畢業(yè)設(shè)計(jì)---模糊控制電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（含外文翻譯)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題目：模糊控制電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 測控技術(shù)與儀器 </p>&l

2、t;p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　職 稱 講 師 </p><p><b>　　2011年6月8日</b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)度檢查記錄</p><p>　　x

3、x畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 </p><p>　　院長 教研室主任 指導(dǎo)教師 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告表</p><p>　　2011 年 3月 17日</p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計(jì)

4、（論文）答辯記錄表</p><p>　　機(jī)械工程 學(xué)院 測控技術(shù)與儀器 專業(yè) 07 年級(jí) 學(xué)生 </p><p>　　xx本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評閱表</p><p><b>　?。ㄔO(shè)計(jì)類）</b></p><p>　　xx畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績考核表</p><p>

5、;<b>　　摘 要</b></p><p>　　本課題所研究的是模糊控制電磁加熱電飯煲的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。主要著眼于電磁電飯煲具有智能、安全、高效、節(jié)能等優(yōu)越性能，并且日益成為現(xiàn)代化的廚房中不可缺少的廚具，蘊(yùn)藏著巨大的市場商機(jī)。</p><p>　　本課題從理論分析的角度出發(fā)，對電磁感應(yīng)加熱原理和模糊控制理論進(jìn)行了探討。課題以電磁感應(yīng)加熱原理和模糊控制理論

6、為基礎(chǔ)，研究了電磁電飯煲的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括硬件電路設(shè)計(jì)及其各部分電路的工作原理、軟件設(shè)計(jì)及模糊控制理論的應(yīng)用和電磁兼容性設(shè)計(jì)。</p><p>　　硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)、開關(guān)電源、主諧振電路、IGBT控制電路、傳感器檢測電路、按鍵檢測電路、液晶和LED顯示電路以及各種報(bào)警保護(hù)電路等，并且具體分析了各部分電路的功能和工作原理。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)部分以模糊控制理

7、論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了米量判斷和溫度模糊控制。根據(jù)煮飯專家提出的最佳煮飯的工藝過程曲線，首先通過模糊控制器來判斷米量，然后根據(jù)米量來設(shè)定相應(yīng)的煮飯加熱工藝過程。在軟件設(shè)計(jì)中，先論述了程序總體構(gòu)架，然后具體分析了主程序、各個(gè)子程序以及中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　電磁兼容性設(shè)計(jì)中，首先分析了電磁干擾的來源，并且提出了客服電磁干擾的具體方法，改善了電磁電飯煲的電磁兼容性。</p>

8、<p>　　電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及智能控制理論、電力電子、電磁感應(yīng)加熱、傳感器測量等多個(gè)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的電飯煲采用電熱盤加熱的方法相比有很多的優(yōu)越性能，具有較高的研究價(jià)值和社會(huì)意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞:電磁感應(yīng)加熱；模糊控制；開關(guān)電源；電磁電飯煲；電磁兼容</p><p><b>　　Abstract</b></p><

9、p>　　This thesis focuses on the design and realization of the induction heating rice cooker control system using fuzzy control algorithm. It has increasingly become one of indispensable kitchen wares in a modern kitch

10、en and the market opportunities are huge.</p><p>　　From the perspective of theoretical analysis, this thesis does an in-depth discussion on the principle of electromagnetic induction heating and fuzzy contro

11、l theory. Based on the principle of electromagnetic induction heating and fuzzy control theory, this thesis studies the control system design of the induction rice cooker, mainly including hardware circuit design and fun

12、ction principles of every part, software design and application of fuzzy control theory, and the design of electromagnetic c</p><p>　　Hardware circuit design mainly includes MCU system, switching power suppl

13、y, main resonant circuit, IGBT control circuit, sensor detection circuit, key detection circuit, LCD and LED display circuit, and all kinds of protection and alarm circuits. Functions and working principles of every part

14、 are described in detail.</p><p>　　In the part of software design, fuzzy controller is designed based on fuzzy control theory to realize rice-quantity deduction, temperature control, and power control. Accor

15、ding to the rice cooking process curve advised by expert, rice-quantity is first deduced by fuzzy controller, then the corresponding rice heating process is set according to the rice quantity. In electromagnetic compatib

16、ility design, the sources of electromagnetic interference are analyzed. Measures are proposed to overcome el</p><p>　　Design on the control system of the induction rice cooker covers many fields such as inte

17、lligent control theory, power electronics, electromagnetic induction heating and sensors etc. Compared with traditional rice cooker that adopts resistance heating, induction rice cooker has many superior advantages and t

18、hus has high research values and social significance. After a long period running test, the control system functions well and runs stably and reliably.</p><p>　　Keywords: electromagnetic induction heating, f

19、uzzy control, switching power supply, induction rice cooker, electromagnetic compatibility</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一

20、章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題背景及研究的意義1</p><p>　　1.1.1 課題背景1</p><p>　　1.1.2 課題研究的目的及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)外電磁感應(yīng)加熱技術(shù)

