Brevet FR2773872A1 — publié le 19990723

Procédé de commande d'un four électrique et dispositif pour sa mise en oeuvre. La présente invention se rapporte à un procédé de commande d'un four électrique et à un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé. Elle s'applique plus particulièrement à un four à micro-ondes pour application domestique. Mais le principe de l'invention peut être appliqué à tous types de four. Les fours à micro-ondes utilisent le principe de l'agitation moléculaire pour provoquer le réchauffement, voire même la cuisson, des aliments. A cet effet, les aliments sont placés à l'intérieur d'une cavité du four formant cage de Faraday, dans laquelle on produit un rayonnement d'ondes à très haute fréquence à l'aide d'un transducteur appelé "magnétron". Une partie de l'énergie électrique consommée par le magnétron et son dispositif d'alimentation est transférée aux aliments sous forme de chaleur. Le bilan énergétique de cette réaction est complexe et il sortirait du cadre du présent exposé que d'essayer d'en proposer une synthèse. On notera simplement que, pour une puissance d'alimentation électrique déterminée du magnétron, le temps nécessaire pour amener un aliment à une température de consommation donnée est fonction de divers paramètres. Dans la suite, un cycle de fonctionnement du four pour amener un aliment à sa température de consommation idéale est dénommé "cycle de réchauffement". La durée d'un cycle de réchauffement dépend par exemple de la nature de l'aliment (liquide, viande, légume, ...), du volume de l'échantillon à réchauffer, de sa densité, de sa température initiale, etc.. Dans l'art antérieur (figure 1), l'utilisateur programme la durée d'un cycle de réchauffement à l'aide d'une minuterie ou d'un dispositif de programmation analogue, accessible sur un panneau de commande 2 du four 1, après avoir placé l'aliment à réchauffer à l'intérieur du four et avoir refermé la porte 3 de celui-ci. Pour réaliser cette programmation, l'utilisateur doit effectuer une estimation de la durée appropriée du cycle de réchauffement, en se basant sur une appréciation des paramètres précités et sur sa propre expérience de l'utilisation du four. Cette estimation est par nature très approximative. C'est pourquoi il n'est pas rare que la durée du cycle de réchauffement programmée par l'utilisateur s'avère en fait soit trop courte, soit trop longue. Dans le premier cas, un nouveau cycle de réchauffement doit être programmé. Dans le second cas, on assiste à des phénomènes d'ébullition dans les aliments et des projections traduisent la dégradation de ceux-ci. L'utilisateur est donc souvent contraint de surveiller, à travers une vitre de la porte du four, l'évolution de l'aspect des aliments au cours du cycle de réchauffement, afin, si nécessaire, de l'interrompre avant son terme. Dans certains cas, le panneau de commande 2 du four 1 comporte en outre des touches permettant à l'utilisateur de programmer différentes valeurs de la puissance du fonctionnement du four, c'est-à-dire en fait de la puissance d'alimentation électrique du magnétron. L'utilisateur doit ainsi choisir, par exemple, entre une touche correspondant à des aliments solides non congelés, une touche correspondant à des liquides, ou une touche correspondant à des aliments congelés (touche "décongélation"), repérées par des symboles appropriés. Ces trois touches correspondent par exemple à des valeurs de la puissance d'alimentation électrique du magnétron égales, respectivement, à 300 watts, 500 watts et 1000 watts. Cependant, loin d'éliminer les problèmes relevés ci-dessus qu'implique le caractère approximatif de la programmation par l'utilisateur de la durée du cycle de réchauffement, ce choix supplémentaire laissé à la charge de l'utilisateur a au contraire pour conséquence d'introduire un degré supplémentaire d'arbitraire dans la programmation. D'ou il résulte que le risque de programmation d'une durée mal adaptée est encore plus grand. En outre, la pluralité de paramètres de programmation (puissance de fonctionnement et durée du cycle de réchauffement) rend plus aléatoire l'interprétation et la mémorisation des résultats des programmations successives faites par un utilisateur. Celui-ci a donc plus de difficultés à exploiter son expérience de l'utilisation du four. L'objet de la présente invention est de pallier les inconvénients précités qu'on reproche à la commande des fours selon l'état de la technique. A cet effet, l'invention propose un procédé de commande d'un four électrique pour le réchauffement et/ou la cuisson d'aliments, le four comprenant une cavité à l'intérieur de laquelle les aliments peuvent être placés. Ce procédé comporte les étapes suivantes - alimentation électrique du four selon une première valeur de puissance instantanée - mesure de la température et/ou du taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité - éventuellement, adaptation de la valeur de la puissance instantanée d'alimentation en fonction de cette mesure - arrêt de l'alimentation du four lorsque la température et/ou le taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité présentent sensiblement des valeurs respectives indiquant que les aliments ont été convenablement réchauffés. La température de l'air à l'intérieur de la cavité reflète indirectement la température de l'aliment. La quasi-totalité des aliments présentant une forte teneur en eau, il a été observé que, quand on réchauffe l'aliment, la température de celui-ci s'élève et une partie de l'eau qu'il contient peut s'évaporer. Comme l'aliment est placé dans la cavité du four qui est sensiblement hermétique, le taux d'humidité à l'intérieur de celle-ci augmente. C'est après avoir observé cette réaction que le procédé de l'invention tel que défini ci-dessus a été imaginé. L'invention consiste essentiellement à tenir compte du taux d'humidité et/ou également de la température de l'air à l'intérieur de la cavité du four. De préférence, le procédé ci-dessus est mis en oeuvre par un algorithme de logique floue. Préférentiellement, on tient compte simultanément de ces deux grandeurs car leur combinaison permet de mieux refléter le comportement thermique de l'aliment au cours du cycle de réchauffement. Mais la prise en compte d'une seule de ces grandeurs n'est pas exclue. Ainsi, la puissance de l'alimentation électrique instantanée du four (i.e. du magnétron) et la durée d'un cycle de réchauffement sont commandées automatiquement, c'est-à-dire sans intervention de l'utilisateur. le fonctionnement du four s'arrête automatiquement lorsque les aliments sont chauds. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Un tel dispositif comprend: - des moyens délivrant un signal de mesure de la température de l'air à l'intérieur de la cavité; - des moyens délivrant un signal de mesure du taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité; - une unité de gestion à logique floue acceptant lesdits signaux de mesure comme variables d'entrée et produisant comme variable de sortie une valeur de la puissance instantanée d'alimentation électrique du four. Enfin, l'invention concerne un four électrique, notamment un four à micro-ondes pour le réchauffement et/ou la cuisson d'aliments, qui comporte un dispositif de commande tel que ci-dessus. L'invention est particulièrement bien adaptée à la commande des fours électriques à micro-ondes, dans la mesure où, pour ce type de four, l'élévation de la température et du taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité est une conséquence de l'alimentation électrique du four qui apparaît rapidement et qu'il est possible de prendre en compte pour adapter la valeur de la puissance d'alimentation électrique instantanée du four avec un effet rapide. En outre, le comportement des aliments lors du cycle de réchauffement étant, comme nous l'avons vu, difficile à modéliser sans prendre en compte une multitude de paramètres qu'il est par ailleurs difficile de mesurer (type, volume, densité, température initiale de l'aliment, ...), on utilise avantageusement à un algorithme à logique floue pour piloter le dispositif mettant en oeuvre le procédé de l'invention. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels on a représenté: - à la figure 1, déjà analysée: un four à micro-ondes selon l'état de la technique; - à la figure 2: une vue en coupe d'un four à micro-ondes montrant schématiquement les moyens de l'invention; - à la figure 3: un exemple de l'allure des fonctions d'appartenance des variables floues mises en oeuvre par un algorithme à logique floue selon l'invention; - à la figure 4: une table de règles de cohérence mises en oeuvre par un algorithme à logique floue selon l'invention. A la figure 2, sur laquelle les mêmes éléments qu'à la figure 1 portent les mêmes références, on a représenté une vue en coupe d'un four à micro-ondes mettant en évidence les moyens d'un dispositif de commande selon l'invention. Le four 1 comporte une cavité 10 fermée hermétiquement par la porte 3. Des aliments 30 à réchauffer ou à cuire, et contenus dans un récipient, peuvent être placés à l'intérieur de la cavité 10, notamment sur un plateau 4 qui peut être fixe ou tournant. Un rayonnement d'ondes à très haute fréquence peut être produit à l'intérieur de la cavité 10 par un magnétron 5. Celui-ci est par exemple disposé sur une paroi verticale de la cavité 10 opposée à la porte 3. Le magnétron 5 reçoit une énergie électrique d'alimentation délivrée par une unité de gestion 20. L'unité de gestion 20 reçoit une tension d'alimentation telle que la tension alternative du secteur (220 volts; 50 hertz). Le dispositif comprend également des moyens délivrant un signal de