[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

说明书

本发明公开了一种适用于家用意式咖啡机的定制冲煮系统及方法，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；传感器包括称重模块、热电阻、热电偶、压力表；执行器包括固态继电器和降压模块；用户交互单元用于用户设定咖啡冲煮模式，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；控制器通过基于模型的前馈反馈控制，驱动执行器，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；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。

技术领域

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。

发明内容

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；