21、的應(yīng)用現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢3</p><p>　　1.3 課題來源與研究的主要內(nèi)容4</p><p>　　第二章 電磁感應(yīng)加熱原理及其在電飯煲中的應(yīng)用5</p><p>　　2.1 電磁感應(yīng)加熱原理5</p><p>　　2.1.1 電磁感應(yīng)加熱原理5<

22、/p><p>　　2.1.2電磁感應(yīng)的三個(gè)效應(yīng)6</p><p>　　2.2 電磁電飯煲電磁感應(yīng)加熱電路的組成7</p><p>　　2.3 電磁電飯煲主加熱電路及電壓逆變電路工作過程分析8</p><p>　　第三章 模糊控制理論及其在電磁電飯煲中的應(yīng)用11</p><p>　　3.1模糊控制理論11<

23、/p><p>　　3.1.1模糊控制系統(tǒng)的基本組成11</p><p>　　3.1.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)12</p><p>　　3.2模糊控制理論在電磁電飯煲中的應(yīng)用12</p><p>　　3.2.1煮飯的加熱溫度工藝曲線13</p><p>　　3.2.2米量測定模糊推理14</p><p

24、>　　3.2.3溫度控制模糊推理17</p><p>　　第四章 電磁電飯煲控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1 電磁電飯煲控制系統(tǒng)硬件電路整體性設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.2 MCU 系統(tǒng)設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2.1 單片機(jī) MC9S08AW32 簡介20</p><

25、;p>　　4.2.2 單片機(jī) I/O 口資源分配20</p><p>　　4.2.3 單片機(jī)電源、復(fù)位、晶振電路21</p><p>　　4.3 顯示電路和鍵盤掃描電路的設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.4 開關(guān)電源的設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.5 同步電路的設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.6

26、側(cè)面和頂蓋加熱電路的設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.7 浪涌保護(hù)電路的設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.8 鍋底、頂蓋和 IGBT 溫度檢測電路的設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.9 風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.10 IGBT 控制電路的設(shè)計(jì)28</p><p>　　第五章 電磁電

27、飯煲控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)29</p><p>　　5.1 程序總體架構(gòu)設(shè)計(jì)29</p><p>　　5.2 液晶顯示子程序流程圖30</p><p>　　5.3 按鍵掃描程序流程圖31</p><p>　　5.4 軟件抗干擾設(shè)計(jì)32</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b><

28、;/p><p><b>　　附錄136</b></p><p><b>　　附錄251</b></p><p><b>　　致謝63</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1課題背景及

29、研究的意義</p><p>　　1.1.1 課題背景</p><p>　　電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯(lián)系，對麥克斯韋電磁場理論的建立具有重大意義。電磁感應(yīng)定律是1831年英國物理學(xué)家法拉第根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象提出的，即當(dāng)電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變的磁場時(shí)，電路兩端就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢，如果閉合就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電

30、流。電磁感應(yīng)定律為人們進(jìn)行電、磁能量轉(zhuǎn)化的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。</p><p>　　電磁感應(yīng)加熱來源于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。根據(jù)焦耳定律，當(dāng)導(dǎo)體中存在感應(yīng)電流時(shí)，導(dǎo)體會(huì)發(fā)熱。長期以來，科學(xué)技術(shù)人員都對這一現(xiàn)象有較好地了解，并且在各種場合盡量抑止這種發(fā)熱現(xiàn)象，來減少損耗。比較常見的如開關(guān)電源中的變壓器設(shè)計(jì)，通常設(shè)計(jì)人員會(huì)用各種方法來減小渦流損耗，來提高效率。然而在19世紀(jì)末期，科學(xué)技術(shù)人員又發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的有利面

31、，就是可以將之利用到加熱場合，來取代一些傳統(tǒng)的加熱方法。</p><p>　　國內(nèi)的電力電子技術(shù)起步比較晚，所以電磁感應(yīng)加熱技術(shù)也落后于國外很多。但是由于市場前景廣闊，所以研究電磁感應(yīng)加熱的科學(xué)技術(shù)人員逐漸增加。國內(nèi)在此領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的為浙江大學(xué)，但是離國外先進(jìn)技術(shù)還有相當(dāng)距離。</p><p>　　1.1.2 課題研究的目的及意義</p><p>　　傳統(tǒng)的加熱

32、方式，多以煤、油、氣為能源或箱式電爐加熱，不僅造成有限資源的浪費(fèi)、環(huán)境污染，而且工作效率低。據(jù)研究資料顯示，煤的熱效率約為12~20%，液體燃料的熱效率約為20~40%，氣體燃料的熱效率約為50~60%,而電磁加熱產(chǎn)品由于其電磁感應(yīng)加熱原理，通過交變的電磁場直接作用于被加熱的鍋底產(chǎn)生渦流，導(dǎo)體的熱效應(yīng)使鍋底迅速發(fā)熱，由于不需要熱傳遞其熱效率高達(dá)90%以上，并且發(fā)熱速度快。同時(shí)，運(yùn)用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)與傳統(tǒng)的煤、油、氣以及使用電熱管的用電設(shè)

