CN115597296A - 冷冻装置的控制方法、控制系统和冷冻装置 - Google Patents

Abstract

一种冷冻装置的控制方法，包括：获取食品的温度与预设目标温度的温差，根据温差设定风机的初始转速并使风机以初始转速开始运行；获取食品的温差变化率，根据温差和温差变化率动态地调节风机的转速；判断食品的表面温度和内部温度是否均达到预设目标温度，若是，则使风机以最大转速保持运行，有利于缩短食品在冷冻过程中通过最大冰晶生成带的时间。

Description

冷冻装置的控制方法、控制系统和冷冻装置

技术领域

本发明涉及冷冻技术领域，具体涉及一种冷冻装置的控制方法、控制系统和冷冻装置。

背景技术

为了对食品进行保鲜，通常将食品放入冷冻装置中进行冷冻处理，使其温度达到冷冻保藏温度从而实现保鲜。在现有技术中，冷冻装置通常采用急速冷冻的方式对食品进行冷冻，但急速冷冻会使食品的表面温度和内部温度偏差较大，导致食品在冷冻过程中通过最大冰晶生成带(-1℃～-5℃)的时间较长，食品内部的冰晶生成数量较多，从而容易造成食品营养的流失。

因此，如何缩短食品在冷冻过程中通过最大冰晶生成带的时间是需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冷冻装置的控制方法、控制系统和冷冻装置，实现食品在冷冻过程中缩短通过最大冰晶生成带的时间。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式一种冷冻装置的控制方法，其中，所述方法包括：

获取食品的温度与预设目标温度的温差，根据所述温差设定风机的初始转速并使所述风机以所述初始转速开始运行；

获取食品的温差变化率，根据所述温差和所述温差变化率动态地调节所述风机的转速；

判断食品的表面温度和内部温度是否均达到所述预设目标温度，若是，则使所述风机以最大转速保持运行。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述“根据所述温差设定风机的初始转速并使所述风机以所述初始转速开始运行”具体包括：

建立多个温度范围，使所述风机根据每个温度范围对应预设有不同的所述初始转速；

判定所述温差所在的温度范围，使所述风机根据所述温差所在的温度范围设定所述初始转速；

所述风机以设定的所述初始转速开始运行。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述“判定所述温差所在的温度范围，使所述风机根据所述温差所在的温度范围设定所述初始转速”具体包括：

当所述温差所在的温度范围为所述温差＞+2℃时，设定所述初始转速为所述风机的最大转速的100％；

当所述温差所在的温度范围为+1.5℃＜所述温差≤+2℃时，设定所述初始转速为所述风机的最大转速的80％；

当所述温差所在的温度范围为+1℃＜所述温差≤+1.5℃时，设定所述初始转速为所述风机的最大转速的50％；

当所述温差所在的温度范围为+0.5℃＜所述温差≤+1℃时，设定所述初始转速为所述风机的最大转速的25％；

当所述温差所在的温度范围为0℃＜所述温差≤+0.5℃时，设定所述初始转速为所述风机的最大转速的15％。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述“根据所述温差和所述温差变化率动态地调节所述风机的转速”具体包括：

将所述温差和所述温差变化率作为输入变量，进行模糊化处理及模糊推理得到所述风机的转速调节量；

根据所述转速调节量调节所述风机的转速。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述“将所述温差和所述温差变化率作为输入变量，进行模糊化处理及模糊推理得到所述风机的转速调节量”具体包括：

将所述温差和所述温差变化率进行模糊化处理，得到温差模糊值和温差变化率模糊值；

建立模糊控制规则表，将所述温差模糊值和所述温差变化率模糊值作为输入变量，将转速调节量模糊值作为输出变量；

根据所述模糊控制规则表计算得到所述转速调节量模糊值；

将所述转速调节量模糊值解模糊化得到所述转速调节量。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述“根据所述温差设定风机的初始转速并使所述风机以所述初始转速开始运行”具体包括：

判断冷冻装置是否放入食品；

若是，则获取食品的温度与预设目标温度的温差△T，根据所述温差△T设定风机的初始转速并使所述风机以所述初始转速开始运行；

若否，则延时T时间，再次判断冷冻装置是否放入食品，并重复上述步骤。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述预设目标温度的值为-1℃。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供了一种冷冻装置的控制系统，其中，包括：

检测单元，用于获取食品的温度；

控制单元，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7中任一项所述的冷冻装置的控制方法的步骤。

为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供了一种冷冻装置，其中，包括制冷系统、风机以及如权利要求8所述的控制系统；所述制冷系统用于产生冷量，所述风机用于对食品输送所述冷量；

