馬文濤，閆維新，付 莊，趙言正

(1.機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，200240上海;2.上海交通大學機械與動力工程學院，200240上海，yzh-zhao@sjtu.edu.cn)

《辭?！分小盎鸷颉钡尼屃x是:烹飪時火力的強弱和時間的長短.中國烹飪最重要的就是掌握火候，因此，中國烹飪機器人必須具備掌控火候的能力.對于一個經驗豐富的廚師來說掌握火候是駕輕就熟的，然而對于烹飪機器人來說卻是一個巨大的挑戰(zhàn).Yan等[1]介紹了第一臺中國烹飪機器人，該機器人用示教再現(xiàn)的方式進行火候控制，做出了有益的探索.

中國烹飪的傳承一直沿用師徒相授的傳統(tǒng)，師傅傳授時往往采用模糊的詞語和說法，即便在與烹飪相關的文獻中也頻繁地使用“中火”、“猛火”、“文火”等模糊詞句表示火力的大小，用“片刻”、“少頃”等模糊詞句表示時間的長短，而對菜肴烹飪效果的評價更是難以精確.由于中國烹飪具有明顯的模糊性，因此用模糊數(shù)學和模糊控制進行處理就成為自然而然的選擇.自Zadeh[2]提出模糊集以后，模糊集合、模糊數(shù)學和模糊控制就得到了廣泛的應用.Davidson[3－4]闡述了應用模糊邏輯和推理技術控制食品加工的方法，指出模糊表示適用于那些天生可變的量(例如，原料由于供應商或者生長季節(jié)的易變性)或不均勻性(例如，物理尺寸和形狀、大范圍內的溫度)，模糊規(guī)則能夠表示那些派生于數(shù)字仿真、實驗觀察或二者的結合的控制知識，并將模糊控制應用于花生的烤制.文獻[5]提出了一種用于烤面包的模糊控制器.文獻[6]提出了一種煮的模糊控制系統(tǒng)，并指出在煮的過程中，人的頭腦中要考慮的是如何正確地控制輸出到加熱面板上的火力的時序.雖然煮、烤等烹飪工藝相對中國烹飪工藝而言比較單一，但這些研究對于中國烹飪中火候控制的自動化和智能化有重要的參考價值.

本文提出了一種火候模糊控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠監(jiān)控原料加熱時的顏色變化、鍋具內原料的溫度變化以及燃氣和噴射空氣的壓力，結合當前的烹飪階段和烹飪工序，調整火力大小和當前烹飪工序時間，實現(xiàn)火候的智能控制.

1 中國烹飪機器人及其火力系統(tǒng)

Yan等[1]第一次提出了中國烹飪機器人，該機器人能夠較完整地實現(xiàn)各種中國烹飪工藝，能夠自主地、完整地完成菜肴的烹飪.在此基礎上本文提出了一種用于助老助殘的烹飪機器人(如圖1)，其中火力系統(tǒng)在文獻[1]的基礎上做了改進.

圖1 助老助殘中國烹飪機器人結構

火力系統(tǒng)所用的燃燒器采用了一種雙引射源方式[7]，由火蓋、引射管和噴嘴等幾個部分組成.燃燒必須具備的關鍵條件是燃氣中的可燃成分和空氣中的氧氣需按一定比例成分子狀態(tài)混合[8].空氣和燃氣充分混合是一個燃燒器的基本要求，它是燃燒器燃燒過程中一氧化碳濃度達標的關鍵，是提高燃燒熱效率的關鍵，也是提高燃燒穩(wěn)定性的關鍵.