33、備相比，在環(huán)境保護(hù)、使用壽命、安全性能等方面都具有獨(dú)特優(yōu)勢。電磁感應(yīng)加熱方式既節(jié)約了電能，又節(jié)省了時(shí)間。</p><p>　　電磁感應(yīng)加熱技術(shù)相對于傳統(tǒng)的加熱技術(shù)來講，主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1)非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸。</p><p>　　(2)加熱效率高，速度快，可以減少表面氧化現(xiàn)象。</p><p>

34、;　　(3)容易控制溫度，提高加工精度。</p><p>　　(4)可實(shí)現(xiàn)局部加熱。</p><p>　　(5)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。</p><p>　　(6)可減少占地、熱輻射、噪音和灰塵。</p><p>　　由于電磁感應(yīng)加熱具有以上的優(yōu)點(diǎn)，電磁加熱技術(shù)得到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界極大的關(guān)注，大量的學(xué)者和工程技術(shù)人員對此進(jìn)行了研究，使電磁加熱技

35、術(shù)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用日益廣泛，如電磁爐等已經(jīng)在現(xiàn)代廚房中得到普及。而電磁電飯煲是一種新型的廚房電器，由于采用了電磁感應(yīng)加熱方式，煮飯速度快，米飯口感好，正在逐步得到人們的青睞。然而，由于采用模糊控制的電磁感應(yīng)加熱電飯煲存在檢測困難、控制復(fù)雜的特點(diǎn)，國內(nèi)只有少數(shù)大型家電公司能夠研制、生產(chǎn)電磁電飯煲。市場上可供選擇的電磁電飯煲品種較少，價(jià)格昂貴，市場份額還相對來說還比較小。</p><p>　　當(dāng)前，雖然電磁電飯煲市

36、場容量發(fā)展速度比較快，但國內(nèi)市場上電磁電飯煲的產(chǎn)品種類還較少，市場占有率不高，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，特點(diǎn)是：價(jià)格高，產(chǎn)品功率不大，連續(xù)功率調(diào)節(jié)范圍窄。國內(nèi)市場上只有少數(shù)知名廠商能夠生產(chǎn)電磁電飯煲，但其控制系統(tǒng)基本上是以進(jìn)口為主，而且價(jià)格高昂，不進(jìn)行電磁加熱技術(shù)的研究和產(chǎn)品的開發(fā)，就必然在日益激烈的家電廚具市場競爭中被淘汰。應(yīng)用電磁加熱技術(shù)的家電產(chǎn)品的發(fā)展具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，而且清潔環(huán)保，節(jié)約能源。伴隨著國家應(yīng)對能源緊

37、缺和環(huán)境保護(hù)問題的呼聲越來越高，同時(shí)電磁技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展為電磁加熱技術(shù)的應(yīng)用提供了硬件基礎(chǔ)，應(yīng)用電磁技術(shù)的家電產(chǎn)品必將走向更加廣闊的市場。因此，本課題采用電磁感應(yīng)加熱原理和模糊控制技術(shù)開發(fā)一款性價(jià)比較高的電磁感應(yīng)加熱電飯煲，具有較高的研究意義和很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　1.2.1

38、 國內(nèi)外電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)前電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在家電領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用充分體現(xiàn)在電磁爐產(chǎn)品的快速發(fā)展過程中，2003年電磁爐的市場擁有量為600萬臺(tái)，2004年已經(jīng)發(fā)展到1200萬臺(tái)以上，到2007年已超過3000萬臺(tái)的市場規(guī)模，據(jù)多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)預(yù)測，未來三年左右市場總的保有量將超過一億臺(tái)，市場將逐步趨向飽和，年銷售量將穩(wěn)定在3500萬臺(tái)左右。目前國內(nèi)市場電磁產(chǎn)品的現(xiàn)狀是在民用領(lǐng)域的小家

39、電行業(yè)中應(yīng)用發(fā)展迅速，在廚房炊具及其他領(lǐng)域大有可為，但電磁加熱家電產(chǎn)品無論從品種還是電磁感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用都還是處于產(chǎn)品單一而且技術(shù)上同質(zhì)化的時(shí)期。</p><p>　　從技術(shù)的角度分析，現(xiàn)在市場上的電磁爐產(chǎn)品，雖然發(fā)展速度很快，但還處于電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用的初級(jí)階段，特點(diǎn)是：電路形式簡單，產(chǎn)品功率不大，連續(xù)功率調(diào)節(jié)范圍窄(特別是低功率時(shí))以及外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(特別是風(fēng)道設(shè)計(jì))大同小異等。</p><

40、;p>　　近些年來，國外通過對電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的研究不斷深入和發(fā)展，應(yīng)用電磁技術(shù)的產(chǎn)品種類繁多，新興的專利和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，如松下公司推出“W.IH”電磁電飯煲的第二代產(chǎn)品，即所謂雙電磁感應(yīng)加熱電飯煲，它是分別在鍋底部和鍋蓋上設(shè)有各自獨(dú)立工作的電磁感應(yīng)線圈，火力大小均可調(diào)節(jié)(自動(dòng))，上部的感應(yīng)加熱線圈使上加熱器向下輻射熱量，好像電烤箱一樣。由于煮出來的飯松軟可口，所以又稱之為煮飯效果均勻的電飯煲。</p><p&