所述控制系统与所述风机控制连接，所述控制系统用于调整所述风机的转速。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述检测单元包括红外温度传感器，所述红外温度传感器能够检测食品的表面温度和内部温度。

与现有技术相比，本发明根据食品的温差和温差变化率动态地调整风机的转速，使食品在进入最大冰晶生成带之前其表面温度和内部温度达到平衡，随后使风机以最大转速运行，缩短了食品在冷冻过程中通过最大冰晶生成带的时间。

附图说明

图1是本发明一实施方式中冷冻装置的构成模块示意图；

图2是本发明一实施方式中冷冻装置的控制方法的流程示意图；

图3是本发明一实施方式中温差输入信号dDd隶属度函数图；

图4是本发明一实施方式中温差变化率输入信号dDD的隶属度函数图；

图5是本发明一实施方式中转速调节量△F的隶属度函数图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

大部分食品在冷冻过程中，其温度从-1℃降至-5℃时，食品中近80％的水分可冻结成冰，这个温度区间被称为最大冰晶生成带。由于大多数冰晶体都是在-1℃～-5℃之间形成，如果食品在冷冻过程中通过最大冰晶生成带的时间较长，食品表面到食品内部的中心部分容易形成大的针状冰晶，这种大的针状冰晶会破坏食品内部的细胞以及本身的构造，从而导致食品的营养成分降低或流失。反之，如果食品在冷冻过程中通过最大冰晶生成带的时间越短，其细胞内的冰晶生成数量就越少，对其细胞的破坏就越小，相应的其营养成分的流失就越小，就能最大程度的保持食品的新鲜，因此，食品通过最大冰晶体生成带的时间是影响食品质量的重要因素。

食品在冷冻过程中，会先从表面开始冷却，然后从内部开始冷却，最终使食品的中心部分达到完全冷冻，因此，如果食品在通过最大冰晶生成带之前其表面温度和内部温度相差较大，将会使食品较长时间停留在最大冰晶生成带，从而导致食品的品质下降。本发明提供一种冷冻装置的控制方法、控制系统和冷冻装置，通过动态地调整冷冻装置的制冷效果，从而控制食品的冷冻速度，使食品在进入最大冰晶生成带之前，其表面温度和内部温度达到平衡，随后再加速对食品的制冷，这样有利于缩短食品在冷冻过程中通过最大冰晶生成带的时间，最大限度的锁住食品的营养，保持食品新鲜。

结合图1，一种冷冻装置100，包括制冷系统1、风机2和控制系统3，其中，制冷系统1用于产生冷量，风机2用于对食品输送制冷系统1产生的冷量，控制系统3与风机2控制连接，控制系统3用于调整风机2的转速，这样有利于调整风机对食品输送的冷量，从而控制食品的冷冻速度。

具体地，制冷系统1包括压缩机、冷凝器、节流器和蒸发器，其中，压缩机做功将低温低压的气态制冷剂压缩成高温高压的气态制冷剂，高温高压的气态制冷剂经过冷凝器后变成中温高压的液态制冷剂，液态制冷剂再经过节流器进行节流后进入蒸发器中蒸发吸热从而产生冷量。

风机2能够使蒸发器周围的空气流动，使蒸发器产生的冷量形成冷风，风机2通过冷风将吹送给食品，从而使食品达到冷冻的目的。风机2可以通过调整转速来改变冷风的大小，从而改变食品的冷冻速度。

控制系统3包括检测单元31和控制单元32，其中，检测单元31与控制单元32连接，检测单元31用于获取食品的温度，控制单元32用于接收处理检测单元31获取到的温度，并将其转化为风机2的转速调节量的信息数据。具体的，控制单元32包括存储器321和处理器322，存储器321用于存储计算机程序，处理器322用于运行存储器321中存储的计算机程序。在一种实施方式，存储器321可以存储有根据温度计算温差和温差变化率的计算机程序，以及，根据温差和温差变化率计算风机2的转速调节量的计算机程序。控制单元32与风机2控制连接，控制单元32能够根据计算而得的风机2的转速调节量来调整风机2的转速。

在一种实施方式，检测单元31包括红外温度传感器，红外温度传感器能够检测食品的表面温度和内部温度。在其他实施方式，检测单元31也可以包括其他能实现同时检测食品的表面温度和内部温度的传感器，不再详细描述。

