智能模糊电饭煲控制系统设计大学论文文档格式.docx
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第四章电饭煲控制系统的软件设计23
4.1模糊电饭煲控制系统软件设计23
4.2模糊电饭煲模糊控制软件设计24
结论26
参考文献28
致谢29
附录一：
电路原理图30
第一章绪论
1.1研究的目的和意义及课题来源
在科学技术进步、日新月异的今天，节能、高效、环保的观念逐渐深入人心，人们对家电智能化的要求也越来越高。
本文研究的一种模糊控制的微电脑电饭煲正是智能化家电的典型代表。
基于模糊控制的电饭煲能够判断出米量的大小，并对不同的米量选择不同的加热方案，因此不但控制效果好，而且高效、节能。
微电脑控制的电饭煲还可以实现预约、记忆等功能，大大方便了人们的生活。
本文从实际工程出发，对模糊控制的微电脑电饭煲进行了深入的研究，主要讨论了一种准确判断米量的方法，真正实现了电饭煲的模糊控制。
这对电饭煲控制程序的研究将是很有意义的，将使之在高效、节能方面做得更好。
1.2国内外在模糊控制方面的研究及分析
1.2.1国外在模糊控制方面的研究现状
自从1965年美国的控制论专家L.A.Zadeh教授创立了模糊集合论以来，将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展。
模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。
已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。
随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制、专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。
其实现方式也由最初在微型机（单片机）上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。
但是我们也应该看到，模糊控制的理论和应用虽然已经取得了很大的进展，但是就目前的状况来看，尚缺乏重大的突破，因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。
目前，最令模糊控制专家们感兴趣的是模糊逻辑同神经网络算法的结合。
神经网络在知识的获取方面表现卓越，它能够生成无须明确表现知识的规则和具有强大的自学习能力。
而模糊技术的优点在于可以用模糊性的自然语言表现知识，和可以用简单的max-min运算实现知识的推理，但在知识的获取方面十分脆弱。
模糊逻辑同神经网络算法互相结合，取长补短，可以通过学习自动地进行模糊规则的产生和修改，从而在智能控制方面产生强大的威力。
1.2.2国内发展状况分析
在我国，模糊控制技术的研究起步较晚，近年来，随着模糊家用电器的兴起，模糊控制在各个领域的应用获得了飞速的发展，同时培养了一大批进行模糊控制研究的优秀人才。
但总的来说，在我国，模糊控制的应用水平落后于模糊控制理论方面的研究。
这主要是因为研究者常常把模糊控制器的设计分成几个独立的部分来进行，如隶属度函数的确定，规则的获取，控制器的合成等。
这样做的好处是把问题简单化，便于初学者上手，快速进行问题的分析和解决。
但是这样做带来的问题是很难对设计好的系统进行理论分析和设计优化。
当然，在我国，也有一批学者走在了模糊控制理论研究的前列。
如，作为模糊论的创始人L.A.Zadeh的学生，香港科技大学的王立新教授，在模糊系统与模糊控制理论领域做出了很大贡献，给模糊系统与模糊控制理论带来了三个突破，具体是:
（1）证明了一类模糊系统是万能逼近器；
（2）发明了Wang-Mendel方法，实现从数据中获取模糊规则；
（3）提出了一种能够确保稳定的自适应模糊控制器的设计方法。
1.3国内外在模糊家电方面的状况分析及发展展望