41、gt;　　電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在其他方面的應(yīng)用也如雨后春筍般出現(xiàn)。電磁熱水器的熱效率在95%以上，體積小、重量輕，工作時(shí)無任何噪音，自動(dòng)化控制程度非常高并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控。電磁感應(yīng)技術(shù)與當(dāng)前最流行的納米技術(shù)相結(jié)合，用在醫(yī)療上可以開發(fā)出治療關(guān)節(jié)、骨骼方面的特種設(shè)備，對人體可以有加熱和磁療的同步效果；用在裝飾材料上可以開發(fā)出新一代采暖系統(tǒng)，替換當(dāng)前高能耗的水暖裝置，響應(yīng)國家節(jié)能號(hào)召；用在冶煉行業(yè)可以開發(fā)出新型超高功率煉鋼煉鐵裝置，取代當(dāng)前低效率

42、高消耗的冶煉過程。鋁箔封口機(jī)，電子高壓滅菌器，熱裝式夾緊系統(tǒng)都在不同程度上使用了感應(yīng)加熱技術(shù)，不僅安全，而且提高了工作效率。</p><p>　　目前我國整體廚房概念逐步推廣，電磁家電產(chǎn)品的種類將增加，除了適合廚房應(yīng)用的大功率電磁爐、電磁電飯煲之外，小功率的電磁感應(yīng)技術(shù)結(jié)合活實(shí)時(shí)的單片機(jī)控制和相關(guān)傳感器技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于電壓力煲、洗碗機(jī)、電水壺、飲水機(jī)、咖啡機(jī)等小家電上，給我們的生活帶來更多便利。隨著市場對電磁感

43、應(yīng)加熱技術(shù)的深入研究，它必將會(huì)對我們的生產(chǎn)，生活等諸方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)而積極的影響。</p><p>　　1.2.2 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢</p><p>　　電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展與功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展密切相關(guān)。隨著功率器件的大容量化和高頻化，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)也向大容量化和高頻化發(fā)展。時(shí)，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在應(yīng)用上從工業(yè)向家用電器方向發(fā)展，在技術(shù)上主要是向大功率和高頻率方向發(fā)展，在控制上主

44、要向智能化方向發(fā)展。綜合起來，今后電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在家電領(lǐng)域的應(yīng)用將帶有鮮明的時(shí)代特征，具有以下三大特點(diǎn)：智能化、低成本、環(huán)保型。</p><p>　　電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在家電應(yīng)用中的一個(gè)重要發(fā)展方向是智能化控制。智能技術(shù)實(shí)質(zhì)上是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、信息技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)和傳感技術(shù)等科學(xué)理論于一身的高自動(dòng)化技術(shù)。電磁家電產(chǎn)品作為家電產(chǎn)品的一族，也必然向著智能化的方向發(fā)展，例如采用具有學(xué)習(xí)能力的自適應(yīng)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

45、模糊控制技術(shù)等多種模擬人類智能的電磁家電產(chǎn)品以及采用觸摸技術(shù)和大屏幕液晶顯示的電磁家電產(chǎn)品均已開始出現(xiàn)。</p><p>　　隨著電力電子技術(shù)、高性能半導(dǎo)體和先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟并且其應(yīng)用范圍從工業(yè)領(lǐng)域向家電領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。電磁家電產(chǎn)品作為家電產(chǎn)品領(lǐng)域中的新興產(chǎn)品，產(chǎn)品已由導(dǎo)入期進(jìn)入上升期，尚有巨大的市場發(fā)展空間，并且可派生一系列相關(guān)的新產(chǎn)品?？梢灶A(yù)料，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用將如制冷技

46、術(shù)(冰箱、空調(diào))等一樣發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景。</p><p>　　1.3 課題來源與研究的主要內(nèi)容</p><p>　　電磁電飯煲是現(xiàn)代廚房中比較高端的廚具，與傳統(tǒng)的電飯煲相比有很多優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場空間。與電磁爐使用頻率低(消費(fèi)者常用來燒水或者打火鍋)、只能作為輔助炊具相比，多功能電磁電飯煲完全可以代替電飯煲和燃?xì)庠?，由輔助飲具向主導(dǎo)飲具發(fā)展，成為現(xiàn)代化的廚房中不

47、可缺少的炊具。目前我國國內(nèi)市場上的電磁電飯煲產(chǎn)品種類非常單一，能夠研發(fā)電磁電飯煲控制系統(tǒng)并且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的廠商非常少，市場上所賣電磁電飯煲產(chǎn)品多為國外品牌且產(chǎn)品價(jià)格昂貴，與市場的需求相矛盾。因此，研發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電磁電飯煲控制系統(tǒng)具有較高的理論意義和很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本課題根據(jù)電磁感應(yīng)加熱原理和模糊控制理論，進(jìn)行電磁電飯煲的控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。本課題的主要研究內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：</p><p>　

