粘性半流体食品分配机及控制食品特性的控制系统和方法与流程

本发明涉及一种用于控制粘性半流体食品特性的控制系统和方法以及具有该控制系统的粘性半流体食品分配机。

背景技术：

随着经济发展和人们生活水平的不断提高，对酸奶或冰淇淋的消费量越来越大，市场对酸奶机或冰淇淋机等冷冻食品分配机的需求在逐年增加，因此，食品分配机的控制性能的可靠性直接决定了产品的市场生存能力和竞争能力。以冰淇淋分配机为例，膨化率为冰淇淋产品特性的重要指征之一，对冰淇淋的品质和口感具有很大的影响。在冰淇淋产品的零售过程中，需要将冰淇淋分配机冷冻缸内冰淇淋原料的温度控制在恒定的温度，同时需要控制搅拌器以恒定的速度来进行搅拌，以将膨化率保持在恒定的水平并因此保持口感的一致性。在时不时进行分配的过程中，如果搅拌速度不够，原料不能充分拌和，空气混入不均匀，搅拌转速太快，空气不易混入。如果冷冻缸内温度过度升高，冰淇淋原料可能部分融化；而如果冷冻缸内温度过度降低，冰淇淋原料可能会硬化而导致搅拌困难，这些情形都会影响冰淇淋产品膨化效果，直接导致产品的口感和质量的下降。

目前市场上有多种用于控制冰淇淋机的产品特性的控制系统。大部分控制系统主要为温度控制型，即利用温度传感器测得的数据进行监测。其所应用的原理是通过将食品温度控制在一定的温度范围内来保持冰淇淋产品的性能的稳定。但是，该控制算法忽略了以下因素：1)确保温度的一致性并不足够精确至避免产品膨化率的降低；2)温度监测是间接监测，因此，机器的控制响应滞后性大；3)产品性能受环境因素影响较大，如环境温度、分配频率等因素的影响。

此外，中国实用新型cn201163974y公开了一种转速型控制软冰淇淋机，其中，控制系统包括有中央处理器、与中央处理器分别连接的led和lcd显示屏、操作面板、转速传感器、驱动电路，所述转速传感器安装在冰淇淋机的减速器的输出轴旁或电动机的输出轴旁。该实用新型所述的控制方法通过传感器检测搅拌电机因负载变化而产生的转速变化，再通过cpu来判定冰淇淋成型的软硬度。实践中，该实用新型所介绍的方法由于测量误差的存在而无法精准辨别冰淇淋成型的软硬度，因此，所述控制方法并不可靠。

中国实用新型cn201365492y公开了一种在线检测转速型控制软冰淇淋机，其中设有连接至中央处理器的空载转速采样选择开关。该实用新型所利用的控制原理是通过传感器检测冰淇淋搅拌电机因负载变化而产生的转速变化，将在线检测空载转速得到的空载转速值储存在芯片内，作为转速的起点值，再通过cpu来判定冰淇淋成型的软硬度。这种控制方法的缺点是：用于判定冰淇淋成型的软硬度的监测精度并不足以判断冰淇淋膨化率的变化。而且，相比于冰淇淋膨化率的变化，对于转速变化的监测本身具有滞后性，因此，该控制方法结果会导致冰淇淋产品性能的巨幅振荡，例如cpu的过度反应，从而难以保证所分配的产品质量的稳定性。

鉴于以上所述，本发明旨在克服上述问题中的一个或多个。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种用于粘性半流体食品分配机的控制方法，其使得能够精确可靠地控制食品的粘性，保持分配产品的特性(特别是与粘度有关的特性)保持一致性，而尽可能少地受到环境的影响。

