[发明专利]一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮系统及方法

权利要求书

1.一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮系统，其特征在于，包括咖啡机本体、控制器、传感器、执行器和用户交互单元；

所述传感器包括称重模块、热电阻传感器、热电偶传感器和压力表；所述称重模块用于测量从咖啡机流出的咖啡液的重量；所述热电阻传感器用于测量咖啡机的锅炉温度；所述热电偶传感器用于测量咖啡机出口的咖啡液温度；所述压力表用于测量咖啡机的振动泵出口压力；

所述执行器包括固态继电器和降压模块；所述固态继电器用于通断加热丝，以控制锅炉的加热功率；所述降压模块用于控制振动泵的功率，以调节冲煮压力；

所述控制器通过基于模型的前馈反馈控制，驱动固态继电器和降压模块，按照用户设定的咖啡冲煮模式调控冲煮温度、压力和流量曲线；所述控制器通过测试建模和仿真方法求出控制器参数；

所述测试建模包括测量锅炉传递函数和泵的控制特性；将锅炉视为二入一出的环节，以流量和加热功率为输入，以锅炉温度变化率为输出，通过系统辨识实验得到锅炉传递函数模型；使用不同厚度的粉饼作为恒定流阻，测量在正常流量范围内，不同泵功率下流量与压力的关系，得到泵的控制特性曲线；

使用仿真方法取得前馈反馈控制器设计的初始参数，再结合咖啡机实物进行参数微调；使用锅炉传递函数模型的静态增益设计温度控制的静态前馈环节，使用泵的控制特性曲线确定压力控制的前馈量；以一次真实数据为基础，使用测试模型求取控制器输出变化量导致的温度变化量，叠加得到仿真输出；

所述用户交互单元用于用户设定咖啡冲煮模式和显示测量值曲线；用户可以选择初始冲煮温度、温度梯度模式和压力模式，以及是否对大流量进行干预，设置符合自己需求的冲煮参数。

2.根据权利要求1所述的一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮系统，其特征在于，所述称重模块固定在咖啡出口处，对盛有咖啡的杯子称重，和空咖啡杯重量相减得到咖啡重量；通过咖啡重量信息换算得到咖啡体积；对咖啡体积前后两时刻的测量值进行差分运算得到咖啡流量；所述热电阻传感器用于测量锅炉温度，将热电阻安装到锅炉上时，采用导热胶，并尽可能贴近锅炉；热电阻的外壳应尽量小以减少温度测量滞后；所述热电偶传感器用于测量咖啡机出口的咖啡液温度，热电偶的外壳应尽量小以减少温度测量滞后，且外壳应满足食品卫生要求；所述压力表用于测量咖啡机的振动泵出口压力，应具有数字远传功能，连接压力表的管路应具有承压功能。

3.根据权利要求1所述的一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮系统，其特征在于，所述锅炉传递函数的获取具体包括：

在进行辨识实验前，先确定系统大致的时间常数；将一个周期为200秒、幅值为20％的加热功率方波信号输入到系统中，记录温度变化情况，求取系统阶跃响应过渡时间T；

将两路输入分别进行辨识，辨识一路输入到输出的关系时，另一路输入保持恒定；在辨识加热功率到温度变化率的传递函数时，使用一个经过充分萃取的粉饼作为恒定流阻，以保持流量恒定；

辨识实验输入信号采用周期方波信号，信号周期大于2T，信号幅值为20％，信号时间长度为25分钟；

考虑ARX模型作为系统模型，并采用最小二乘法来辨识系统模型，进行模型辨识前先对测量值进行低通滤波和去均值化处理；确定模型阶次和纯滞后阶次得到系统的传递函数。

4.根据权利要求1所述的一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮系统，其特征在于，所述控制器检测到当前流量超过流量上限时，表明冲煮出现重大失误，控制器放弃压力设定值控制，切换到流量超驰控制状态，流量超驰控制采用PI控制器，将流量降低至流量上限以下。

5.根据权利要求1所述的一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮系统，其特征在于，通过温度控制，可以实现升温冲煮、恒温冲煮和降温冲煮，温度控制采用静态前馈加PID反馈的控制方法，针对流量和温度变化率设定值进行前馈；通过压力控制，可以实现不同压力模式的冲煮，压力控制采用静态前馈加PI反馈的控制方法，针对压力设定值进行前馈。