48、　(1)理論上分析電磁感應(yīng)加熱原理，推導(dǎo)出影響電磁感應(yīng)加熱功率的因素。討論串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振電路，并根據(jù)并聯(lián)諧振電路設(shè)計(jì)主加熱電路并進(jìn)行電壓諧振逆變電路工作過程的分析。</p><p>　　(2)理論上分析模糊控制理論及其在電磁電飯煲控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。根據(jù)模糊控制理論設(shè)計(jì)模糊控制器，分別完成米量測定模糊推理和溫度模糊控制。</p><p>　　(3)進(jìn)行電磁電飯煲控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括M

49、CU系統(tǒng)、主加熱電路、顯示電路和按鍵掃描電路、開關(guān)電源電路、同步電路和各種保護(hù)電路等并且對各電路進(jìn)行功能及工作過程分析。完成原理圖的繪制、元器件的選型、印制電路板的設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作、硬件調(diào)試等工作。</p><p>　　(4)進(jìn)行電磁電飯煲控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，完成電磁電飯煲控制系統(tǒng)功能的程序開發(fā)。完成電磁電飯煲控制系統(tǒng)實(shí)際煮飯效果測試，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。</p><p>　　(5)分析電磁

50、電飯煲控制系統(tǒng)的電磁兼容問題，提出解決電磁干擾的具體措施并進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　第二章 電磁感應(yīng)加熱原理及其在電飯煲中的應(yīng)用</p><p>　　2.1 電磁感應(yīng)加熱原理</p><p>　　1831年，英國物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并且提出了相應(yīng)的解釋理論即電磁感應(yīng)定律，其內(nèi)容為，當(dāng)電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變的磁場時(shí)，電路兩端就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢，如

51、果電路閉合就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。電磁感應(yīng)加熱是法拉第電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用。電磁感應(yīng)加熱方式與傳統(tǒng)的加熱方式相比有很多優(yōu)點(diǎn)，如非接觸式加熱、無明火、無污染、速度快、效率高等，因此電磁家電產(chǎn)品吸引了越來越多的消費(fèi)者。</p><p>　　2.1.1 電磁感應(yīng)加熱原理</p><p>　　電磁感應(yīng)加熱包含兩方面的要素：焦耳定律和電磁感應(yīng)原理及其三個(gè)效應(yīng)，包括集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)和圓環(huán)效應(yīng)。電磁感應(yīng)加熱的

52、過程是：根據(jù)安培定則，當(dāng)線圈中通過交變的電流時(shí)會(huì)在其周圍產(chǎn)生交變的磁場，當(dāng)金屬工件置于這個(gè)交變的磁場中的時(shí)候，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及其三個(gè)效應(yīng)，在金屬工件的表面會(huì)產(chǎn)生渦流電流。金屬工件具有電阻值，根據(jù)焦耳定律，渦流在金屬工件上產(chǎn)生大量的熱量，從而使金屬工件迅速發(fā)熱。這就是電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的基本原理，與變壓器的原理相似。圖2-1是變壓器的基本形式，次級(jí)線圈電流值I2與初級(jí)線圈電流值I1之比等于初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的匝數(shù)之比。當(dāng)次級(jí)線圈匝數(shù)

53、為1且短路時(shí)，次級(jí)線圈電路會(huì)顯著增加，因此會(huì)在負(fù)載ZL上產(chǎn)生明顯的熱損耗如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-3是一個(gè)基本的電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的示意圖，包括電磁感應(yīng)初級(jí)線圈，次級(jí)負(fù)載和交變的電源。當(dāng)初級(jí)線圈中通以交變的電流時(shí)，初級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生交變的磁場，次級(jí)負(fù)載位于交變的磁場中會(huì)產(chǎn)生渦流從而發(fā)熱。圖3中，初級(jí)線圈為一長直螺線管，在長直螺線管的內(nèi)部放置有一根圓柱形的導(dǎo)體。如圖所示，在長直螺線管中通以交變的電流，螺

54、線管的周圍會(huì)產(chǎn)生交變的磁場。圓柱形導(dǎo)體位于螺線管的中心部位，在其內(nèi)部感應(yīng)出渦流，并且渦流在導(dǎo)體的表面聚集，電流密度隨離表面的深度增加而變小。圖3右側(cè)的為綜切面，外部環(huán)流代表螺線管中的電流，內(nèi)部電流代表在圓柱形導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)出的渦流。</p><p>　　圖2-1 變壓器等效電路 圖2-2 次級(jí)短路</p><p>　　圖2-3 電磁感應(yīng)加熱示意圖</p>

