理解过程弹性

编者注:虽然这个故事是专门关于炸薯条的，但是控制策略的相同概念适用于许多类型的过程，特别是批处理过程。例如，原料在反应器中花费的时间会根据各种变量而变化，有效的控制策略必须能够测量这些变量并自动补偿，以确保正确的结果。这种情况下的解决方案可能会帮助你找到自己的解决方案。

你有多少次在麦当劳、汉堡王、温蒂汉堡或类似的地方排队，听着嘈杂的哔哔声、蜂鸣声和其他各种各样的噪音，似乎是在提醒人们注意一些紧急的事情。当然，它们是各种各样的警报。速食餐厅(比起快餐，他们似乎更喜欢这个称呼)在他们所有的烹饪设备上都有一套巧妙的基于微处理器的控制器。由于人员流动率高，他们需要他们来实现一致的食品质量和易于操作的企业目标，并最大限度地减少餐厅和服务客户所需的人员数量。这些挑战听起来像现在许多加工厂遇到的挑战。

麦当劳宣称，你在纽约吃到的薯条和在北京吃到的薯条是一样的。这在很大程度上是正确的，因为在制作FFs的过程中已经进行了大量的科学和测试。乍一看，这似乎很简单:你把生薯条从包装中取出，倒在热油中，等一会儿，然后把它们拿出来，对吗?这实际上是一个复杂的过程，与化学生产的各个阶段并没有什么不同。

考虑这些问题:

• 煮这种油的最佳温度是多少?
• 要煮多长时间?
• 批量大小对烹饪时间有多大影响?
• 土豆是冷冻的还是解冻的?

大多数人通过直觉或经验都知道，食物在高温下比在低温下熟得更快，但如果温度太高，产品也可能烧焦或无法食用。

一位导师曾经告诉我，“烹饪就是烧开水。”这在一般情况下是正确的，特别是对于深脂肪油炸。当一批FFs被放入一桶热油中时，温度会迅速下降。土豆表面含有水分，内部会转化为蒸汽，这与许多类型的吸热反应类似。正是从热油中吸收的汽化潜热导致了温度的迅速下降。如果控制器不能足够快地加热油来补偿，烹饪速度就会减慢。

炸锅控制器有两个主要功能。一是控制油温，二是定时烹调间隔。这两个函数是直接相关的。传说在20世纪60年代初，当麦当劳的知名度越来越高时，公司的厨师们在测试实验室里进行了一系列广泛的实验，在每一度的温度下烹饪少量的ff。然后对这些ff的“完成度”进行评分。

一个适当煮熟的FF外面会很脆，当你弯曲它的时候会折断。当它被挤压时，它的中心会变成果肉，不会变干。外面的颜色是令人愉悦的棕色，最重要的是，味道一定很好。食用油中不能散发出难闻的味道。这就是为什么煎鱼的炸锅绝不能用来煎鱼的原因。所有这些测试的最终结果是FFs的时间与温度的所谓最佳“烹饪曲线”。(参见图1。)温度越低，产品烹饪的时间就越长，但如果油温保持过低的时间过长，那么产品就不能接受。它没煮熟，软塌塌的，油腻腻的，颜色苍白。

假设在所有这些测试之后，得到的曲线显示开始批量烹饪的最佳油温为350°F，当烹饪一小批FFs时，烹饪时间为150秒(2.5分钟)可以产生非常好的产品。问题解决了吗?现在把一个装有5磅冷冻土豆的篮子放进炸锅里，看看会发生什么变化。

油温将在几秒钟内骤降至300°F左右或更低。如果你在2.5分钟后删除ff，你最终会将它们全部扔进垃圾桶。你必须根据温度的下降来延长烹调时间。这同样适用于各种化学反应，反应速率是温度的函数。这种需求有几个不同的名称:弹性时间、补偿时间、负载补偿和其他类似的术语来描述效果。

在20世纪70年代早期到中期，第一台微处理器离我们还有近十年的时间。电子烹饪控制器是使用离散逻辑(门和计数器)和单片模拟组件(晶体管和运算放大器)的组合来实现的。Fairchild 709单片IC运算放大器于1965年问世，并迅速应用于烹饪控制器。

