一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮系统及方法与流程

本发明属于咖啡机技术领域，尤其涉及一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮系统及方法。

背景技术：

意式浓缩咖啡是一种高压萃取的咖啡。热水在9bar左右的压力下流过经烘焙研磨的咖啡，通过机械冲刷和溶解作用，将咖啡粉中的物质冲煮到热水中，形成浓缩咖啡饮品。

意式咖啡机经过近一个世纪的不断完善，制作工艺和机械设计已经十分成熟。咖啡机一般包括水箱、锅炉、泵、冲煮头、粉碗等部分。水箱中的冷水在泵的作用下抽取到锅炉中，进行加热。咖啡机工作时，泵开启，锅炉中的热水在泵的驱动作用下流出锅炉，到达冲煮头。在冲煮头处，热水流经分水器变成均匀的数股细小水流，流经装在粉碗中的咖啡粉饼。锅炉处一般装有泄压阀，当管路压力大于额定压力时，泄压阀打开，使管路维持恒压。家用咖啡机一般体积较小，采用振动泵，配置小型储水锅炉或速热锅炉。

单片机程控系统在咖啡机上得到广泛使用，并有智能化的发展趋势，体现在冲煮监测、精准控制和品质优化等智能功能的出现和发展。咖啡机参数如温度、压力、咖啡液体积、锅炉液位等得到监测，高端咖啡机、大型咖啡机中温度和压力还得到了PID闭环控制。

咖啡品质对于温度和压力等冲煮参数十分敏感，温度通过影响咖啡中各种物质的溶解性和分子动能而对咖啡风味产生影响，压力通过影响冲刷力对咖啡风味产生影响。家用咖啡机一般配置小型锅炉或速热锅炉，由于热容小，锅炉温度在冲煮过程中的波动很大。目前已有一些针对锅炉温度控制的温控模块，主要采用简单的PID反馈控制器，对于冲煮阶段温度控制精度低。

咖啡的苦味、酸味、浓度等口味指标在不同的冲煮参数下能产生巨大不同，而用户的口味偏好也并不统一，没有公认的意式咖啡的完美口味指标。在冲煮种类不同、颗粒大小不同的咖啡时，用户希望达到的口味效果也不一定相同。家用意式咖啡机的冲煮流程固定，无法满足广大消费者定制冲煮意式咖啡的多样需求。

因此通过建立咖啡机锅炉的数学模型，设计前馈反馈控制器可以提升控制效果，并在此基础上使得用户定制冲煮成为可能。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明对家用小锅炉意式咖啡机和即热锅炉意式咖啡机实施冲煮控制，从而实现定制冲煮。本发明系统包括咖啡机本体、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双向整流降压模块；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离散传递函数模型；泵的控制特性是指流量、压力与控制器输出(降压模块的输入)之间的关系；由于流量控制是通过降低泵的工作电压实现的，为了方便，可以认为控制器输出与泵的功率成正比；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；

为减轻前馈反馈控制器设计的调参难度，使用仿真的方法取得初始参数，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；可通过控制器仿真设计求取反馈控制器的参数值；

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。

进一步地，所述称重模块固定在咖啡出口处，如可选取量程为1kg的悬臂平行梁称重传感器，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；由于咖啡密度与水比较接近，且基本固定，通过咖啡重量信息可以换算得到咖啡体积；对咖啡体积前后两时刻的测量值进行差分运算可以得到咖啡流量；

所述热电阻传感器可以用于测量锅炉温度，精度较高，一般能达到0.1℃，便于应用于温度控制；将热电阻安装到锅炉上时，为加大接触面积，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；为与控制器相连，热电阻一般需要搭配变送模块；

所述热电偶传感器用于测量咖啡机出口的咖啡液温度，热响应速度快；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；为与控制器相连，热电偶一般需要搭配变送模块；

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；对于一般的9bar咖啡机，压力表量程可选为0-1.6MPA；安装压力表时需注意咖啡机水泵的振动问题，连接压力表的管路应具有承压功能。

所述固态继电器进行温度控制的优势是，便于单片机驱动，执行器为线性环节；固态继电器一般为晶闸管电路，因此应注意输入信号的切换频率不能过高，对于一般的咖啡机温度控制，可选取的控制频率是2Hz；对于一般的家用咖啡机振动泵功率调节，必须采用双向整流降压模块，以驱动水泵才能正常工作。

进一步地，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；

为简化辨识实验，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，可以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，信号的幅值约20％，信号时间长度约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；选取合适的模型阶次和纯滞后阶次得到系统的传递函数。

进一步地，所述控制器检测到当前流量超过流量上限时，表明此次冲煮粉放得太少、研磨太粗或者出现压粉缺陷，冲煮出现重大失误；为尽量使得咖啡更加浓厚，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。