55、;<p>　　在電磁電飯煲中，采用銅線特制的圓形線盤作為感應(yīng)線圈。根據(jù)安培定則，當(dāng)感應(yīng)線圈中通以交變電流I時(shí)，在感應(yīng)線圈的周圍，會(huì)產(chǎn)生與交變電流同頻率的交變磁通φ，交變磁通φ又會(huì)在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e。根據(jù)MAXWELL電磁方程式，交變磁通量φ和感應(yīng)電動(dòng)勢e的大小為：?=BS(2-1)dedt?=?(2-2)</p><p>　　式中φ——總磁通量；</p><p>&

56、lt;b>　　B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；</b></p><p>　　S——線圈截面面積；</p><p>　　e——感應(yīng)電動(dòng)勢(V)；</p><p><b>　　d</b></p><p>　　——通過感應(yīng)線圈磁通量的變化率(Wb/s)</p><p>　　由于整個(gè)圓形線圈產(chǎn)生的磁感

57、應(yīng)強(qiáng)度可以看成是若干個(gè)不同半徑的通電感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度之和，以上分析得到的半徑為R的感應(yīng)線圈在鍋底底部產(chǎn)生的加熱功率的規(guī)律同樣適用于整個(gè)圓形線圈。由此可知，電磁感應(yīng)加熱所產(chǎn)生熱量的功率分別與鍋底材料磁導(dǎo)率μ的平方、感應(yīng)線圈中的交變電流的平方以及交變電流的頻率的平方成正比。因此，增大電磁電飯煲功率方法除了使用高導(dǎo)磁率的鍋具外，可以提高感應(yīng)線圈中交變電流的電流值及其頻率。</p><p>　　2.1.2電磁感應(yīng)

58、的三個(gè)效應(yīng) </p><p>　　(1)集膚效應(yīng) 當(dāng)交流電流流過導(dǎo)體的時(shí)候，會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流如圖2-4所示，從而導(dǎo)致電流向?qū)w表面擴(kuò)散，電流沿導(dǎo)體截面上的分布是不均勻的。導(dǎo)體表面的電流密度會(huì)大于中心的電流密度，最大的電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層，這種電流聚集于表面的現(xiàn)象叫做集膚效應(yīng)。從這個(gè)規(guī)律可知，由電能轉(zhuǎn)換成熱能主要集中在負(fù)載的表面。</p><p>　　圖2-4 集膚效應(yīng)示意圖

59、</p><p>　　當(dāng)交流電流通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體的外部和內(nèi)部都建立了磁場，磁力線的形狀是導(dǎo)體的中心為圓的同心圓，因?yàn)殡娏魇墙蛔兊?，磁場也是交變的，顯然與導(dǎo)體表面部分相交的磁力線，比與導(dǎo)體內(nèi)部所交連的磁力線要少，于是導(dǎo)體中心部分的自感電動(dòng)勢，或者說，中心部分的電感和阻抗大于表面部分的電感和阻抗。電流總是沿著阻抗最小的路徑流動(dòng)，所以電流會(huì)聚集到導(dǎo)體的表面。電流頻率越高，自感電動(dòng)勢的作用越強(qiáng)，集膚效應(yīng)也越顯著。另一種

60、情形是導(dǎo)體放在交變電磁場中，也就是感應(yīng)加熱工件的情形，工件中的渦流也是交變電流，它沿著截面的分布也是聚集在表面一層。</p><p>　　(2)鄰近效應(yīng) 相鄰兩導(dǎo)體通以交流電流時(shí)，在相互影響下導(dǎo)體中的電流要重新分配，當(dāng)兩電流方向相反時(shí)，電流聚于導(dǎo)體內(nèi)側(cè)；當(dāng)兩電流方向相同時(shí)，電流聚于導(dǎo)體外側(cè)。假如在任何瞬間兩平行導(dǎo)體中的電流方向相反時(shí)，在導(dǎo)體之間由兩電流所建立的磁場方向相同，總磁場增大，而兩導(dǎo)體外側(cè)的磁場卻減弱

61、。兩導(dǎo)體之間的磁通不僅通過空氣，而且也通過導(dǎo)體內(nèi)部，顯然到體外側(cè)比內(nèi)側(cè)流密度較內(nèi)側(cè)為小。當(dāng)平行導(dǎo)體中的電流方向相同時(shí)，用同樣的方法可得出到體外側(cè)電流密度較內(nèi)側(cè)為大。</p><p>　　(3)圓環(huán)效應(yīng) 若將交流電流通過圓環(huán)形螺管時(shí)，則最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象叫做圓環(huán)效應(yīng)。導(dǎo)體的徑向厚度與圓環(huán)直徑之比越大，這種效應(yīng)就越顯著。</p><p>　　2.2 電磁電飯煲電磁感

62、應(yīng)加熱電路的組成</p><p>　　電磁電飯煲電磁感應(yīng)加熱電路是主要由交流電源、橋式整流電路、高頻電壓轉(zhuǎn)換器和感應(yīng)線圈等構(gòu)成的交流-直流-交流轉(zhuǎn)換電路。如圖2-5所示為電磁感應(yīng)加熱電路的組成圖，圖中方框上方表示的是與方框功能相對應(yīng)的的關(guān)鍵器件。市電的交流電源經(jīng)過橋式整流器整流和濾波電路濾波后，變換為直流電，再經(jīng)高頻電壓逆變電路轉(zhuǎn)換為頻率為25KHz左右的高頻交流電送入感應(yīng)線圈中。根據(jù)安培定則，在感應(yīng)線圈周圍會(huì)產(chǎn)

