[發明專利]一種基于蟻群算法的茶葉加工設備控制方法

在審

• 申請號: 201811331263.5
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109463478A
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 單曉杭;徐安生;陳文慶;孫建輝
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: A23F3/06
• 分類號: A23F3/06;G06N3/00
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 吳秉中

1.一種基于蟻群算法的茶葉加工設備控制方法，其特征在于：所述茶葉加工設備，包括機架(18)、高度檢測裝置、電機(1)、第一聯軸器(2)、扭矩傳感器(3)、第二聯軸器(4)、傳動軸(11)、炒鍋(6)、電熱絲(7)、炒板(8)、速度傳感器(9)和溫度傳感器(10)，所述電機(1)和炒鍋(6)均固定在機架(18)上，所述電機(1)的輸出軸(5)依次連接第一聯軸器(2)、扭矩傳感器(3)和第二聯軸器(4)，第二聯軸器(4)的輸出軸(5)通過曲柄搖桿機構連接傳動軸(11)，炒板(8)固定在傳動軸(11)上，炒板(8)下半部分的形狀為與炒鍋(6)形狀相配合半圓形，電機(1)運動時通過第一聯軸器(2)、扭矩傳感器(3)帶動第二聯軸器(4)的輸出軸(5)轉動，進而通過曲柄搖桿機構帶動炒板(8)繞著傳動軸(11)在炒鍋(6)內往復擺動；所述溫度傳感器(10)和速度傳感器(9)固定在炒板(8)底部靠近炒鍋(6)的位置，電熱絲(7)均勻分布在炒鍋(6)的鍋底；所述高度檢測裝置包括萬向磁力表座(19)和激光探頭(20)，萬向磁力表座(19)安裝在炒鍋(6)旁的機架(18)上且設置有一對，每個萬向磁力表座(19)上均安裝有三個激光探頭(20)，兩個萬向磁力表座(19)上的三個激光探頭(20)位置一一對應，相對兩個激光探頭(20)的相對方向為炒板(8)翻炒茶葉時茶葉的騰空方向，且三個激光探頭(20)從上至下依次布置在萬向磁力表座(19)上；

所述茶葉加工設備控制方法包括如下步驟：

1)根據實際情況和所需的精度，確定兩個合理的解空間，分別為溫度解空間和電機轉速解空間，其解空間的值分別是電熱絲加熱茶葉的溫度和電機轉速；

2)將溫度解空間[a，b]和電機轉速解空間[c，d]分別等分成n份，等分后各區間長度分別為各區間記為{I₁₁，I₁₂...I_ij...I_nm}，其中I_ij(i＝1…n，j＝1…m)表示橫坐標為i，縱坐標為j的區間，則I_ij＝{[a+(i-1)δ_t，a+iδ_t]，[c+(i-1)δ_v，c+jδ_v]}式中，a+(i-1)δ_t，a+iδ_t和c+(j-1)δ_v，c+jδ_v分別為區間的左右和上下端點；

3)區間I_ij中點位置記為x_i,y_j,則

4)初始時刻，在每個區間的中點位置放置一點，記這n*m個點為a₁，a₂...a_n*m，點a_i*j位于區間的I_ij中點位置(x_i1，y_j1)，控制電熱絲和電機分別以該位置所對應的溫度和電機轉速對茶葉進行加工；每一個位置x_i1,y_j1對應一個函數值f(x_i1，y_j1)，該函數值即為茶葉炒制完成后，依據茶葉的色澤，水分，整碎程度這幾樣影響茶葉品質的因素，對茶葉進行評估的評估分；

5)τ_ij(t)表示t時刻子區間I_ij上的信息量，在初始時刻各子區間的信息量相等，設τ_ij(t)＝const；初始化各子區間的信息素增量τ_ij＝0，(i＝1…n，j＝1…m)；