进一步地，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。

进一步地，所述初始冲煮温度的设置范围是90至110℃，温度梯度模式包括降温冲煮、恒温冲煮和升温冲煮，根据用户设定的模式，生成控制器的设定值曲线，实现定制冲煮；降温冲煮时，温度变化率控制器设定值为-0.15℃/s；恒温冲煮时，温度变化率控制器设定值为0℃/s；升温冲煮时，温度变化率控制器设定值为0.15℃/s；对于常见的9bar家用咖啡机，用户选择的压力模式包括9bar、8bar和7bar；当用户选择9bar冲煮时，咖啡机的泵满功率工作；当用户选择8bar冲煮时，压力在冲煮咖啡时进行设定值为8bar的设定值控制；当用户选择7bar冲煮时，咖啡机泵以一个较低的功率工作；当用户选择对大流量进行干预，且由于磨粉过粗、放粉过少或压粉失误等原因，流量测量值超过上限时，控制器进入流量超驰控制状态，将流量降低至流量上限以下。

进一步地，所述控制器通过蓝牙或无线方式与用户交互单元进行通讯；用户交互单元除了包括用于设置初始冲煮温度，温度梯度模式和压力模式，以及是否对大流量进行干预的选择按钮，还包括设置咖啡冲煮体积、流量上限的可编辑文本框，以及用于显示当前锅炉温度、出口温度、冲煮流量、冲煮压力、咖啡体积实时曲线的绘图区，以便用户了解冲煮动态。

一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮方法，该包括以下步骤：

烧水阶段控制：控制器接到开始制作咖啡的指令后，进行烧水阶段温度控制，使得锅炉温度达到设定好的初始冲煮温度，并保持一段时间的稳定，以使得热水温度达到均一，并防止温度的暂态变化对冲煮阶段温度控制造成干扰；当温度在设定值附近保持一段时间的稳定后进入冲煮阶段；

冲煮阶段控制：包括锅炉温度变化率和压力的设定值控制；根据用户设定的模式确定温度变化率设定值和压力设定值；驱动固态继电器和降压模块，调控冲煮温度和压力；

当冲煮出的咖啡体积达到设定值时，一杯咖啡制作完成，停止冲煮。

进一步地，在冲煮阶段控制前，根据用户设定判断是否需要预浸，预浸的方式是打开出口阀门，关闭泵，让管道中残余的热水在不加压的情况下流入粉饼，将粉饼浸湿，使其膨胀并变得更耐冲击；预浸完毕后，泵开启，开始冲煮阶段控制。

进一步地，用户设置了对大流量进行干预时，当控制器检测到当前流量超过流量上限时，表明此次冲煮粉放得太少、研磨太粗或者出现压粉缺陷，冲煮出现重大失误；为尽量使得咖啡更加浓厚，控制器应放弃压力设定值控制，切换到流量超驰控制状态，将流量降低至流量上限以下。

本发明的有益效果是：在普通咖啡机的基础上搭建控制器、传感器、执行器和用户交互单元，构成定制冲煮系统；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；控制器通过测试建模和仿真方法求出控制器参数；通过建立咖啡机锅炉的数学模型，设计前馈反馈控制器可以提升控制效果；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；本发明在一般咖啡机程控的基础上，通过冲煮过程参数控制，改善浓缩咖啡冲煮品质，使得用户可以自行调整口感，以满足定制冲煮的需求。

附图说明

图1为定制冲煮的实施步骤；

图2为控制器的控制策略；

图3为定制冲煮案例。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和实施例对本发明具体实施步骤作进一步的描述。

本发明具体实施可以分为测控系统搭建、系统测试建模、仿真调参和用户交互单元设计四个部分，如图1所示。

第一部分为测控系统搭建。测控系统由传感器和执行器组成；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双向整流降压模块；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；

所述称重模块固定在咖啡出口处，如可选取量程为1kg的悬臂平行梁称重传感器，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；由于咖啡密度与水比较接近，且基本固定，通过咖啡重量信息可以换算得到咖啡体积；对咖啡体积前后两时刻的测量值进行差分运算可以得到咖啡流量；

所述热电阻传感器可以用于测量锅炉温度，精度较高，一般能达到0.1℃，便于应用于温度控制；将热电阻安装到锅炉上时，为加大接触面积，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；为与控制器相连，热电阻一般需要搭配变送模块；

所述热电偶传感器用于测量咖啡机出口的咖啡液温度，热响应速度快；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；为与控制器相连，热电偶一般需要搭配变送模块；

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；对于一般的9bar咖啡机，压力表量程可选为0-1.6MPA；安装压力表时需注意咖啡机水泵的振动问题，连接压力表的管路应具有承压功能。

所述固态继电器进行温度控制的优势是，便于单片机驱动，执行器为线性环节；固态继电器一般为晶闸管电路，因此应注意输入信号的切换频率不能过高，对于一般的咖啡机温度控制，可选取的控制频率是2Hz；对于一般的家用咖啡机振动泵功率调节，必须采用双向整流降压模块，以驱动水泵才能正常工作。

第二部分为系统测试建模，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离散传递函数模型；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；为简化辨识实验，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，可以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，信号的幅值约20％，信号时间长度约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；选取合适的模型阶次和纯滞后阶次得到系统的传递函数。

