一种基于遗传算法的茶叶加工设备控制方法与流程

本发明涉及茶叶加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种基于遗传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。

技术实现要素：

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，提出了一种基于遗传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：一种基于遗传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)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，根据实际情况和所需的精度，将解空间等分成n份，其解空间的值分别是电热丝加热茶叶的温度和电机转速；

2)用若干二进制数表示一个个体，将温度和电机转速的解空间映射到位串空间上，然后在位串空间{0，1}进行遗传操作；

3)准备一些表示起始搜索点的初始群体数据，群体数据即由温度和电机转速构成，群体规模的大小取为m，每个个体(染色体)通过随机方法产生；

4)茶叶炒制完成后，依据茶叶的色泽，水分，整碎程度这几样影响茶叶品质的因素，对茶叶进行评估；把位串空间中的个体，映射到正实数空间，将由温度和电机转速构成的染色体进行解码，转换成实际值,计算目标函数f(x^k),并把适应度函数定义为最大化问题eval(uk)＝f(x^k)，k＝1，2...m，适应度函数值即为茶叶的评估分；

5)给出群体数据中每一个由温度和电机转速构成染色体的评估分eval(uk)，k＝1，2...m和染色体的评估分和

6)对单个染色体，计算选择概率和累计概率，概率值之和为1；

7)依据轮盘选择法，转动m次，产生m个染色体；

8)设定一交叉概率pc，产生一个[0，1]之间的随机数，随机数小于pc时，进行交叉运算；先对群体进行随机配对；其次随机设置交叉点位置；最后再相互交换配对染色体之间的部分基因；

9)设定一变异概率pm，对染色体每一个位，产生一个[0，1]之间的随机数，随机数小于pm时，进行变异运算；

10)在每次迭代的过程中，根据构成染色体的温度、速度解空间所对应的电热丝加热温度和电机转速对茶叶进行加工，记录每一代适应度函数中最大值的染色体，至迭代完成；适应度函数(茶叶评估分)最大的染色体对应最优的温度和电机转速；

11)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，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；

13)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；

14)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；

15)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，提出了一种基于遗传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、传统优化算法是从单个初始值迭代求最优解的；容易误入局部最优解；本发明采用遗传算法从串集开始搜索，覆盖面大，利于全局择优。

3、本发明采用遗传算法同时处理群体中的多个个体，即对搜索空间中的多个解进行评估，减少了陷入局部最优解的风险，同时算法本身易于实现并行化。

4、本发明具有自组织、自适应和自学习性，遗传算法利用进化过程获得的信息自行组织搜索时，适应度大的个体具有较高的生存概率，并获得更适应环境的基因结构。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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，一种基于遗传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)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，根据实际情况和所需的精度，将解空间等分成n份，其解空间的值分别是电热丝加热茶叶的温度和电机转速；

2)用若干二进制数表示一个个体，将温度和电机转速的解空间映射到位串空间上，然后在位串空间{0，1}进行遗传操作；

3)准备一些表示起始搜索点的初始群体数据，群体数据即由温度和电机转速构成，群体规模的大小取为m，每个个体(染色体)通过随机方法产生；

4)茶叶炒制完成后，依据茶叶的色泽，水分，整碎程度这几样影响茶叶品质的因素，对茶叶进行评估；把位串空间中的个体，映射到正实数空间，将由温度和电机转速构成的染色体进行解码，转换成实际值,计算目标函数f(x^k),并把适应度函数定义为最大化问题eval(uk)＝f(x^k)，k＝1，2...m，适应度函数值即为茶叶的评估分；

5)给出群体数据中每一个由温度和电机转速构成染色体的评估分eval(uk),k＝1,2...m和染色体的评估分和

6)对单个染色体，计算选择概率和累计概率，概率值之和为1；

7)依据轮盘选择法，转动m次，产生m个染色体；

8)设定一交叉概率pc，产生一个[0，1]之间的随机数，随机数小于pc时，进行交叉运算；先对群体进行随机配对；其次随机设置交叉点位置；最后再相互交换配对染色体之间的部分基因；

9)设定一变异概率pm，对染色体每一个位，产生一个[0，1]之间的随机数，随机数小于pm时，进行变异运算；

10)在每次迭代的过程中，根据构成染色体的温度、速度解空间所对应的电热丝加热温度和电机转速对茶叶进行加工，记录每一代适应度函数中最大值的染色体，至迭代完成；适应度函数(茶叶评估分)最大的染色体对应最优的温度和电机转速；

11)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，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；

13)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；

14)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；

15)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。