一种接触式宽温域高精度高安全性炒菜机温控系统的实现方法

一种接触式宽温域高精度高安全性炒菜机温控系统的实现 方法

【技术领域】 本专利涉及自动控制理论、数字电子技术、模拟电子技术、微积分原理等技术领域。

【背景技术】

随着工业技术的发展，温度控制系统广泛地应用于社会的各个领域，比如家庭智能设备、汽车制造，材料制造等等。根据不同的应用场合和性能指标，市场上的温控系统也有所差别，但是，不管是在哪一个场合，温控系统的宽温域、高精确度、高安全性是各个厂家们设计研发温控系统的目标，也是温控系统必备的要求与特性。

人类社会逐步走向智能化，一种宽温域高精度高安全性温控系统在智能设备中越来越重要。比如，一款帮助人类炒菜的智能炒菜机。为了满足人类对食物口感的刁钻要求以及产品要求，一款优秀的智能炒菜机需要解决以下几个难点：

1.烹饪过程中智能炒菜机必须严格控制每个炒菜步骤的锅内温度。温度控制保证中餐烹饪的质量的基础。

2.常见测温的方式有：红外测温，接触式NTC测温等等。红外测温是最为准确的，它监测温度范围广，精确度高。但是，由于厨房环境比较复杂，有些水、油和菜等杂质容易粘到红外探头上，这将导致测出来的温度存在极大的偏差，无法保证采集的准确性和安全性。因此，智能炒菜机基本不使用红外测温，而是使用接触式NTC测温。NTC测温存在测量温域短、高精度范围短以及响应速度慢的缺点，在使用NTC探测温度时，智能炒菜机必须克服NTC以上缺点。

3.中餐丰富多样，烹饪方式多样化，要求的温域广。而食用油燃点大约在220°～260°左右，在高温爆炒时，需要把锅里油的温度烧得很高，这很容易引发起火的安全隐患。在现在市场上的智能炒菜机，为了避免着火问题，把可加热温度范围限制在食用油燃点以下，无法保证部分菜谱的高质量烹饪。为了烹饪机器人菜品质量，智能炒菜机必须解决高温爆炒与食用油燃点两者间的矛盾，高温安全爆炒。

基于上述情况，本专利提出了一种接触式宽温域高精度高安全性炒菜机温控系统的实现方法，该方法是为了解决现有技术方案的不足，提升烹饪机器人炒菜品质。

【专利内容】 本专利的目的在于克服现有智能炒菜机温控系统的缺点与不足，提供了一种接触式宽温域高精度高安全性炒菜机温控系统的实现方法。本专利的实现方法主要是通过多点多路采集，保证高精确度的前提下实现宽温域。根据能量守恒定律，炒菜机热量计算公式为：Q加热 - Q散热= P电磁炉 * ∆t - Q散热= C 锅* m锅 * ∆T + C食材* m食材* ∆T。通过炒菜机热量计算公式可知，锅的升温速率与锅中食材的重量、比热容以及炒菜过程的散热有关，这是离散的，无法统一线性处理。因此，采用无限分割近似线性法的方法，在炒菜机加热过程中，通过检查每一小段固定时间内温度上升数据，预测出加热是否存在安全隐患，提前预防处理可能发生的起火等问题。

本专利通过下面的技术方案来实现的，其重点在于如何保证炒菜机精确读取锅内温度、如何实现宽温域以及在高温爆炒时如何保证温控系统的安全性。

具体的技术方案如下:

（1）. 热敏电阻的选择：热敏电阻按照温度系数的不同可分为两种，一种是随温度越高电阻阻值越大的正温度系数热敏电阻（PTC）,另一种是随温度越高阻值越大的负温度系数热敏电阻（NTC）。基于这些特性，NTC温敏电阻广泛应用于温控系统中，它的成本低，且不受水、油、烟的影响。除此之外，NTC对温度的反应速度也很重要。NTC用来测温时，选择耐高温、反应速度快、精确度高的NTC。

（2）导热材料的选择：NTC与被测物体锅底之间有导热片以及热导材料。为了能有效降低锅内温度与采样温度的温差，选择高导热材料以提高热传导效率。市场上的导热片有陶瓷、铝片等。不同材质的导热片，它的热传导率也不一样。在相同条件下，选取热传导率高的金属导热片。

（3）温度采集模型设计：多点采样，仲裁机制，排除异常情况，提升准确性。温度采集模型设计图请看图1，但是采集点数量不限于图片所示。

（4）炒菜机宽温域的实现：单点多路采样设计，让每一路温度传感器最灵敏的区间映射在有限的温度范围，通过多路温度范围叠加，保证精度同时扩大温域。硬件电路设计模型图请看图2。多点多路采样结果经过仲裁投票机制，实现宽温域下温度采集的可靠性，准确性。