结合图2，一种冷冻装置100的控制方法，包括：

获取食品的温度与预设目标温度的温差，根据温差设定风机2的初始转速并使风机2以该初始转速开始运行；

获取食品的温差变化率，根据温差和温差变化率动态地调节风机2的转速；

判断食品的表面温度和内部温度是否均达到预设目标温度，若是，则使风机2以最大转速保持运行。

在一种具体的实施方式，检测单元31能够实时地检测食品的温度，控制单元32设定有预设目标温度。在该实施方式，预设目标温度的值设定为大多数食品进入最大冰晶生成带时的温度值，即-1℃。在其他实施方式，存在食品的冰点低于-1℃，最大冰晶生成带的温度区间也各不相同，因此，预设目标温度的值也可以设定为其他温度值，不再详细描述。

检测单元31检测食品的初始温度，控制单元32计算食品的初始温度与预设目标温度之间的初始温差。控制单元32根据计算而得的初始温差设定风机的初始转速，并且控制单元32控制风机2以该初始转速开始运行，从而使食品开始冷冻。根据具有不同初始温度的食品设定不同的初始转速，这样有利于提高冷冻装置100的制冷效率。

预设采样间隔时间后，检测单元31检测食品的实时温度，控制单元32计算食品的实时温度与预设目标温度之间的实时温差以及温差变化率。控制单元32根据实时温差和温差变化率并通过储存的计算机程序计算出风机2的转速调节量，控制单元32根据计算而得的转速调节量调整风机2的转速。此后，每隔预设采样时间重复上述步骤，使得控制单元32能够根据实时变化的温差以及温差变化率动态地调整风机2的转速。这样有利于控制食品的冷冻速度，使食品的表面温度和内部温度在进入最大冰晶生成带之前达到平衡。

当检测单元31检测到食品的表面温度和内部温度均达到预设目标温度后，或者说，当检测单元31检测到食品的表面温度和内部温度相等并且与预设目标温度的温差值为零后，控制单元32控制风机2以最大转速运行，加速对食品的制冷。这样有利于使食品快速的通过最大冰晶生成带。

在一种实施方式，一种冷冻装置100的控制方法具体包括：

建立多个温度范围，使风机2根据每个温度范围对应预设有不同的初始转速；

判定温差所在的温度范围，使风机2根据温差所在的温度范围设定初始转速；

风机2以设定的初始转速开始运行。

具体地，在该实施方式，将食品的初始温差可能的值划分为多个温度范围，控制单元32储存有每个温度范围所对应的不同初始转速的信息数据，当食品放入冷冻装置100后，控制单元32计算初始温差并判断初始温差所在的温度范围，然后调用该温度范围所对应的初始转速的数据，并控制风机2以该初始转速启动运行。每个温度范围代表初始温差的大小等级，冷冻装置100在对食品制冷时，针对不同的初始温差大小等级使风机2以不同的初始转速开始运行，有利于更加精确地对食品进行制冷。

更进一步地，在一种具体的实施方式，当温差所在的温度范围为温差＞+2℃时，设定初始转速为风机的最大转速的100％；当温差所在的温度范围为+1.5℃＜温差≤+2℃时，设定初始转速为风机的最大转速的80％；当温差所在的温度范围为+1℃＜温差≤+1.5℃时，设定初始转速为风机的最大转速的50％；当温差所在的温度范围为+0.5℃＜温差≤+1℃时，设定初始转速为风机的最大转速的25％；当温差所在的温度范围为0℃＜温差≤+0.5℃时，设定初始转速为风机的最大转速的15％。当然，在其他实施方式，冷冻装置100可以根据不同的使用场景，调整上述初始转速的预设值，不再详细描述。

在一种实施方式，一种冷冻装置100的控制方法具体包括：

将温差和温差变化率作为输入变量，进行模糊化处理及模糊推理得到风机2的转速调节量；

根据转速调节量调节风机2的转速。

更进一步地，在一种具体的实施方式，

将温差和温差变化率进行模糊化处理，得到温差模糊值和温差变化率模糊值；

建立模糊控制规则表，将温差模糊值和温差变化率模糊值作为输入变量，将转速调节量模糊值作为输出变量；

根据模糊控制规则表计算得到转速调节量模糊值；

将转速调节量模糊值解模糊化得到转速调节量。

具体地，在该实施方式，将温差标记为△T，温差变化率标记为d△T，设定温差常数CDD和温差变化率常数CDDD，将dD＝△T×CDD作为模糊控制的温差输入信号，将ddD＝d△T×CDDD作为模糊控制的温差变化率输入信号。其中温差常数CDD和温差变化率常数CDDD用于改变温差和温差变化率作为输入信号的参数比重，有利于提高控制的精度。