本发明的目的通过基于这样的认识来实现：粘度随着食品温度的变化而变化，其能由电机输出轴或与食品接触的搅拌装置的转速的变化来直接指示。

根据本发明的一方面，提供一种用于粘性半流体冷冻食品分配机的控制方法，该分配机包括：构造用于搅拌食品的搅拌装置、构造用于带动搅拌装置转动的电机、构造用于对食品进行冷量输入的制冷装置、构造用于检测搅拌速度的转速传感器以及构造用于检测食品温度的温度传感器，所述控制方法包括如下步骤：

a)通过制冷装置对食品进行制冷；

b)将由温度传感器测得的食品温度与食品温度的目标预设值进行比较，当食品温度大于或等于目标预设值时，判定继续制冷，当食品温度低于目标预设值时，判定停止制冷并保持一预定停止时间；

c)当来自转速传感器的数据集合显示转速变化趋势符合预定干预条件时，通过相应调整目标预设值进行干预；

d)回到a)步骤进行下一循环。

本发明的控制算法采用实时监测的数据并且采用动态监测和自适应模糊控制技术，避免环境因素的影响。尤其是，针对指征粘性的转速参数的变化趋势进行分析监测，具有预警性，这将导致机器能够迅速和适当地做出进一步反应。

根据本发明的另一方面，提供一种用于粘性半流体热食品分配机的控制方法，该分配机包括：构造用于搅拌食品的搅拌装置、构造用于带动搅拌装置转动的电机、构造用于对食品进行热量输入的加热装置、构造用于检测搅拌速度的转速传感器以及构造用于检测食品温度的温度传感器，所述控制方法包括如下步骤：

a)通过加热装置对食品进行加热；

b)将由温度传感器测得的食品温度与食品温度的目标预设值进行比较，当食品温度小于或等于目标预设值时，判定继续加热，当食品温度大于目标预设值时，判定停止加热并保持一预定停止时间；

c)当来自转速传感器的数据集合显示转速变化趋势符合预定干预条件时，通过相应调整目标预设值进行干预；

d)回到a)步骤进行下一循环。

有利地，所述转速传感器测量电机输出轴的转速。传感器的位置与传感器测量精度密切相关。由于减速箱的存在，本发明中的最小可识别的阶梯差非常小。例如，在本发明的应用程序中，例如，减速箱的传动比是1:83.5，这意味着如果低速齿轮旋转1圈，高速齿轮转动83.5圈。考虑到最大可识别转速差小于30转/每分钟，根据本发明的控制方法，记录的数据更准确，机器更敏感，响应快速(控制精度可达到小于±2％的要求)。

有利地，步骤c)中的数据集合由连续多个循环周期的多个循环指标数据构成。

有利地，在由一个步骤a)和一个步骤b)所构成的一个循环周期期间将在制冷或加热持续时间期间所测得的转速数据平均，作为循环指标数据。

有利地，对于冷冻食品分配机，当多个循环指标数据按照循环周期的时间次序单调递增，且最大指标数据和最小指标数据之差大于预设差值时，将食品温度的目标预设值调低。对于热食品分配机，当多个循环指标数据按照循环周期的时间次序单调递增，且最大指标数据和最小指标数据之差大于预设差值时，将食品温度的目标预设值调高。

有利地，对于冷冻食品分配机，当多个循环指标数据按照循环周期的时间次序单调递减，且最大指标数据和最小指标数据之差大于预设差值时，将食品温度的目标预设值调高。对于热食品分配机，当多个循环指标数据按照循环周期的时间次序单调递减，且最大指标数据和最小指标数据之差大于预设差值时，将食品温度的目标预设值调低。

有利地，对食品温度的目标预设值的调节幅度为一恒定值。

根据本发明的另一方面，提供一种用于粘性半流体食品分配机的控制系统，该分配机包括构造用于搅拌食品的搅拌装置、构造用于带动搅拌装置转动的电机以及构造用于对食品进行冷量或热量输入的温度调节装置，所述控制系统包括主控模块和数据采集模块，该数据采集模块包括构造用于检测搅拌速度的转速传感器和构造用于检测食品温度的温度传感器，所述主控模块构造用于接收来自转速传感器和温度传感器的数据信号，并基于食品实际温度与食品温度的目标预设值的比较结果来控制温度调节装置的运行，同时对来自转速传感器的转速数据进行分析，当数据分析显示转速变化趋势符合预定干预条件时通过相应调整食品温度的目标预设值进行干预。

有利地，转速传感器安装在电机输出轴上。

在一实施例中，所述温度调节装置为制冷装置。优选地，该制冷装置为缸式蒸发器。有利地，该缸式蒸发器包含在具有压缩机的制冷回路中，所述主控模块基于食品实际温度与食品温度的目标预设值的比较结果控制压缩机的停机或运行。