中國人工煤氣的主要成分為丙烷和丁烷，GB 13611—2006[9]中給出的液化石油氣20Y的基準氣為75%的丙烷和25%的丁烷，其分子式可寫為C3.25H8.5.然而在實際應用中，液化石油氣中丙烷和丁烷的比例往往會有所變化，一般丁烷的比例比標準略大.按照國家標準，根據燃氣量可計算理論上需要的空氣量，

若空氣中氧氣的體積分數(shù)按20.942%計，則1 mol的液化石油氣20Y需要的空氣量為7.5/0.209 42=35.813 mol.實際空氣供給量與理論空氣需要量之比為過剩空氣系數(shù)aV，通常aV＞1，民用燃燒器一般控制在1.3～1.8.在實際燃燒過程中正確的aV值十分重要:aV過小則燃氣的化學能不能充分轉換;aV過大，煙氣體積增大，增加排煙熱損失，降低燃燒器的熱效率[10].

烹飪機器人通過控制燃燒器的燃氣入口和空氣入口處的燃氣和空氣的壓力來控制燃燒器的輸出熱負荷，仿真和實驗表明，高壓空氣(入射空氣)的壓力和燃氣壓力必須在一定范圍內進行匹配才能達到良好的燃燒效果.由于燃燒器內流體的動力學情況復雜，計算量很大，對實際需要的空氣量和燃氣量的精確控制不但很難實現(xiàn)，而且沒有必要，而模糊控制恰能滿足要求.

2 原料成熟度的視覺識別

由于炒鍋的顏色為黑色，而用于烹飪的動物性原料和植物性原料中幾乎沒有呈黑色的，因而易于將原料和背景區(qū)分開來.據此提出了一種提取烹飪典型對象，計算鍋具內目標原料的平均飽和度、色品和亮度的方法.表1的數(shù)據是在9次烹飪豬肉片的過程中分別在0(烹飪前)到24 s(肉片成熟)的時間里每隔6 s拍照的照片進行圖像處理，去除反光和背景等干擾后，求得的原料的色品(H)、飽和度(S)和亮度(B)的平均值.

表1 在烹飪過程中豬肉的HSB變化情況

由表1可見，烹飪前后色品的變化很小，而亮度的變化也不顯著，但飽和度的變化不但顯著，而且具有明顯的規(guī)律性——逐漸減少.在對多種原料烹飪前后的顏色變化進行分析后也發(fā)現(xiàn)，多數(shù)動物性原料的平均色品幾乎不變或者變化較小，而亮度的變化也并不顯著或者無明顯規(guī)律.但部分原料，尤其是動物性原料的飽和度發(fā)生了明顯的規(guī)律性變化，因此可以作為烹飪階段劃分的標志.

3 火候的模糊控制

3.1 火候模糊控制的總體結構

火候的控制系統(tǒng)主要完成兩項功能，一是根據需要調整火力的大小;二是根據當前的顏色、溫度等信息決定是否應該延長當前工序的時間，如果需要延長那么估計延長多長時間.火候模糊控制系統(tǒng)的結構如圖2所示，在火候模糊控制系統(tǒng)中，存在兩個模糊推理機，一個是火力隨動模糊推理機，用作火力的動態(tài)調節(jié);另一個是火候設定模糊推理機，用作調整火力和烹飪時間.燃氣壓力和空氣泵的輸出氣體壓力分別由西門子公司的QBE64－DP01和QBE64－DP05測量;鍋具內部溫度，則通過DTA LT－05S紅外溫度傳感器(廣州圣高測控科技)進行非接觸測量.系統(tǒng)采用德國映美精公司的DFK21BG04.H型CCD工業(yè)相機作為視覺輸入.各輸入、輸出變量采用模糊三角函數(shù)表達，使用Mamdani類型的模糊推理和中心解模糊算法.

圖2 火候模糊控制系統(tǒng)結構圖

3.2 火候模糊控制系統(tǒng)的模糊語言

火候模糊控制系統(tǒng)的輸入輸出變量及其模糊語言見表2.模糊語言值的隸屬度可由三角函數(shù)給出，設 A=A(aL，aC，aR)，其中 aL、aC和 aR分別表示下限、中心和上限.A的隸屬度可由下式確定[11]:

經過反復讓廚師對不同火力、不同原料數(shù)量、不同烹飪時間、不同溫度等進行評級并給出不同級別的隸屬度，經一致性檢驗等處理后可得出各輸入輸出變量模糊語言值的aL、aC和aR，相應的模糊函數(shù)的圖形見圖3.