泵的控制特性是指流量、压力与控制器输出(降压模块的输入)之间的关系；由于流量控制是通过降低泵的工作电压实现的，为了方便，可以认为控制器输出与泵的功率成正比；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。

第三部分为仿真调参。为减轻前馈反馈控制器设计的调参难度，使用仿真的方法取得初始参数，再结合咖啡机实物进行参数微调。

如图2所示，在一杯咖啡制作的过程中，控制器的行为分为以下阶段：接到开始制作咖啡的指令后，首先进行烧水阶段控制，使得锅炉温度达到设定好的初始冲煮温度，并保持一段时间的稳定，以使得热水温度达到均一，并防止温度的暂态变化对冲煮阶段温度控制造成干扰。当温度在设定值附近保持一段时间的稳定后进入冲煮阶段。首先根据用户设定判断是否需要预浸。预浸的方式是打开出口阀门，关闭泵，让管道中残余的热水在不加压的情况下流入粉饼，将粉饼浸湿，使其膨胀并变得更耐冲击。预浸完毕后，泵开启，开始冲煮阶段控制，主要包括锅炉温度变化率和压力的设定值控制。根据用户设定的模式确定温度变化率设定值和压力设定值。如果用户设置了对大流量的补偿功能，当控制器检测到当前流量超过流量上限时，表明此次冲煮粉放得太少、研磨太粗或者出现压粉缺陷，冲煮出现重大失误。为尽量使得咖啡更加浓厚，控制器应放弃压力设定值控制，切换到流量超驰控制状态。当冲煮出的咖啡体积达到设定值时，一杯咖啡制作完成，停止冲煮。为了实现自动化冲煮，控制器应接管泵、出口阀等的开关。

温度、压力、流量测量值先进行低通滤波，然后再应用于控制算法，计算控制器输出。烧水阶段温度控制的设定值由用户指定的初始冲煮温度指定，作用是使得锅炉热水达到预定温度再开始冲煮咖啡。通过温度变化率的设定值控制，可以实现升温冲煮、恒温冲煮和降温冲煮，温度变化率的设定值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。通过压力的设定值控制，可以实现不同压力模式的冲煮，压力的设定值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。流量超驰控制采用PI控制器。控制器输出为前馈量与反馈量之和。其中，反馈部分只在被控参数已经达到平稳的情况下才起作用，防止咖啡机冲煮阶段初期被控参数剧烈变化干扰控制器运行。控制器的反馈部分采用位置式PID，并在大误差或积分作用过强时进行积分切除。

通过测试建模求取的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，通过控制器仿真设计求取PID反馈控制器的参数值。仿真调参时，以一次真实温度数据为基础，每个控制周期中，先读取真实温度测量值，然后根据辨识得到的加热通道传递函数模型求出由控制器输出变化量导致的温度变化量，将两者相加得到仿真时的温度测量值，用于计算控制器输出，如此周而复始。

使用泵的控制特性确定压力控制的前馈量。根据咖啡机测试建模测得的泵的控制特性曲线，当流量固定为理想流量时，流量控制器输出与压力大致上成线性关系，可以根据这一关系设计压力控制的前馈量。压力控制的PI反馈控制器设计比较简单，采用较弱的比例和积分作用就可以达到控制目标。调试PI控制器时，应防止控制器输出振荡对粉饼造成冲击。

第四部分为用户交互单元设计，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，以设置定制冲煮的需求并监测实际控制效果。

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，初始冲煮温度的设置范围是90至110℃，温度梯度模式包括降温冲煮、恒温冲煮和升温冲煮。根据用户设定的模式，生成控制器的设定值曲线，实现定制冲煮。降温冲煮时，温度变化率控制器设定值为-0.15℃/s；恒温冲煮时，温度变化率控制器设定值为0℃/s；升温冲煮时，温度变化率控制器设定值为0.15℃/s。对于常见的9bar家用咖啡机，用户选择的压力模式包括9bar，8bar和7bar。当用户选择9bar冲煮时，咖啡机的泵满功率工作；当用户选择8bar冲煮时，压力在冲煮咖啡时进行设定值为8bar的设定值控制；当用户选择7bar冲煮时，咖啡机泵以一个较低的功率工作。当用户选择对大流量进行干预，且由于磨粉过粗、放粉过少或压粉失误等原因，流量测量值超过上限时，控制器进入流量超驰控制状态，将流量降低至流量上限以下。

用户交互单元可以用手机APP等形式制作，控制器通过蓝牙或无线方式与用户交互单元进行通讯。用户交互单元除了包括用于设置初始冲煮温度，温度梯度模式和压力模式，以及是否对大流量进行干预的选择按钮，还包括设置咖啡冲煮体积、流量上限等的可编辑文本框，以及用于显示当前锅炉温度、出口温度、冲煮流量、冲煮压力、咖啡体积实时曲线的绘图区，以便用户了解冲煮动态。

图3为一次定制冲煮案例，通过设置温度模式，可以控制锅炉温度不变、上升、下降，并对酸味、口味、浓度等品质指标产生影响。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。