mesure de la température de l'air à l'intérieur de la cavité 10. Ces moyens comprennent un capteur de température disposé par exemple sur la paroi supérieure de la cavité 10. Le dispositif comprend des moyens de mesure du taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité 10. Ces moyens comprennent un capteur d'humidité disposé par exemple sur la paroi supérieure de la cavité 10. Par taux d'humidité on entend ici le taux d'hygrométrie à l'intérieur de la cavité hermétique 10. L'unité de gestion 20 est une unité de gestion à logique floue. Elle comporte un microcontrôleur à logique floue, tel que par exemple le microcontrôleur WARP 3, commercialisé par la société SGS-THOMSON MICROELECTRONICS. L'unité de gestion 20 accepte le signal de mesure de la température et le signal de mesure du taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité comme variables d'entrée, respectivement T et H. Il s'agit de variables dites "variables floues". L'unité de gestion 20 produit comme variable de sortie P une valeur de la puissance d'alimentation électrique instantanée du four, et plus précisément du magnétron 5. D'autres variables d'entrée peuvent également être prises en compte dans l'algorithme flou qui pilote l'unité de gestion 20, afin de tenir compte d'autres paramètres. Un tel autre paramètre est par exemple la pression de l'air à l'intérieur de la cavité 10. Le dispositif de commande du four comporte alors un capteur de pression disposé comme les capteurs 21 et 22, et délivrant un signal de mesure de la pression de l'air à l'intérieur de la cavité 10. Pour chacune des variables d'entrées T et H, et pour la variable de sortie P, un nombre déterminé de fonction d'appartenance est défini dans une mémoire du microcontrôleur. Dans un exemple, pour chaque variable, on dispose de cinq fonctions d'appartenance. Ce nombre est suffisant pour permettre une gestion efficace de l'alimentation électrique du four, sans pour autant requérir ni une capacité de mémorisation à l'intérieur du microcontrôleur ni une complexité de l'algorithme de logique floue (et donc un temps de traitement) qui soient excessifs. A la figure 3, on a représenté une allure possible des cinq fonctions d'appartenance FA1 à FA5 couvrant la totalité de la dynamique de la variable considérée. On rappelle que les fonctions d'appartenance FA1 à FA5 définissent, pour la variable floue considérée, la valeur d'un coefficient caractérisant la vraisemblance de l'appartenance de cette variable à un ensemble de valeurs (dit "ensemble flou") défini de manière approximative par une valeur floue du type, respectivement, "TRES PETIT", "PETIT", "NORMAL", "GRAND" et "TRES GRAND". A la figure 3, la dynamique de variation a été centrée sur la valeur moyenne de la variable, qui à la figure coïncide avec l'origine des axes. De plus, la valeur des coefficients de vraisemblance à été normée à 1. Pour chaque variable, on compte ainsi - une première fonction d'appartenance FA1, qui définit un ensemble de valeurs pour lequel la variable est affectée. de la valeur floue "TRES PETIT" ; cette fonction est plate et vaut l'unité entre la valeur -V4 et la valeur -V3, puis décroît linéairement à partir de cette valeur pour s'annuler à la valeur -V2 - une deuxième fonction d'appartenance FA2, qui définit un ensemble de valeurs pour lequel la variable est affectée de la valeur floue "PETIT" ; cette fonction croît linéairement en partant de 0 à la valeur -V3 pour atteindre l'unité à la valeur -V2, au delà de laquelle elle décroît linéairement pour s'annuler à nouveau la valeur -Vl - une troisième fonction d'appartenance FA3, qui définit un ensemble de valeurs pour lequel la variable est affectée de la valeur floue "NORMAL" ; cette fonction croît linéairement en partant de 0 à la valeur -V2 pour atteindre l'unité à la valeur -V1 ; elle est ensuite constante et vaut l'unité entre la valeur -V1 et la valeur symétrique +V1 au delà de laquelle elle décroît linéairement pour s'annuler à nouveau à la valeur +V2 - une quatrième fonction d'appartenance FA4, qui définit un ensemble de valeurs pour lequel la variable est affectée de la valeur floue "GRAND" ; cette fonction croît linéairement en partant de 0 à la valeur +V1 pour atteindre l'unité à la valeur +V2, au delà de laquelle elle décroît linéairement pour s'annuler à nouveau la valeur +V3 - enfin, une cinquième fonction d'appartenance FA5, qui définit un ensemble de valeurs pour lequel la variable est affectée de la valeur floue "TRES GRAND" ; cette fonction croît linéairement en partant de 0 à la valeur +V2 pour atteindre l'unité à la valeur +V3, au delà de laquelle elle reste constante. Ainsi qu'on l'a compris, les fonctions FA5 et FA4 sont symétriques des fonctions FA1 et FA2 respectivement, par rapport à l'axe des ordonnées, alors que la fonction FA3 est elle-même symétrique par rapport