在智能家电的研究方面，日本走在世界的前面。
资料统计表明，目前日本家用电器的单片机使用率在85%--94%之间，其中使用模糊控制的家电产品约占50%。
日本甚至在几乎所有的模糊控制应用领域都在世界上领先。
日本在九十年代初期就有模糊家电问世，而那时我国的模糊家电尚未起步。
现在，在家电控制器中应用模糊控制在我国受到普遍重视。
由于我国家电行业的飞速发展，模糊家电在我国大有可为。
目前看来，模糊家电的发展有三大发展动向:
（1）进一步扩大传感器的组合利用多个传感器的功能组合可以不断改进家电的控制技术，而对多个量采样后再进行综合判断正是模糊家电之所长。
（2）与AI（人工智能）和神经网络技术相结合如前所述，与AI（人工智能）和神经网络技术相结合将进一步提高模糊家电的智能化水平。
（3）模糊家电网络化随着网络经济的逐步发展，未来的家用电器必将改变目前这种单机运作的模式，而具有与Internet网通信的能力。
家用电器走网络化的道路，这也是当今家电产业发展的趋势之一。
1.4主要研究内容
本课题以单片机为主要手段，以电饭煲为控制对象，将模糊控制技术应用于电饭煲的控制当中。
由于在模糊电饭煲的开发方面，许多前辈已经做了大量卓有成效的工作，即使在今天，模糊电饭煲在市场上也是比比皆是。
本文在借鉴前人工作的基础上，研制出了一种模糊电饭煲控制系统，并重点研究了如下内容:
（1）在进行大量测试及实验之后，提出一种新的判断米量的方法，并取得良好的应用效果；
（2）研究了电饭煲硬件控制系统，重点研究了低成本化设计方法；
（3）对硬件系统的各单元电路设计详细的进行了叙述；
（4）根据新的米量判断方法，设计了相应的软模糊控制流程及模糊电饭煲控制软件流程，并给出了相应的程序源代码。
第二章智能化电饭煲的设计
为了得到最佳的炊煮质量，电饭煲炊煮过程中，需要解决的主要问题往往是确定合理的炊煮工艺流程设计方案，找到一个易于实现的控制方法，同时对异常处理采取的何种策略，最终实现准确推算炊煮量和最佳的升温控制过程。
当前的模糊控制电饭煲普遍采用二维控制器，虽然可以较准确的推算出米量，但由于算法复杂和存储空间限制等原因，致使米量不能细致划分，影响米饭的煮出效果，而且限制了其智能化功能的扩展。
2.1电饭煲工作流程设计
要想做出松软香滑的米饭，必须掌握加热对象的性质及详细的加热过程，只有这样，才能够将米中不易溶于水、难以消化的β淀粉转变为易溶于水、易于消化的α淀粉。
电饭煲作为加热对象，其特性的影响因素是多方面的，如结构、材料、发热盘的形状、甚至是顶盖出气孔的大小对其吸热散热都有影响。
当然，在电饭煲煮饭的过程中，米量的大小对其吸热散热特性的影响是最大的，米量的大小甚至影响到烹调的工艺过程。
换句话说，电饭煲必须对不同的米量采取相应的不同的控制方案和工艺过程，才能达到期望中的效果。
所以，在其它因素（如结构、材料、发热盘的形状、顶盖出气孔的大小等）一定的情况下，对米量进行模糊判断是决定控制效果好坏的关键。
为了选取合适的输入量进行米量的估算，首先必须确定电饭煲的炊煮工艺。
图2.1为最佳米饭炊制底部升温曲线。
图中显示出，米饭的炊制过程大致分为吸水、加热、沸腾、焖饭和保温五个阶段。
图2.1最佳米饭炊制升温曲线
（1）吸水阶段（t0一t1）
吸水阶段的作用是在对大米进行加热之前，使大米在一定的温度下充分吸水，使大米含水率从14%上升到25%左右，以保证米粒在加热过程中内外均匀受热，热量透到大米的芯部，从而使之烧成柔软鼓胀状。
但是，一旦水温超过60℃，米中含有的β淀粉开始转化为α淀粉，米将变成糊状。
所以，一般将水温控制在60℃以下。
（2）加热阶段（t1一t2）
加热升温阶段把已吸足水份的米采用大功率进行加热。
这样，米、水的温度迅速升高，将较快的达到沸点。
而且随着水的对流，米被均匀加热。
在此阶段，必须完成米量的判别工作，根据投入米量的多少以及温度的变化来调节加热功率。
（3）沸腾阶段（t2一t3）