确定温差输入信号dD和温差变化率输入信号ddD的模糊集合及相应的隶属度函数，将两个输入信号进行模糊化处理并得到相应的模糊值。首先，定义温差输入信号dD和温差变化率输入信号ddD的模糊集合，在本实施方式，温差输入信号dD的模糊集合和温差变化率输入信号ddD的模糊集合分别为：dD＝{正大，正小，零变，负小，负大}＝{PosB，PosS，Zero，NegS，NegB}，ddD＝{正大，正小，零变，负小，负大}＝{PosB，PosS，Zero，NegS，NegB}。然后，对所选取的模糊集合定义其隶属度函数，其中，温差输入信号dD模糊集合的隶属度函数如图3所示，温差变化率输入信号ddD模糊集合的隶属度函数如图4所示，隶属度函数中带有对应的模糊值，使用隶属度μ，使得与输入值对应的语言学的表示数值化。根据温差输入信号dD和温差变化率输入信号ddD的数值确定其所属的模糊集合，并根据上述的隶属度函数计算得到温差输入信号dD的模糊值和温差变化率输入信号ddD的模糊值。

建立模糊控制规则表，将温差输入信号dD的模糊值和温差变化率输入信号ddD的模糊值作为输入变量，转速调节量△F的模糊值作为输出变量，并根据建立的模糊控制规则计算得到转速调节量△F的模糊值。其中，定义转速调节量△F的模糊集合为△F＝{正大，正小，正小小，保持，负小小，负小，负大}＝{BigP，SmallP，VSmallP，NoChange，VSmallN，SmallN，BigN}；转速调节量△F模糊集合的隶属度函数如图5所示。

建立模糊控制表是指规则的归纳和规则库的建立，是从实际控制经验过渡到模糊控制的中心环节，控制律通常由一组if-then结构的模糊条件语句构成，在本实施方式，模糊控制规则包括以下十条：

①if dD is PosB then △F is BigP；

②if dD is PosS then △F is SmallP；

③if dD is Zero then △F is NoChange；

④if dD is NegS then △F is SmallN；

⑤if dD is NegB then △F is BigN；

⑥if ddD is PosB then △F is SmallP；

⑦if ddD is PosS then △F is VSmallP；

⑧if ddD is Zero then △F is NoChange；

⑨if ddD is NegS then △F is VSmallN；

⑩if ddD is NegB then △F is SmallN；

由温差输入信号dD和温差变化率输入信号ddD的取值可知上述适用的模糊规则为①、②、⑧、⑨。根据规则①，Big的隶属度μ＝0.5；根据规则②，SmallP的隶属度μ＝0.5；根据规则③，NoChange的隶属度μ＝0.5；根据规则⑨，VSmallN的隶属度μ＝0.5。根据上述模糊控制规则表进行推理，得到转速调节量△F的模糊值。

最后对转速调节量△F的模糊值进行解模糊计算，得到转速调节量△F的实际输出值

转速调节量△F的精确值＝转速调节量△F的实际输出值WA×转数调节值常数CROUT，其中，本领域技术人员可根据不同的冷冻装置具体调整转数调节值常数CROUT的数值，使本发明的模糊控制达到最佳控制效果。

在该实施方式，将温差和温差变化率进行模糊化处理，以温差和温差变化率的模糊值为输入变量，风机转速调节量的模糊值为输出变量，建立模糊控制规则表，然后根据模糊控制规则表进行模糊推理，得到模糊控制量，最后将所述模糊控制量解模糊化，得到精确调节量。本发明通过将模糊控制理论应用于调节风机2的转速，能够实现当温差较大且温差变化率较小自动加大风机2的转速，当温差较小且温差变化率较大时自动减小风机2的转速，使得食品的冷冻速度稳定且冷冻效果均匀，有利于使食品在通过最大冰晶生成带之前达到内外温度平衡。