在另一实施例中，所述温度调节装置为加热装置。优选地，所述加热装置为电加热盘管。

根据本发明的再一方面，提供一种粘性半流体食品分配机，包含具有上述的控制系统。所述分配机例如为冰淇淋分配机或冰沙分配机或奶昔分配机或热巧克力浆分配机。

根据本发明的控制系统和方法，综合考虑了间接指示产品粘性的产品温度参数和直接指示产品粘性(对于冰淇淋而言可用“膨化率”指征)的电机输出轴转速参数，并基于对这些参数的分析来预测产品性能的变化趋势并提前进行干预，克服了现有的温度型控制的滞后性以及转速型控制的误差大的缺陷，实现高度的自调节性，并且避免了分配机使用环境因素的影响，获得更精确的、更可靠的、更灵敏的控制特性。

附图说明

下文将参考附图进一步描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出根据本发明的分配机的概略性立体示意图；

图2示出分配机的部分内部部件，特别是搅拌装置和温度传感器。

图3示出根据图1的分配机的电机和减速箱的示意图，其中转速传感器安装在电机输出轴上或附近用以直接检测电机输出轴的转速；

图4示出安装在电机输出轴附近的转速传感器；

图5示出根据本发明的控制系统的控制模块示意图；

图6示出根据本发明的用于冷冻食品分配机的控制方法的控制流程图；以及

图7示出在通过根据本发明的控制方法进行的试验和在没有任何干预控制的条件下进行的试验之间的结果对比图。

具体实施方式

下面参照下面的例子来描述本发明。应认识到，所主张的发明并不意在由这些例子以任何方式进行限制。

参见图1，示出了用于制作和分配粘性半流体食品产品的分配机1。分配机包括用于容纳半流体食品原料的桶10，所述桶的内部空间中还设置有用于调节原料温度的温度调节装置(未示出)，例如构造成为缸式蒸发器的制冷装置和/或构造称为用于加热原料的电加热盘管的加热装置。此外，分配机还包括延伸到原料中以对原料进行搅拌的搅拌装置，例如设置在缸式蒸发器周围的优选为螺旋状的刮板。

所述分配机在前部还设置有用于控制产品的分配的操纵柄20，所述操纵柄被降低或受压以用于通过分配出口30进行产品分配。分配出口布置在分配机的前部区域的上方。在分配机的前部区域可以接收一定大小的容器(例如冰淇淋承筒或薄饼筒、杯子或其他顶部开口的类似容器)。操作者将容器放置在合适的位置以接收规定量的经分配出口挤出的产品，从而进行零售或消费。因此，终端消费者所购买的产品的入杯质量直接取决于分配机对食品原料的控制，也就是说，食品分配机的产品特性控制的稳定性、精确性和可靠性能够确保在任何时段、任何环境下所购买的产品的性能始终保持一致。

下面主要以冰淇淋分配机为例进行说明。

参照图1和图2，典型的冰淇淋分配机主要由原料桶10、布置在原料桶中的缸式蒸发器11、搅拌用刮板12和用于将原料向分配出口挤出的挤出机组成。通常冰淇淋分配机的使用环境温度为20℃至39℃。在此环境温度下冰淇淋原料容易融化。在大多数情况下用于调节冰淇淋原料温度的温度调节装置构造成为制冷装置以根据情况对原料进行冷量输入。缸式蒸发器，作为制冷回路的一部分，构造用于供制冷剂在其中流动蒸发吸热，用以带走原料桶中冰淇淋原料的热量，从而将冰淇淋原料保持在合适的温度。该制冷回路还包括有压缩机40、散热器、节流阀等部件。这些部件构成闭环回路，制冷剂在该闭环回路中循环流动。搅拌用刮板由电机50带动旋转。参见图3和图4所示，电机输出轴连接到减速箱60，通过减速箱，电机将输出转矩传递到安装有刮板的搅拌轴70上。