6)位于區間I_ij的點向其鄰近區間I_kl進行轉移，假設I_ij和I_kl之間有一條虛擬的邊e(I_{i1 j1}，I_{i2 j2})，該邊的權重為|f(x_i1，y_j1)-f(x_i2，y_j2)|，即相鄰區間茶葉評估分差值的絕對值，則啟發函數η_i1j1i2j2＝|f(x_i1，y_j1)-f(x_i2，y_j2)|；

7)設點a_k當前處于區間I_ij，相鄰區間茶葉評估分的差值大于0，f(x_i2，y_j2)-f(x_i1，y_j1)＞0，點a_k就可以轉移到其鄰近區間；否則，點不向其轉移；設用allowed_k表示點a_k(k＝1，1)...(m，n)),下一步可以轉移的子區間的集合；

8)用表示第t次循環點a_k從子區間I_i1j1轉移到子區間I_i2j2的概率，點a_k的轉移概率如下：

9)如果點a_k依概率從子區間I_i1j1轉移到了子區間I_i2j2，那么點a_k就會在區間I_i2j2留下信息素，所留信息素的量用表示，則

10)所有轉移到區間I_i2j2的點都要留下相應的信息素，假設在第t次循環，有q個點轉移到了區間I_i2j2，記這q個點在區間I_i2j2的信息素總和為Δτ_i2j2(t)則所有點完成一次鄰近區間轉移后，要對信息素進行更新處理；區間I_i2j2的信息量I_i2j2更新為τ_i2j2(t+1)＝(1-ρ)τ_i2j2(t)+Δτ_i2j2(t)

11)茶葉評估分較大的區間含有的信息素會較多，更容易吸引點向其轉移；在新的區間根據區間的I_ij中點位置(x_i1，y_j1)，控制電熱絲和電機分別以該位置所對應的溫度和電機轉速對茶葉進行加工，進行循環；當所有點都停止轉移的時候，蟻群分布就會出現這樣的特點：所有點都分布在評估分較大的區間，而其他區間則沒有點，即含有點的區間包含評估分極大值點；取出這些包含點的區間，并將這些區間重新細化，在下一次循環時，讓蟻群在這些區間重新搜索評估分極大值點；如此循環下去，蟻群的搜索范圍就會越來越小，當細化后的區間足夠小的時候，所有點就會停留在評估分極值點附近，點所停留的區間的中點位置就是評估分極值點的位置；該評估分極值點對應的坐標即為最佳電熱絲加熱溫度和電機轉速；

12)固定并調整萬向磁力表座上激光探頭在豎直位置上的高度；

13)通過調整加熱絲，調節炒鍋的溫度，使得炒鍋處于合適的溫度區間；

14)啟動電機，帶動曲柄搖桿機構，進而控制炒板做往復擺動，翻炒茶葉；當一個激光探頭因茶葉翻炒而被遮擋，而與之相鄰的上方探頭沒有被遮擋住時，檢測茶葉翻炒時的高度在這兩個探頭高度之間和力矩傳感器的值，進而控制電機轉速；

15)通過力矩傳感器測得值控制控制電機轉速，以保證茶葉所受力矩恒定不變，根據算法得出的電機轉速和電熱絲加熱溫度之間的關系，調整電熱絲加熱溫度，茶葉在被翻炒過程中，茶葉中的水分受熱蒸發，在恒定力矩的作用下，茶葉每次騰空高度增加；直至茶葉高度穩定在第二探頭和第三探頭之間；

16)改變茶葉所受力矩設定值，并通過力矩傳感器控制電機轉速，茶葉中的水分進一步受熱大量蒸發，在恒定力矩的作用下，茶葉每次騰空高度增加；直至茶葉高度穩定在第一探頭和第二探頭之間；

17)由于茶葉丟失大量水分，空氣阻力對茶葉騰空高度的影響程度加大,通過激光探頭返回值，控制電機轉速，使得茶葉翻炒騰空高度保持穩定，根據算法得出的電機轉速和電熱絲加熱溫度之間的關系，調整電熱絲加熱溫度，并讀取該轉速下扭矩傳感器的中的數值，當該值達到預設扭矩值時，關閉電機和電熱絲，加工完成。