在一种实施方式，步骤“获取食品的温度与预设目标温度的温差，根据温差设定风机2的初始转速并使风机2以该初始转速开始运行”具体包括：

判断冷冻装置100是否放入食品；

若是，获取食品的温度与预设目标温度的温差，根据温差设定风机2的初始转速并使风机2以该初始转速开始运行；

若否，则延时T时间，再次判断冷冻装置100是否放入食品，并重复以上步骤。

具体地，冷冻装置100开始运行后，需首先判断冷冻装置100否放入食品，如果检测到冷冻装置100放入食品，则检测单元31开始检测食品的初始温度，控制单元32开始计算食品的初始温度与预设目标温度之间的初始温差并根据该初始温差设定风机的初始转速使风机2开始运行，从而使食品开始冷冻。如果没有检测到冷冻装置100放入食品，则延时T时间后，再次进行判断，并重复以上步骤，其中，T的值可以根据实际使用场景进行调整，并不限定为某一具体数值。冷冻装置100在没有放入食品时，检测单元31和控制单元32可以暂停工作，这样有利于降低能耗。

以上所述实施方式的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施方式的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明记载的范围。

以上实施方式仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施方式对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种冷冻装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

获取食品的温度与预设目标温度的温差，根据所述温差设定风机的初始转速并使所述风机以所述初始转速开始运行；

获取食品的温差变化率，根据所述温差和所述温差变化率动态地调节所述风机的转速；

判断食品的表面温度和内部温度是否均达到所述预设目标温度，若是，则使所述风机以最大转速保持运行。

2.根据权利要求1所述的冷冻装置的控制方法，其特征在于，所述“根据所述温差设定风机的初始转速并使所述风机以所述初始转速开始运行”具体包括：

建立多个温度范围，使所述风机根据每个温度范围对应预设有不同的所述初始转速；

判定所述温差所在的温度范围，使所述风机根据所述温差所在的温度范围设定所述初始转速；

所述风机以设定的所述初始转速开始运行。

3.根据权利要求2所述的冷冻装置的控制方法，其特征在于，所述“判定所述温差所在的温度范围，使所述风机根据所述温差所在的温度范围设定所述初始转速”具体包括：

当所述温差所在的温度范围为所述温差＞+2℃时，设定所述初始转速为所述风机的最大转速的100％；

当所述温差所在的温度范围为+1.5℃＜所述温差≤+2℃时，设定所述初始转速为所述风机的最大转速的80％；

当所述温差所在的温度范围为+1℃＜所述温差≤+1.5℃时，设定所述初始转速为所述风机的最大转速的50％；

当所述温差所在的温度范围为+0.5℃＜所述温差≤+1℃时，设定所述初始转速为所述风机的最大转速的25％；

当所述温差所在的温度范围为0℃＜所述温差≤+0.5℃时，设定所述初始转速为所述风机的最大转速的15％。

4.根据权利要求1所述的冷冻装置的控制方法，其特征在于，所述“根据所述温差和所述温差变化率动态地调节所述风机的转速”具体包括：

将所述温差和所述温差变化率作为输入变量，进行模糊化处理及模糊推理得到所述风机的转速调节量；

根据所述转速调节量调节所述风机的转速。

5.根据权利要求4所述的冷冻装置的控制方法，其特征在于，所述“将所述温差和所述温差变化率作为输入变量，进行模糊化处理及模糊推理得到所述风机的转速调节量”具体包括：

将所述温差和所述温差变化率进行模糊化处理，得到温差模糊值和温差变化率模糊值；

建立模糊控制规则表，将所述温差模糊值和所述温差变化率模糊值作为输入变量，将转速调节量模糊值作为输出变量；

根据所述模糊控制规则表计算得到所述转速调节量模糊值；

将所述转速调节量模糊值解模糊化得到所述转速调节量。

6.根据权利要求1所述的冷冻装置的控制方法，其特征在于，所述“根据所述温差设定风机的初始转速并使所述风机以所述初始转速开始运行”具体包括：

判断冷冻装置是否放入食品；

若是，则获取食品的温度与预设目标温度的温差△T，根据所述温差△T设定风机的初始转速并使所述风机以所述初始转速开始运行；

若否，则延时T时间，再次判断冷冻装置是否放入食品，并重复上述步骤。

7.根据权利要求1所述的冷冻装置的控制方法，其特征在于，所述预设目标温度的值为-1℃。

8.一种冷冻装置的控制系统，其特征在于，包括：

检测单元，用于获取食品的温度；

控制单元，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-7中任一项所述的冷冻装置的控制方法的步骤。

9.一种冷冻装置，其特征在于，包括制冷系统、风机以及如权利要求8所述的控制系统；所述制冷系统用于产生冷量，所述风机用于对食品输送所述冷量；

所述控制系统与所述风机控制连接，所述控制系统用于调整所述风机的转速。

10.根据权利要求9所述的冷冻装置，其特征在于，所述检测单元包括红外温度传感器，所述红外温度传感器能够检测食品的表面温度和内部温度。

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