有利地，转速传感器80设置在电机输出轴上或附近，以用于监测电机输出轴的转速波动，这有利于放大辨析度。在冰淇淋分配机应用中，相应的是1％的辨析度(实际的区别30rpm/2700rpm)。事实上，随着环境的影响，实际电机输出轴转速在2200到2700转/每分钟之间变化，相对于该转速测量范围而言，现有转速传感器精度可以确保对转速波动幅度有足够高的辨析度。因此，通过对电机输出轴的转速的测量可直接高精度反映刮板的转速状态。

用于根据本发明的分配机的控制系统包括操作界面模块、数据采集模块、驱动电路模块以及主控模块。操作界面模块可包括产品识别器、确认按钮、清洗按钮等操作器件。数据采集模块包括用于确定原料桶或桶盖位置的传感器、测量环境温度的温度传感器、测量原料桶内原料温度的温度传感器13、测量电机输出轴转速和/或刮板转速的转速传感器80。驱动电路模块构造用于驱动执行元件例如温度调节装置或与其相连的部件(例如冰淇淋分配机的本实施例中的压缩机或制冷控制用电磁阀)、电机、报警器、桶盖锁定用电磁致动件等。所述主控模块包括印刷电路板和与印刷电路板进行数据交互的存储器。所述印刷电路板还可容纳主控制电路，例如微处理器电路，其可被编程以用于机器的功能性控制。

下面参照图6，以冰淇淋分配机为例进行实验并结合实验过程中执行的步骤对本发明的控制方法进行阐述。

用于测量原料桶内原料温度的温度传感器为热敏电阻类型，型号：10k3a1i，精度：-10～0度+/-0.5度；0～70度+/-0.1度。用于测量刮板转速的转速传感器为霍尔传感器，型号：s100_400_01-06，精度：0-3000转/分钟，+/-1转/分钟。每20分钟从机器分配产品以收集膨化率数据，之后倒回到产品缸内，每秒检测转速。其中，冰淇淋膨化率＝(容器容积-((产品及容器的质量-不带产品的容器质量)/冰淇淋密度))/((产品及容器的质量-不带产品的容器质量)/冰淇淋密度)。

首先，将4.7l大包装冷冻原料倒入根据本发明的分配机的原料桶中，打开分配机电源开关，启动控制程序，进入第一阶段(预稳定阶段)。此时，刮板不断搅拌以进行初步混合至均匀。预稳定状态的持续时间可作为预设变量tp设置在存储器中，tp例如等于2小时(tp可以从0-2小时中任意取值)。在预稳定状态期间，温度传感器和转速传感器不断向主控模块发送测量数据信号。主控模块对所接收到的数据进行分析，当电机输出轴的转速低于转速预设值ro(例如2200rpm，ro可以从1800-2300rpm中选取)或产品测量温度低于温度预设值ts0(例如-6.6℃，ts0可从-5.9℃到-7.0℃中选取)则判定产品性能已初步稳定。

当机器运转时间达到预设变量tp所设定的时间时，机器进入第二阶段(稳定阶段)。主控模块向压缩机发送启动指令，命令压缩机开始工作，促使制冷剂流动经过原料桶中的缸式蒸发器，对原料桶中的原料进行制冷。同时，连续记录产品温度和电机输出轴转速。主控模块将测得的产品温度与目标预设值ts(该实例中为-6.3℃)进行比较，当产品温度高于或等于目标预设值ts时，压缩机一直开机运行。当产品温度低于目标预设值ts，则向压缩机发送停机指令，压缩机停机并保持停机状态有固定时长t0(例如4分半钟)。同时连续记录电机输出轴的转速值。在实际测量中我们发现，电机输出轴转速周期性地变化：从压缩机启动时刻至压缩机停机时刻的第一时间段，电机输出轴的转速值以类似于正弦曲线的一部分的曲线形式从最大值maxindex降低至最小值minindex，而在压缩机停机状态维持有固定时长t0的第二时间段，电机输出轴的转速值以类似于正弦曲线的另一部分的曲线形式从最小值minindex向上升，第一时间段和第二时间段的和值可以看作是一个循环周期。在压缩机停机时间达到固定时长t0时，主控模块再次开启压缩机，进入下一个循环周期。在下一个循环周期，电机输出轴的转速值具有同样的变化规律。