1978年，美国专利号为4362094，名为“烹饪时间控制系统”。它只使用离散的单片组件。没有微控制器，因此没有固件。这一切都是天生的。本专利描述了一种馈电计数器的脉冲序列，该计数器的频率根据烹饪速率而改变。

烹饪速率被定义为热流进正在烹饪的产品的速率。这种热流是热油和被煮熟的产品之间温差的函数。这种关系不是线性的。然而，该专利指出，在很窄的油温范围内，这个非线性区域可以被一个常数近似。该专利指定在此应用中使用铂RTD传感器，因为其线性度、准确性和稳定性。

随着温度的下降，脉冲序列到计数器的频率降低，有效地增加了烹饪时间，因为它需要更长的时间来计数预定的脉冲数。虽然并不完美，但这项技术在提高最终产品的质量和一致性方面被证明是相当有效的。这种技术和类似的技术一直被使用，直到第一批微处理器问世。

我们应该都熟悉厨房里的计时器。您可以设置您希望产品烹饪并开始运行的时间间隔。它通常开始倒数，这样你就能看到剩下的时间。当计数为零时，钟或钟会响起来告诉你时间已经过去了。在这个时期，在微控制器出现之前，另一位聪明的工程师注意到，烹调曲线与负斜率热敏电阻的电阻-温度曲线非常相似。然后，他使用热敏电阻测量油温，并使用其阻值，随着温度下降而增加，反之亦然，以改变操作烹饪计时器的脉冲序列的频率。通过这种方式，他能够非常有效地实现弹性时间特性。随着微控制器的出现，使用查找表之类的东西来在固件中实现所需的烹饪曲线，并使用不同的算法来实现弹性时间特性变得更加容易。

编写计时器的一种非常常见的方法是用预设的数字装入内部寄存器(或计数器)，然后定期地递减或递增它，并测试结果，看看是否达到了零或所需的计数。可变计时的秘密在于计数时脉冲的周期。

例如，如果你的脉冲周期是1秒，如果你想煮2.5分钟，你可以将计数器预设为二进制的150。如果你用相同的预加载计数加倍时间，那么烹饪将持续5分钟。

每个微控制器都有一个内置的时间滴答。这个滴答可能以微秒、毫秒或在某些情况下甚至秒为单位。它通常不是一个整数，而是一些非整数的数字，需要某种类型的缩放来将它变成你需要的单位。烹饪曲线可以转换为表格格式，其中表格输入一个温度，退出一个计数，表示该间隔和该温度的时间。温度越低，数值越大，反之亦然。

实现弹性时间的一种更简单的方法是，如果将特定产品的理想烹饪温度乘以其理想烹饪时间，那么结果实际上就是该产品在理想烹饪过程中吸收的能量。如果以恒定的间隔测量实际油温，并不断将其添加到寄存器中，则该寄存器中的值将是实际的积分时间/温度。这个数字可以与理想的厨师相比，当等于或略大时，烹饪就会结束。

这种方法将理想能量(理想烹饪温度乘以理想烹饪时间)加载到寄存器中，然后随着批量烹饪的进行，它定期采样并将实际温度添加到寄存器中，从而如上所述对温度进行积分。然后程序将这个寄存器的内容与包含理想时间/温度的内容进行比较，当超过理想时间/温度时，它表示过程结束。

图2显示了这是如何工作的。烹饪开始时的交叉区域代表理想的烹饪能量，而实际温度曲线下方的无阴影区域是为了使实际能量等于或略大于理想烹饪过程中使用的能量所需的额外能量(烹饪时间)。显然烹饪时间被“拉长了”。

另一个有趣的事实是，随后的测试表明，在烤箱中烘焙饼干时，用于烹饪FFs的相同烹饪曲线同样有效。在那里，烹饪时间需要根据开始烹饪时烤箱中有多少盘未煮熟的饼干面团来延长。同样的概念可以应用于无数的化学过程和反应。

查克·马赫(Chuck Maher)是俄克拉荷马州野马市PER Associates的自动化顾问和所有者。

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