPMPBNB NM NMS NS Z PS PMS PM PBPB PB PM PM PM PMS PS PS ZPB PB PM PM PMS PS PS Z NBPB PM PM PMS PMS PS Z NM NBPM PM PMS PMS PS Z NMS NM NBPM PMS PMS PS Z NS NMS NM NBPMS PMS PS Z NS NS NMS NM NBPMS P S Z NS NS NMS NM NB NBPS Z NS NS NS NS NMS NM NBZ NS NS NS NMS NM NM NB NB4精确量的模糊化在确定了模糊控制器的结构之后，就需要对输入量进行采样、量化并模糊化。即将精确值转化为模糊量，以便实现模糊控制算法。本设计定义各输入输出量的模糊子集为: Et= Eh =NB, NM, NMS, NS, 0, PS, PMS, PM, PB; Et = Eh=NB, NM, NMS, NS, 0, PS, PMS, PM, PB; Ct = Ch =NB, NM, NMS, NS, 0, PS, PMS, PM, PB;取四个输入变量(变量定义见第2节) Et, Eh, Et和Eh的量化等级都为9级，即Et, Eh, Et和Eh=-4，-3，-2，-1，0，1, 2，3，4。采用三角函数描述各模糊变量对应其论域的隶属度。则有模糊控制规则可以计算出模糊关系矩阵： （4.1） （4.2）式中: （4.3） （4.4）式中式、Et, Eh, Et和Eh、Ct（i,j）、Ch（i,j）可以根据其隶属度函数得到，然后可以算出其相应的模糊控制输出量： （4.5） （4.6）5模糊推理模糊逻辑推理是一种不确定性的推理方法，其基础是模糊逻辑，它是在二值逻辑三段论的基础上发展起来的，它是模糊控制器的核心。这种推理方法所得到的结论与人的思维相同或者相近，在应用实践中证明是有用的。模糊推理是一种以模糊判断为前提，运用模糊语言规则，推出一个新的近似的模糊判断结论的方法。模糊推理有多种方法，如，Zadeh推理法、Ma