63、生高頻交變的磁場。電磁電飯煲鍋具置于高頻交變的磁場中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及其三個(gè)效應(yīng)，在電飯煲鍋具底部表面產(chǎn)生大量渦流。根據(jù)焦耳定律和電流的熱效應(yīng)，鍋底溫度迅速上升從而加熱鍋內(nèi)食物。</p><p>　　圖2-5 電磁感應(yīng)加熱電路的組成</p><p>　　2.3 電磁電飯煲主加熱電路及電壓逆變電路工作過程分析</p><p>　　根據(jù)選定的并聯(lián)諧振電路結(jié)構(gòu)

64、方案，設(shè)計(jì)電磁電飯煲的主加熱電路結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。220V/50H交流電經(jīng)過保險(xiǎn)管FUSE1，再通過安穩(wěn)電容C1和壓敏電阻CNR1加在整流橋BRIDGE1的兩個(gè)輸入端，整流橋輸出的脈動(dòng)直流電壓經(jīng)濾波電容C3后變?yōu)楸容^平滑的直流電壓Ud，直流電壓Ud直接加在由Rs和Ls串聯(lián)代表的感應(yīng)線圈和補(bǔ)償電容C2組成的并聯(lián)諧振電路的輸入端。通過脈寬調(diào)制方波控制功率開關(guān)管IGBT1按一定的頻率進(jìn)行開合而使并聯(lián)諧振電路工作，通過感應(yīng)線圈的高頻、高壓的交

65、變電流在感應(yīng)線圈的周圍感應(yīng)出高頻交變的磁場，使位于磁場內(nèi)的電磁電飯煲鍋具底部感應(yīng)出渦流而發(fā)熱。</p><p>　　圖2-6 電磁電飯煲主加熱電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　電磁電飯煲電壓逆變電路的工作過程可以分為四個(gè)階段，各階段等效電路的動(dòng)態(tài)分析如圖2-7所示。圖中，Rs和Ls分別是感應(yīng)線圈的串聯(lián)等效模型的電阻值和電感值，C2是補(bǔ)償電容，Ud是交流電壓經(jīng)整流、濾波后的直流電壓，功率開關(guān)

66、管IGBT1內(nèi)部含有1個(gè)快速恢復(fù)二極管。功率開關(guān)管具有輸入阻抗高,柵驅(qū)動(dòng)功率極小,開關(guān)速度快，關(guān)斷時(shí)間短，驅(qū)動(dòng)電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，是極佳的高速高壓半導(dǎo)體功率器件。IGBT1采用Infineon公司的IHW30N120R2型號(hào)，其集電極和發(fā)射極耐壓值UCE達(dá)1200V，集電極可通過電流30A，可以滿足控制系統(tǒng)的需要。</p><p>　　圖2-7 電壓逆變電路工作過程圖</p><p>　　如

67、圖2-8所示為電壓逆變電路工作過程電壓、電流波形圖。電壓逆變電路將經(jīng)整流、濾波后的直流電壓變換為流經(jīng)感應(yīng)線圈的高頻振蕩的交流電，從而在感應(yīng)線圈的周圍感應(yīng)出與振蕩電流同頻率的磁場。圖2-13中，Ug為IGBT1驅(qū)動(dòng)電壓即脈寬調(diào)制方波(PWM，Pulse Width Modulation），Uc為IGBT1集電極C的電壓，IL為流經(jīng)感應(yīng)線圈的電流。當(dāng)時(shí)間t1~t2時(shí)，當(dāng)脈寬調(diào)制方波PWM的高電平加至IGBT1的G極時(shí)，IGBT1飽和導(dǎo)通，電

68、流i1從電源流過Ls。由于感應(yīng)線圈具有感抗作用不允許電流發(fā)生突變，所以在t1~t2時(shí)間i1隨線性上升，在t2時(shí)脈沖結(jié)束,IGBT1截止。同樣，由于感應(yīng)線圈的感抗作用，i1不能立即變0，于是向補(bǔ)償電容C2充電，產(chǎn)生充電電流i2。在t3時(shí)間，C2電荷充滿，電流減小到0，這時(shí)感應(yīng)線圈的電感量Ls的磁場能量全部轉(zhuǎn)為C2的電場能量，在電容兩端的電壓出現(xiàn)左負(fù)右正，幅度達(dá)到峰值電壓。此時(shí)，在IGBT1的C、E極間出現(xiàn)的電壓實(shí)際為逆程脈沖電壓加上電源電