（5）PID控制算法: 模糊自适应算法，根据菜谱下发的参数，分析菜谱的材料与重量，动态调整PID参数，保证各种菜谱烹饪过程，快，准，稳的控制温度，保证烹饪的口感。

a)增量式PID控制算法介绍：是通过对控制量的增量（本次控制量与上次控制量的差值）进行PID控制的一种控制算法。

b)增量式PID控制算法公式：

∆u(k) = u(k) - u(k-1)

= KP[e(k) - e(k-1)] + KIe(k) + KD[e(k) - 2e(k-1) + e(k-2)]

c)增量式PID控制算法的优点：

控制增量∆u的确定仅与最近3次的采样值有关；

具有记忆功能，故障影响较小，出故障时不会严重影响系统控制；

d)模糊自适应PID算法隶属度选择

三角形、梯形左、梯形右

e)模糊自适应PID算法反模糊化

三角形反模糊化处理、梯形左反模糊化处理、梯形右反模糊化处理

（6）高温爆炒时提高炒菜机温控系统安全性的技术方案：

a)根据热量计算公式，推算出炒菜机热量计算公式为：Q加热 - Q散热= P电磁炉 * ∆t -Q散热= C 锅* m锅 * ∆T + C食材* m食材* ∆T。通过这公式，可计算出炒菜机在加热时，一段固定时间内，锅理论上最高的升温速率。

b)通过炒菜机热量计算公式可知，锅的升温速率与锅中食材的重量、比热容以及炒菜过程的散热有关，这是离散的，无法统一线性处理。因此，采用无限分割近似线性法的方法，在炒菜机加热过程中，通过检查每一小段固定时间内温度上升数据，预测出加热是否存在安全隐患，提前预防处理可能发生的起火等问题。

c)炒菜机安全加热实体模型如图3所示。图3的曲线引用无限分割近似线性法的思想，把整个加热过程的能量状态以一段一段时间线性分割。炒菜机的散热能量是不规则的，离散的，它的散热能量曲线如图3中的Q散热所示。炒菜机加热时，加热能量是变化的，如果锅的热能低温度小，在高温爆炒时，炒菜机温控系统首先控制电磁炉用最大的功率加热，保证升温时间短，如图3中Q加热曲线最陡的部分。其次，当实际温度快要达到目标温度之前，PID控制器动态调整PID参数，降低加热功率，加长一点加热时间，这样可降低锅内温度与锅底温度的温差，尽可能保证锅内温度与实际读取温度的一致性，如图3中Q加热曲线逐步平缓部分。

d)在高温爆炒时，炒菜机根据菜谱下发的参数，分析厨师的火力意图，动态调整PID参数。这样即可在兼顾升温速率时，绝对保证炒菜机温控系统的安全性。

e)根据热量公式，菜谱参数，实时预测分析升温速率，排除烹饪过程中安全隐患。

【附图说明】 图1：温度采集模型设计图

图2：NTC硬件电流设计模型图

图3：炒菜机安全加热实体模型图

图4：金属导热片-铝片

图5：两个NTC- PM3-342-F2

图6：PM3-342-F2部分参数

图7：智能炒菜机温控系统总体框架

【具体实施方式】

下面结合具体的实施案例及附图对本专利作进一步详细的描述，但本专利的实施方式不限于以下的实现方式、方法。

一种接触式宽温域高精度高安全性炒菜机温控系统的实施案例 本实施案例公开了一种接触式宽温域高精度高安全性炒菜机温控系统实现的方法，技术方案的重点在于如何提高温控系统采样温度的精度、实现宽温域以及提高温控系统的安全性。

案例主要设计如下:

（1） 智能炒菜机温控系统的主要硬件设计

a.导热片：使用铝片作为与锅接触的导热片，详情请见图4。

b.NTC热敏电阻：选择来自日本的耐高温响应速度快高精度NTC热敏电阻PM3-342-F2，这款NTC的实物图请见图5，部分参数请见图6。从图6可看出，这款NTC探测温度的范围为-50°-300°。

（2） 智能炒菜机温控系统的NTC采样电路设计

a.如图1所示，多点采样

b.如图2所示，单点多路采样

（3） 智能炒菜机温控系统的软件系统框架

a.系统框架图请见图7。

【专利摘要】

本专利提供了一种接触式宽温域高精度高安全性炒菜机温控系统的实现方法，该方法的重点在于如何提高温控系统采样温度的精度、实现宽温域以及提高温控系统的安全性。该实现方法主要包括以下几点技术方案：1. 使用高导热材料来提高热传导率；2. 多点多路温度采集，投票仲裁，实现高温域，高精度，高安全性的温度采集；3. 基于自动控制原理，使用多组PID参数模糊自适应PID算法，提高温控系统的控制精度；4. 增加安全检测逻辑，引用无限分割近似线性法的思想，实时预测可能存在的安全隐患，提高温控系统的安全性。解决了现有炒菜机，温域，精度，安全性之间矛盾，保证安全的同时，极大提升了中餐烹饪的口感。

【专利说明】

一种接触式宽温域高精度高安全性炒菜机温控系统的实现方法