表2 輸入/輸出變量的模糊語言

圖3 各輸入、輸出參數(shù)的模糊函數(shù)圖

3.3 火候控制規(guī)則

一個完整的烹飪過程可以分為多個階段，每個階段由一個或幾個烹飪工序動作組成.烹飪工序動作可分為主干工序、火力工序(僅調節(jié)火的大小)和火候工序(僅控制烹飪時長)等.主干工序往往涉及原料的轉移，能夠標示當前的烹飪階段，主要有加油、回鍋、投主料、投輔料、投調味汁、投香辛料和加淀粉等.火力工序僅控制火力大小，不控制烹飪時間，如點火、調火和關火等.火候工序僅控制烹飪時間和原料的運動，不調節(jié)火力的大小，主要有晃鍋、攪拌、翻鍋和加熱等.火力和時間需要進行匹配才能達到好的烹飪效果.因此，火候控制過程是對火候工序過程中使用的火力大小和火候工序的時間進行控制.在進入某一烹飪階段時，首先需要確定當前采用的火力大小，而在火候工序持續(xù)過程中還要根據當前原料的顏色變化或溫度情況對火力和時長及時予以調整.

進入某一烹飪階段時，首先根據各階段預設火力規(guī)則，產生預設的空氣泵控制電壓和燃氣比例閥控制電流的目標值.預設完成后，系統(tǒng)進入自動調節(jié)燃氣與空氣配比的狀態(tài)，此時使用表3的空氣壓力隨動模糊規(guī)則.

表3 火力隨動模糊規(guī)則

在烹飪的某一階段，根據當前氣體壓力，按照表4中的模糊規(guī)則，估計當前的實際火力，進而根據實際火力大小、原料質地和形狀、色品值、鍋內溫度、當前烹飪工序，確定烹飪是否繼續(xù)延續(xù)以及延續(xù)時間長短，其模糊規(guī)則見表5、6.火候模糊規(guī)則庫中的多數(shù)規(guī)則都是直接來源于數(shù)位高級廚師的經驗.

表4 當前火力估計模糊規(guī)則

表5 幾種常見主料劃散階段的飽和度變化規(guī)律

表6 上漿處理的瘦豬肉片在劃散階段的火候模糊規(guī)則

原料質地不同，烹飪過程中H、S、B的變化不同，例如對于豬肉(瘦豬肉片)來說，H值和B值的變化不大，但S值變化顯著.表5給出了幾種常見原料在烹飪前后飽和度的變化規(guī)律.對于植物性原料，例如土豆絲，在烹飪前后，H、S、B的值幾乎沒有變化，因此對于該類原料視覺信息將失去價值，而原料的溫度則成了重要的參照信息.不同烹飪階段，不同原料，預期達到的目標溫度不同，其模糊規(guī)則與飽和度變化規(guī)則類似，這里不再贅述.

根據烹飪工序、原料和當前傳感器信息，按照火候模糊規(guī)則預估烹飪還需持續(xù)的時間和后繼使用的火力.表6給出了經上漿處理后的瘦豬肉片在劃散階段的火候模糊規(guī)則，其他原料和烹飪階段的模糊規(guī)則并未一一列出.

在實際烹飪中，預估時間將作為烹飪中劃散時所用工序的持續(xù)時間，如果估計時間為“Very long”那么，在30 s后將重新評估預期的時間.雖然各火候工序的時間使用相同的模糊函數(shù)，但由于不同火候工序下，原料受熱的效率不同，在解模糊后，不同的火候動作還要再乘以各自的調整因子.這些因子都是在大量的烹飪實踐中總結出來的經驗值.加熱、晃鍋、攪拌和翻鍋的調整因子分別為0.80、0.90、1.00 和 0.85.