为了获得对冰淇淋膨化率变化趋势的预测，主控模块对所采集和存储的数据进行处理和分析。具体数据处理方式如下：在每一个循环周期的第一时间段中的转速数据集合中抽取m个样本点(包括第一个转速最大值和最后一个转速最小值)，取所有样本点的算数平均值为该循环周期的指标mn(n代指自进入稳定阶段后得到的循环序号)。例如以循环15为例(该循环为第15个循环)，我们对maxindex到minindex之间的所有点取平均值，得到的均值为2668rpm，即m15＝2668rpm。继续监控转速数据并用同样的方法处理数据，获得连续多个循环周期(预设为连续i个循环,i取适当的整数，在该实施例中i＝6)的指标数据如循环15至20，对应的指标数据为2668,2660,2662,2670,2660,2672。

主控模块对这些指标数据进行存储并进行分析。当在某一时刻，出现连续i个循环的指标数据为以时间顺序单调递增的状态，且在这i个循环的指标数据中，最后一个循环的指标数据相对第一个循环的指标数据的增长幅度大于预设值v0(该实例中为10)，即预测冰淇淋膨化率即将于数小时(针对冰淇淋的应用，可设定为2小时)后降低。接着，主控模块判定应在进入下一个循环周期之前触发降温干预程序。以冰淇淋应用为实例，循环19至24的指标数据依次为2660,2667,2678,2679,2679,2680，后一个数据均大于或等于前一个数据，且最后一个指标数据2680比第一个指标数据2660高20，超过预设值v0。触发降温干预，将目标预设值ts下调一定值△t(该实例中△t为0.2℃)。也就是说，如果在循环19至24期间目标预设值ts例如为-6.3℃，而介入干预后，在第25个循环周期期间，目标预设值ts为-6.5℃。通过这种干预，结果可使压缩机运行时间延长，例如延长10％，以提供足够的制冷量进行降温。实际操作中，降温干预可连续多次触发，但目标预设值ts最低不能低于-7℃。一旦出现目标预设值ts低于-7℃，机器发出报警，以告知操作者可能存在有机器故障或其他潜在风险。

如果某一时刻，出现连续i个循环的指标数据为以时间顺序单调递减的状态，且在这i个循环的指标数据中最后一个数据相对第一个数据的降低幅度大于预设值vd(该实例中为10)，即预测冰淇淋膨化率即将于数小时(针对冰淇淋的应用，可设定为2小时)后升高，因此，主控模块判定应在进入下一个循环周期之前触发升温干预程序。以冰淇淋应用为实例，循环29至34的指标数据依次为2675,2672,2672,2663,2662,2659。后一个数据均大于或等于前一个数据，且最后一个数据2659比第一个数据2675低16，超过预设值vd。触发升温干预，即将目标预设值ts上调一定值△t(该实例中△t为0.2℃)。也就是说，如果在循环29至34期间目标预设值ts例如为-6.5℃，而介入干预后，在第35个循环周期期间，目标预设值ts为-6.3℃，由此可减少向原料桶内原料的冷量输入。实际操作中，升温干预可连续多次触发，但ts最高不高于-6℃。一旦出现目标预设值ts高于-6℃，机器发出报警，以告知操作者可能存在有机器故障或其他潜在风险。

基于上述控制算法，主控模块与控制系统的操作界面模块、数据采集模块、驱动电路模块进行通信(参见图5所示)。在机器的运行过程中，主控模块接收来自转速传感器和温度传感器的数据信号，并将由温度传感器实时监测的实际食品温度与预期目标温度进行比较，并基于比较结果控制温度调节装置的运行，与此同时，分析处理由转速传感器测得的数据并判断转速变化趋势是否符合干预条件，当转速变化趋势符合干预条件时，主控模块向温度调节装置发出相应干预指令以相应更新食品的目标预设温度，并基于由温度传感器实时监测的实际食品温度与调整后的预期目标温度的比较结果继续控制温度调节装置的运行。

有利地，主控模块还包括具有响应于机器异常而启动保护模式的保护控制模块。例如，当系统由于导致电机转速低于200rpm或产品温度低于-7.5℃而判定为异常时，保护控制模块命令机器停止工作而进入保护模式。