沸腾阶段是促成米粒由β淀粉转化为α淀粉的主要阶段，应保持一定的时间。
沸腾阶段电饭煲内的温度保持在100℃的水平。
大米充分吸水后，锅内的水逐渐减少，锅底趋于干燥，当锅底的水份减少到一定程度后，锅底温度就会迅速上升，这时沸腾过程结束。
由图2.1可见，在沸腾阶段的最后部分使锅底温度上冲，升高到125℃左右，一般根据饭量不同，控制沸腾阶段的时间和锅底部上冲温度也不同。
（4）焖饭阶段（t3一t4）
焖饭阶段是为了让热量透到米饭的芯部，使之充分受热而内外质量趋于一致，也就是使米芯的淀粉α化。
焖饭阶段还使大米外部的水份一部分渗透入米芯，促使内部的成熟变化，另一部分蒸发掉，这样就使得整粒米饭内外一致。
一般焖饭之后的米饭含水率在69%左右。
在焖饭阶段一般可采用间歇加热，目的是使锅内的温度达到焖饭的温度，当达到一定的温度时，停止加热或小功率加热，由饭锅利用余热对米饭进行热焖，焖饭结束后，米饭将完全成熟，无论硬度或黏度都会令人满意。
（5）保温阶段（大于t4）
保温阶段可使米饭维持在70℃左右等待食用。
日常使用的机械式电饭煲，利用磁钢受热后磁性减弱来控制加热丝的通断。
电源一旦接通，就持续加热。
达到最高温度后，开关自动断开，结束煮饭。
这种电饭煲无法实现吸水和保温过程，因而不可能实现图2.1所示的煮饭过程，使得米饭的口感和质量较差，也无法实现和用户之间的交互以完成各种附加功能。
普通电脑式电饭煲，一般都能够实现上述工艺曲线。
但也存在不少质量问题:
例如，在低电压下，煮饭米多时，表面夹生;
在高电压下，底部烧焦现象比较严重，且快速煮饭时有米汤溢出情况;
煮粥过程中，由于担心沸腾后米汤溢出，普遍保守地采用过小的火力煮粥，在水多时，造成粥始终不沸腾，或沸腾时间极短，煮成清水粥；
和用户的交互性差，实现的功能少，使用时不方便;
还有就是不能区分米种，由于各个米种在吸水性等指标上的区别，若统一用一个固定的加热火力来进行，同样会造成米饭夹生、烧焦，甚至根本无法煮熟（例如什锦米）。
主要解决的方法是增加内锅厚度和采用三维立体加热模式，这都会使米饭的加热更加均匀，避免烧焦和夹生等情况的发生。
另外，基于专家经验，采用模糊控制算法准确的判断炊煮的米量，找出在炊煮过程中出现的异常问题的处理对策，针对不同的米种会实施不同的加热火力，都是解决上述问题的关键。
图2.2是一种国外三维立体加热式电饭煲的煮饭过程顶底温度曲线，图2.3是它的煲粥、煲汤、蒸煮过程顶底温度曲线。
实验中发现，由于它的内锅较厚并且采用三维立体式加热，所以在煮饭和煲粥的过程中火力比较均匀，煮出的米饭和粥口感较好，而且未出现烧焦、夹生等情况。
在程序中使用模糊控制算法，即所谓的“模糊控制电饭煲”与普通电脑式电饭煲不同之处在于控制中运用了模糊控制技术。
传统控制方式中，控制效果的好坏取决于是否知道受控对象的精确数学模型，而在电饭煲的控制中，随着烹煮的米量和水量的不同，受控对象的数学模型变化是很大的。
初始水温、环境温度和电饭煲顶盖的密封程度等参数对控制效果也有较大影响，很难用一个精确的数学模型来描述受控对象。
此外，煮饭工艺曲线的各个过程，控制目标也不相同，这是传统控制方法用于煮饭和煮粥等功能的困难之处。
尤其是在煮粥的过程中，由于米量和水量的不同和半导体热敏电阻的误差，当锅内水沸腾时，锅底温度的差异可能达到10℃左右。
而火力稍大一点，要溢出;
火力小一点，水不开锅。
要在煮粥的lh~6h之内，保持最短约40min的沸腾状态而不溢出，是一件相当困难的事情。
所以，即使是已经采用模糊逻辑控制的电饭煲，如果不对模糊控制策略和规则进行精心调整，也难于达到满意的控制效果。
图2.2三维立体加热式电饭煲的煮饭特性图
图2.3三维立体加热式电饭煲的煲粥、煲汤、蒸煮特性图
电饭煲的炊煮流程和模糊控制策略是密切相关的，在设计炊煮流程的过程中要考虑模糊控制策略。
不但如此，由于电饭煲是一个家庭日用品，所以要考虑到各种异常情况的发生，炊煮流程中要有这些异常情况的对策。