4 實驗

為了驗證火候模糊控制系統(tǒng)的性能，在助老助殘烹飪機器人上完成了下面兩方面的實驗.一方面的實驗用于檢驗燃氣和空氣的隨動調節(jié)的效果和燃燒效果，主要通過測試一氧化碳的濃度、過?？諝庀禂?shù)來確定其性能，實驗裝置中各測試點的示意如圖4所示.

圖4 實驗用燃燒器及其傳感器的安裝示意圖

實驗使用的燃料為液化石油氣20Y(深圳深南燃氣公司).入射空氣的氣壓(壓力傳感器1)和入射燃氣氣壓(壓力傳感器2)由集成在機器人上的壓力傳感器記錄.流量計1(用于測量高壓空氣流量)、流量計2(用于測量燃氣流量)、氣體腰輪流量計(用于測量總的氣體流量)的測量結果用于計算過剩空氣系數(shù).CO濃度用于檢測燃燒器的燃燒情況.另一方面的實驗則是通過評價機器人的實際烹飪的菜肴，綜合評估火候模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)劣.

體現(xiàn)燃燒器燃燒效果的一個重要指標就是燃燒時干煙氣中的CO含量.文獻[12]給出了干煙氣CO含量檢測的標準方法，設計如圖5(b)中的取樣罩和取樣器，然后使用煙氣分析儀(如圖5(a)，煙氣分析儀采用德圖的Testo327)實時測量燃燒過程中的CO含量.通過對Testo327錄像，可以獲得較連續(xù)的CO含量變化情況.根據標準，CO的體積分數(shù)要求低于0.1%[12].

圖6給出了10次調火實驗中，燃氣入射壓力和空氣入射壓力的實測曲線.在5、10、15、20、25 s時，火力被分別設為1檔(微火)、2檔(文火)、3檔(中火)、4檔(大火)和5檔(猛火).

圖5 一氧化碳含量測試照片與測試裝置

對應圖6，圖7中分別給出了10次調火實驗中測得的CO含量.從圖7中可以看出，各個檔位下CO的體積分數(shù)都比較低，最高的不到0.045%，遠低于0.1%的要求.

根據燃氣流量計算理論空氣需要量，根據總流量減去燃氣流量計算實際空氣供給量，進而可以計算出過剩空氣系數(shù).5組流量測試實驗中計算的過?？諝庀禂?shù)如圖8所示，每組實驗對應一根曲線.由圖8可見過?？諝庀禂?shù)為1.17～1.23，優(yōu)于一般的民用燃燒器.綜合CO含量(圖7)和過?？諝庀禂?shù)(圖8)可知，采用模糊控制的火力系統(tǒng)既能夠充分燃燒，又能有效減少能量損失.

圖6 不同檔位下入射空氣、燃氣壓力的實測曲線

圖7 調火過程中干煙氣的CO體積分數(shù)

圖8 五組實驗測得的過剩空氣系數(shù)

菜肴烹飪實驗中，選擇了幾種對火候比較敏感的菜肴，分別是小炒肉、水晶蝦仁和銀牙雞絲.7位評委分別對機器人自主烹飪的菜肴進行了評價，評價結果如表7所示.可見，烹飪機器人能夠出色地完成這些敏感菜肴的烹飪.

表7 評委對敏感菜肴的最后評價

5 結論

1)本文提出了一種包含火候設定模糊推理機與火力隨動模糊推理機的火候模糊控制系統(tǒng)，其參數(shù)與控制規(guī)則均來源于廚師的主觀感覺與經驗.

2)燃燒實驗表明，該火候模糊控制系統(tǒng)能夠很好地完成火力的隨動控制，燃燒充分且過?？諝庀禂?shù)小.

3)烹飪實驗表明，采用火候模糊控制系統(tǒng)的烹飪機器人，也能夠較好地完成對火候要求敏感的菜肴.

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