从上述控制流程可以看出，根据本发明的控制系统和控制方法综合考虑了间接指示产品粘度(对于冰淇淋而言，“粘度”可用“膨化率”指征)的产品温度参数和直接指示产品粘度的刮板(电机输出轴)转速参数，并基于对这些参数的分析来预测产品性能的变化趋势并提前触发干预，通过该干预，基于预测结果来相应调整目标预设值ts，进而控制对原料的热量/冷量输入以进行补偿抵消产品粘性的变化趋势，由此保持产品粘性的动态平衡，虽然实际产品温度在一定的限度内波动，但是，产品温度的波动幅度始终保持在可控的狭窄范围内，使得对于产品粘性(例如冰淇淋产品的膨化率)的影响可以忽略不计。此外，本发明的系统和方法能够适应于环境的影响、环境温度的变化、分配频率的变化等，使得始终保持产品处于稳定的物理状态，能够克服了现有的温度型控制的滞后性以及转速型控制的误差大的缺陷。

参照图7所示，在相同的环境下操作员以相同的频率分配冰淇淋产品，并通过膨化率的测量来监视产品的粘性。试验结果如下：当不存在干预时，随着测试的进行，膨化率变化，先上升到105％，然后下降到低于40％，此时，电机输出轴旋转速度的监测结果显示存在有显著的增加；相对比地，当采用本发明的控制方法进行干预时，当粘度趋于减小时主控模块触发降温干预，更多的冷量被施加到原料桶中的原料中以维持产品膨化率的稳定，此时，电机输出轴的转速变化幅度较小。实验对比发现，采用根据本发明的控制方法，可以保持冰淇淋产品温度至多±0.2℃的波动，因此产品温度保持在恒定水平，刮板的转速也不会存在太大的波动，进而可获得具有恒定膨化率的冰淇淋产品，机器因此具有更稳定的产品特点以及更好的入杯质量。

虽然上述控制方法中部分设置参数是基于冰淇淋产品的特性而定的，但是，本领域技术人员很容易想到对于其他粘性半流体冷冻食品例如冰沙、巧克力浆、奶昔等的食品分配机可以采用同样的控制逻辑进行控制，不同的是可能需要调整部分控制参数以适配于特定的食品产品特性。

根据本发明的控制系统和方法也适用于分配热流体的场合——其中需将粘性半流体食品保持在比环境温度(例如在冬季)高的温度下。以分配可饮用的热巧克力浆为例，其与用于冰淇淋分配机的控制方法相比，不同的是：1)主控模块构造成将由温度传感器测得的食品温度与食品温度的目标预设值进行比较，当食品温度小于等于目标预设值时，判定继续加热，当食品温度大于目标预设值，停止加热并保持一预定停止时间；2)主控模块构造成当多个循环指标数据按照循环周期的时间次序单调递增，且最大指标数据和最小指标数据之差大于预设差值时，将食品温度的目标预设值调高；3)当多个循环指标数据按照循环周期的时间次序单调递减，且最大指标数据和最小指标数据之差大于预设差值时，将食品温度的目标预设值调低。

此外，虽然在上述实施例中循环指标通过对转速取样点取算数平均值获得，但是其也可以通过其他数据处理方式例如几何平均法获得。

此外，虽然本发明实施例中通过响应于目标预设值的调整控制压缩机来调节对原料的冷量输入，但是，本领域技术人员容易理解，可以直接根据目标预设值的调整来重新设定压缩机的工作时长参数或者制冷剂流量参数来进行干预。在采取干预措施之后，相应地已被调整的目标预设值用作下一循环的重要阈值。

如在说明书中所使用的，词语“包括”、“包含”或类似词语并不以排他或穷尽的方式来解释。换句话说，它们意在解释为“包括但不限于”。

虽然本发明以例子的形式进行说明，但是应理解，可以在不偏离权利要求限定的本发明的范围的情况下对本发明做出多种改良和变型。此外，当存在有与具体特征相等同的已知等同特征时，该等同特征也被包含进来，像在该说明书中具体描述的那样。本说明书和示例仅应被视为示例性的，本发明的真实范围由所附权利要求以及等同方案限定。