à cet axe. Cependant, ceci n'est qu'un exemple et il est bien entendu que la forme des fonctions d'appartenance peut être quelconque. En particulier, on sait que des courbes gaussiennes (en forme de cloche) peuvent procurer une meilleure définition des ensembles flous que des courbes comportant des segments de droite (courbes à lignes brisées). L'avantage de la forme des fonctions d'appartenance représentées à la figure 3 réside dans le fait que ces fonctions peuvent être mémorisées dans la mémoire du microcontrôleur par la seule mémorisation des valeurs remarquables V1, V2, V3 et V4 définissant les limites des ensembles flous. Cela requiert donc un faible espace mémoire. De plus, pour chaque variable du système physique, ces valeurs remarquables des fonctions d'appartenance peuvent être aisément déterminées à l'aide d'un logiciel de génération automatique, tel que l'outil de développement de systèmes à logique floue proposé par la société SGS-THOMSON MICROELECTRONICS sous le nom de "AFM & FUZZYSTUDIO". L'unité de gestion 20 est mise en oeuvre par un algorithme de logique floue. Ainsi qu'il est connu de l'homme du métier, un tel algorithme est basé sur la vérification d'un certain nombre de règle, dites "règles de cohérence", qui relient entre elles la variable de sortie d'une part, et une ou plusieurs des variables d'entrée d'autre part. Chaque règle établit une décision quant à la valeur floue de la variable de sortie sur la base de la valeur floue de une ou plusieurs des variables d'entrée, avec une syntaxe logique du type SI ET SI ALORS où El et E2 sont des expression constatant la cas échéant le fait qu'une variable d'entrée à une valeur floue donnée, par exemple PETIT ou GRAND, et où E3 est une expression donnant à la variable de sortie une certaine valeur logique floue. Dans l'algorithme, les n règles de cohérence sont successivement vérifiées avec les valeurs floues des variables d'entrées et leur coefficient de vraisemblance associés, pour en déduire n valeurs floues de la variable de sortie avec pour chacune un coefficient de vraisemblance qui peut être la moyenne arithmétique ou le minimum des coefficients de vraisemblance précités (selon que l'on utilise la méthode dite de la moyenne ou la méthode dite du minimum). Enfin la valeur numérique de la variable de sortie est déterminée comme la somme des valeurs numériques correspondant à une des n valeurs floues pondérées par le coefficient de vraisemblance qui leur ont été associé. En l'espèce, cette valeur numérique est une valeur de consigne de la puissance d'alimentation électrique délivrée au magnétron. Avec deux variables d'entrée et une variable de sortie pour chacune desquelles on définit cinq fonctions d'appartenance (cinq ensembles flous de valeurs), on peut théoriquement écrire cent vingt cinq régles de cohérences différentes. En fait, certaines règles ayant une probabilité tellement faible d'être vérifiées, il est possible de ne pas les prendre en compte. Ceci permet d'alléger d'autant la mémoire du microcontrôleur dans laquelle ces règles sont sauvegardées. En outre, le nombre de calculs à effectuer étant ainsi réduit, le déroulement de l'algorithme de logique floue est plus rapide. A la figure 4, on peut voir une table contenant certaines des règles de cohérence mises en oeuvre dans l'algorithme de logique floue qui pilote l'unité de gestion 20. Le procédé de commande du four selon l'invention comporte plusieurs étapes. Dans une première étape, on alimente le four selon une première valeur de puissance d'alimentation électrique instantanée. Plus exactement l'unité de gestion 20 délivre au magnétron 5 une puissance d'alimentation électrique instantané ayant une première valeur. Par défaut, la puissance d'alimentation électrique instantanée du magnétron est par exemple fixée à une valeur initiale correspondant à une valeur floue de la variable P égale à NORMAL. Dans une deuxième étape, on mesure la température et/ou le taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité 10 à l'aide des capteurs 20 et 21, et les signaux de mesure produits par ces capteurs sont transmis en entrée de l'unité de gestion 20. Eventuellement, dans une troisième étape, on adapte la valeur de la puissance électrique d'alimentation instantanée délivrée au magnétron en fonction de ces signaux de mesure. Par exemple, si la température de l'air à l'intérieur du four est très basse (T = TRES PETIT), alors on peut augmenter la valeur de la puissance d'alimentation électrique instantanée du magnétron audelà de sa valeur initiale. Le jeu de règles de cohérence mises en oeuvre dans l'algorithme à logique floue comporte à cet effet une règle telle que la règle R10 visible dans la table de la figure 4. Selon un autre exemple, si le taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité est important alors que la