经过对各种电脑式电饭煲进行测量分析，结合己有的一些经验，本着控制算法易于在程序中实现的原则，针对炊煮模式，确定出炊煮流程如图2.4所示。
图2.4电饭煲煮饭流程图
在此流程中有以下异常情况的对策:
（1）用热水煮饭，即“热水冷锅”
（2）做完饭后，又立刻做第二锅饭，即“热锅冷水”
（3）加热盘上有米
（4）做饭过程中开顶盖
（5）水量过多
（6）水烧干
在本流程中，相对于传统的炊煮流程增加了等待阶段，目的是对开始煮饭时电饭煲的初始状态进行判定。
开始煮饭时水和锅的状态并不一定是一致的，有可能是“热锅冷水”，或是“热水冷锅”。
这一阶段就是采用计时等待的办法，等待大约3min的时间，使锅和水的状态达到一致，以便对初始的煮饭状态做出准确的判断。
若3min后，不满足等待阶段跳转条件，则可断定是“热水冷锅”，直接跳入加热阶段，禁止米量的判定。
若是在3min之内，满足跳转条件，则可以认定为“热锅冷水”或是“冷水冷锅”。
可以把传统流程的吸水阶段细化为三个阶段。
预热阶段1是全速加热，使加热对象快速进入吸水状态，从而缩短总体煮饭时间。
预热阶段2是使加热对象进入吸水阶段时的惯性小一些，便于恒定温度控制。
在吸水阶段，主要是进行恒温控制。
不同的米种在吸水阶段的吸水时间和吸水温度是不同的，这主要取决于米种的吸水特性。
一般说来，米种的吸水特性越好，它的所需吸水时间越短，吸水温度越低。
不同的煮饭模式在吸水阶段的吸水时间和吸水温度也是不同的，这主要取决于各种功能下加热模式对米种含水量的要求，具体的吸水参数如表2.1所示。
表2.1吸水时间和温度特性表
在加热阶段要完成米量的判断工作，由于采用到达顶部某一温度所需时间来判断米量，所以在加热阶段前顶部加热器一直是关闭的。
当加热盘上有米粒时，内锅的锅底和底部加热盘之间不完全接触，加热盘的热量没有被内锅很好的吸收，造成热量的大量集聚，这就使得底部传感器的温度迅速升高，造成异常。
当底部温度大于T3时，进入异常模式，禁止米量的判断，4min后缓和进入沸腾状态。
若在煮饭的过程中顶盖处于未关合状态，此时锅内的蒸汽不会影响顶部传感器的温度，顶部永远不会达到T2温度，这样经过21min后，禁止米量判断，进入沸腾状态。
沸腾阶段的主要作用是完成锅内剩余水份的吸收。
不同的米量，不同的米种以及不同的煮饭模式要采用不同的加热功率。
对于加热阶段中禁止米量判断的情况，可以默认为它的米量为“较大”，这样在沸腾中会采取一种比较温和的方式进行加热，来保证米饭的质量。
对于什锦米，它的沸腾维持阶段较为复杂一些，因为它是小米、燕麦、黑米、糙米、高粱米、珍珠米、小麦等米种的组合，而以上这些米的吸水特性都很差。
如果进入沸腾阶段之后立即开始对其进行加热，由于它的吸水不够充分，锅内温度会升高很快，当锅底温度大于T3时，进入焖饭阶段。
它的沸腾维持是不充分的，往往会造成米饭夹生，或者根本未被煮熟。
所以，什锦米沸腾维持要分若干个阶段，本着边吸水边沸腾的原则，才能使米饭煮出的效果较好。
从什锦米的煮出效果来看，沸腾维持阶段对其的影响是最大的。
还有一点需要说明的是，如果在初始煮饭时刻水量添加过多，在沸腾维持阶段有可能很长时间内都无法将锅内剩余水份吸收，这样25min过后，会进入附加沸腾维持阶段，直至锅内的水份被完全的吸收。
为了避免这种情况多次发生，要进行米水配比实验，定出最佳水位线。
焖饭分3个阶段，根据米量、米种、煮饭模式的不同，各个阶段的时间和加热功率都是不同的，焖饭时间结束后进入保温状态。
在沸腾、焖饭及保温阶段，要采用统一的上盖控制，防止锅内的水蒸汽在锅顶盖凝结成水。
在所有以上流程中，都有水烧干的防护措施。
一旦水烧干，锅底温度迅速升高，电饭煲会进行报警和自动断电，以免发生危险。
2.2电饭煲模糊控制器设计
模糊控制器的设计方法可以分为两类:
试错法（Trial-and-errorApproach）和理论法（TheoreticalApproach）。