température de l'air y est relativement faible, alors on est en présence d'une ébullition à la surface de l'aliment à réchauffer, le coeur de celui-ci demeurant à une température froide. Il convient alors d'augmenter la puissance d'alimentation électrique instantanée afin de réchauffer l'aliment en profondeur. Le phénomène décrit ci-dessus se produit typiquement pour le réchauffement d'aliments congelés. Le jeu de règles de cohérence mises en oeuvre dans l'algorithme à logique floue comporte à cet effet une règle telle que la règle R20 visible dans la table de la figure 4. Enfin, dans une dernière étape, on arrête l'alimentation électrique du four lorsque la température et le taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité du four présentent sensiblement des valeurs respectives indiquant que les aliments ont été convenablement réchauffés. A cet effet, le jeu de règles mis en oeuvre par l'unité 20 comporte une règle telle que la règle 30 de la table de la figure 4. En outre, on peut prévoir l'émission d'un signal sonore par des moyens adaptés pour prévenir l'utilisateur que le cycle de réchauffement est terminé, c'est-à-dire que l'aliment a été convenablement réchauffé et est à sa température de consommation idéale. Comme on le voit, la définition des règles de cohérence mises en oeuvre par l'algorithme de logique floue selon l'invention s'infère d'une connaissance empirique du comportement des aliments à l'intérieur du four au cours d'un cycle de réchauffement. Dans la pratique, les règles de cohérence sont définies à partir d'une base de données comportementale, ainsi que le concepteur de systèmes à logique floue ne l'ignore pas. Grâce à l'invention, le tableau de commande 2 du four 1 ne comporte plus qu'une unique touche marche/arrêt pour provoquer le début d'un cycle de réchauffement. En particulier, il n'y a plus besoin de minuterie ou de dispositif de programmation analogue. De même, il n'y a pas besoin de touche de réglage de la puissance d'alimentation du four. L'invention a été décrite ci-dessus selon un exemple de réalisation préféré mais non limitatif. Il est bien entendu qu'on saurait s'éloigner de cet exemple de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel qu'il se comprend à la lecture de l'exposé descriptif ci-dessus. REVENDICATIONS 1. Procédé de commande d'un four électrique (1) pour le réchauffement et/ou la cuisson d'aliments comprenant une cavité (10) à l'intérieur de laquelle les aliments (30) peuvent être placés, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - alimentation électrique du four selon une première valeur de puissance instantanée - mesure de la température et/ou du taux d'humidité de l'air à i'intérieur de la cavité - éventuellement, adaptation de la valeur de la puissance instantanée d'alimentation en fonction de cette mesure - arrêt de l'alimentation du four lorsque la température et/ou le taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité (10) présentent sensiblement des valeurs respectives indiquant que les aliments ont été convenablement réchauffés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre par un algorithme de logique floue. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens délivrant un signal de mesure de la température de l'air à l'intérieur d'une cavité (10); - des moyens délivrant un signal de mesure du taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité; - une unité de gestion (20) à logique floue acceptant lesdits signaux de mesure comme variables d'entrée (T, H) et produisant comme variable de sortie (P) une valeur de la puissance instantanée d'alimentation électrique du four. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le four (1) est un four à micro-ondes, notamment pour application domestique. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens délivrant un signal de mesure de la température de l'air à l'intérieur de la cavité (10) comprennent un capteur de température (21) disposé sur une paroi de la cavité (10). 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les moyens délivrant un signal de mesure du taux d'humidité de l'air à l'intérieur de la cavité (10) comprennent un capteur d'humidité (22) disposé sur une paroi de la cavité (10). 7. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'unité de gestion (20) est pilotée par un algorithme de logique floue qui comporte un jeu de règles de cohérence (figure 4) permettant d'arrêter l'alimentation électrique du four lorsque le taux d'humidité et la température de l'air à l'intérieur de la cavité ont sensiblement atteint des valeurs indiquant que les aliments ont été convenablement réchauffés. 8. Four électrique, notamment four à micro-ondes, pour le réchauffement et/ou la cuisson d'aliments, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de commande selon l'une des revendications 3 à 7.