在试错法中，首要任务是建立一个模糊IF-THEN规则集合，规则可以通过总结经验知识而得到，也可以通过精心组织的问卷向领域内专家请教而得到;
然后，基于这些模糊IF-THEN规则建立模糊控制器;
最后，在实际系统中检验模糊控制器，如果性能指标不满意，则对上述规则进行细微调整或通过反复用试错法进行再设计，直至效果达到指标要求为止。
用理论法进行设计，模糊控制器的结构和参数是以保证某一性能标准为设计原则的。
本文所采用的模糊控制器的设计方法为试错法。
其设计方法可以概括为以下三步:
（1）分析实际系统并选择状态变量和控制变量。
状态变量应能描述系统关键特性，控制变量应该能够影响系统的状态.状态变量是模糊系统的输入，控制变量是模糊系统的输出。
（2）推演连接状态变量与控制变量的模糊规则。
（3）将推演出的模糊IF-THEN规则组合成模糊系统，并检验此模糊系统作为控制器的闭环系统。
机试运行带有模糊控制器的闭环系统，如果不满意其性能指标，则对其进行微调或再设计，并重复此过程，直至效果满意为止。
2.2.1模糊控制的基本思想
模糊控制是一种计算机数字控制，所以其控制系统框架同一般的数字控制系统一样，只不过它的控制器是模糊控制器。
模糊控制器的控制规律由程序实现，在实现的过程中要经过以下三个步骤:
输入量的模糊化、模糊推理和输出量的解模糊。
在模糊控制过程中，将测到的过程精确量转化为模糊量，再经过根据经验总结成的若干模糊规则和必要的模糊处理后，模糊判断系统根据输入的模糊信息按照控制规则和推理法则，做出模糊决策，然后输出解模糊后的控制量并作用于执行系统，完成控制动作，且这种动作是以精确量表现出来的。
（1）模糊化
模糊化是将模糊控制器输入量的确切值转换为相应模糊语言变量值的过程，此相应语言变量值均由对应的隶属度来定义。
在实际应用中，常常选择三角形作为语言变量的隶属度曲线。
在模糊化的过程中，一般利用最大隶属度原则，即在语言集中选择该元素对应的隶属度最大的语言变量，作为该项确切值的模糊子集。
（2）模糊推理
模糊推理包括三个组成部分:
大前提、小前提和结论。
大前提是多个模糊条件语句，构成规则库;
小前提是一个模糊判断句，又称事实。
模糊推理就是以已知的规则库和输入变量为依据，基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过程。
（3）解模糊
解模糊是将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值的过程。
它的目标是产生确切的控制动作，应该能够最好的反映出推理出的模糊控制动作分配的可能性。
常用的方法有最大隶属度法、加权平均法和重心法。
目前，实用模糊逻辑控制常用的方法有查表法和软件模糊推理等。
查表法是将输入的隶属度函数、模糊控制规则和输出隶属度函数都用表格来表示，从输入量的模糊化、模糊推理和模糊判决都通过查表来实现。
软件模糊推理的模糊化、模糊推理和模糊判决三个过程都用软件来实现。
对于本文研究的米量和加热功率模糊推理机来说，其推理过程是开环的，模糊推理机只包含输入量的模糊化、利用规则的模糊推理及输出量的解模糊，隶属度函数、模糊控制规则可以用表格来表示，模糊推理机的最终输出量为具体米量的值和加热功率的值。
2.2.2炊饭量的模糊推理
因为影响炊饭量检测的因素众多，所以不能采用称重传感器或其它直接侧量的方法，而只能用温度传感器测出饭温信号，利用模糊推理，组成测定饭量的软传感器，最后通过模糊决策来判断米量的值。
通过实验和分析，发现几种有代表性的电饭煲均在预热段进行米量推理过程。
但是，若在预热段对米量进行推理，会受到初始水温和环境温度的严重影响，而难以得到准确的判断。
实验表明，当米水经过吸水阶段之后，锅内温度处于60℃左右，在此基础上再进行加热和推理，能排除初始水温不一致的影响，因此，控制器采用在加热阶段来进行米量的推理
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