69、壓，其值可達(dá)1100V。在t3~t4時(shí)間，C2通過Ls放電完畢，i3達(dá)到最大值，電容兩端電壓消失，這時(shí)電容中的電能又全</p><p>　　由于IGBT1內(nèi)部阻尼管的存在，C2不能繼續(xù)反向充電，而是經(jīng)過IGBT1內(nèi)部阻尼管回流，形成電流i4。在t4到t5時(shí)間內(nèi)，第二個(gè)脈沖開始到來，但這時(shí)IGBT1的Ue為正，Uc為負(fù)，處于反偏激狀態(tài)，所以IGBT1不能導(dǎo)通。待i4減小到0，Ls中的磁能放完即到t5時(shí)IGBT1才開

70、始第二次導(dǎo)通，產(chǎn)生i5以后又不斷重復(fù)i1~i4的過程。因此在感應(yīng)線圈上就產(chǎn)生了和開關(guān)脈沖頻率f(20KHz~30KHz)相同的交流電流。在t4~t5階段，i4是IGBT1內(nèi)部阻尼管的導(dǎo)通電流。</p><p>　　圖2-8 電壓逆變電路波形示意圖</p><p>　　第三章 模糊控制理論及其在電磁電飯煲中的應(yīng)用</p><p><b>　　3.1模糊控

71、制理論</b></p><p>　　經(jīng)過長期研究和實(shí)踐形成的經(jīng)典控制理論，對于解決線性定常系統(tǒng)的控制問題是很有效的，而對于非線性時(shí)變系統(tǒng)難以奏效。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用，基于狀態(tài)變量描述的現(xiàn)代控制理論對解決線性或非線性、定?；驎r(shí)變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題，獲得了廣泛的應(yīng)用。但是，無論采用經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，都需要事先知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)

72、，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。然而，在許多情況下被控對象由于影響因素很多、具有時(shí)變性和非線性的特點(diǎn)而且相互之間又有交叉耦合，其模型十分復(fù)雜且難以求解，因此建立精確的數(shù)學(xué)模型困難很大甚至難以建立。與此相反，對于許多難以建立精確模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的被控對象，富有經(jīng)驗(yàn)的操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)進(jìn)行模糊推理、判斷和調(diào)節(jié)來控制，可以得到滿意的效果。這樣的事實(shí)讓學(xué)者們思考對于無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的對象，能否讓計(jì)算機(jī)模擬人的思維方式進(jìn)行智能化控制決

73、策，這就導(dǎo)致了模糊控制理論的誕生。</p><p>　　1965年，著名的控制論專家美國加州大學(xué)扎德教授創(chuàng)立了模糊集合論，提出用“隸屬函數(shù)”的概念來描述現(xiàn)象差異中的中間過渡，并指出一個(gè)模糊變量不能唯一賦值，而是應(yīng)包含多個(gè)取值成分，且可用一個(gè)模糊集合來完整地表征。這一開創(chuàng)性的工作標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的誕生，為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題提供了強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具。模糊自動(dòng)控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種

74、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。模糊控制從最初到現(xiàn)在，經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即簡單模糊控制階段和自我完善模糊控制階段。簡單模糊控制階段指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上把控制器上的推理過程處理成模糊控制表，這種模糊控制器結(jié)構(gòu)簡單并且容易實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的PID控制相比不僅反應(yīng)速度更快、對被控對象參數(shù)變化適應(yīng)能力強(qiáng)，而且在對象模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化時(shí)也能獲得較好的控制效果。但由于結(jié)構(gòu)的簡單性，對受影響因素多的復(fù)雜的被控對象控制精度不高，魯棒性有限。</p><p&

75、gt;　　3.1.1模糊控制系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　模糊控制屬于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的一種形式，其系統(tǒng)組成類同于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，只是以模糊控制器取代了傳統(tǒng)的數(shù)字控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　模糊控制系統(tǒng)一般包括四個(gè)組成部分：</p><p>　　(1)模

76、糊控制器實(shí)際上是一臺(tái)微計(jì)算機(jī)，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要可以選用系統(tǒng)機(jī)，也可選用單板機(jī)或單片機(jī)。</p><p>　　(2)輸入/輸出接口裝置輸入/輸出接口將從主控單片、被控對象處獲得的模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)量，并輸出到模糊控制器。模糊控制器獲得數(shù)字信號(hào)量后，將推理決策后得到的數(shù)字信號(hào)量輸出到輸入/輸出接口。輸入/輸出接口將獲得的數(shù)字控制信號(hào)量轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制被控對象。</p><

77、p>　　(3)廣義對象包擴(kuò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對象。被控對象可以是缺乏精確的數(shù)學(xué)模型的，也可以是有比較精確的數(shù)學(xué)模型的對象。</p><p>　　(4)傳感裝置用來將被控對象的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。被控制量往往是非電量，如位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感裝置在模糊控制系統(tǒng)中十分重要，它的精度直接影響整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。因此，在選擇傳感器時(shí)應(yīng)選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。</p>

78、<p>　　3.1.2模糊控制器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心部分，其控制規(guī)律來自于人們在生產(chǎn)實(shí)踐中掌握的對被控對象的控制經(jīng)驗(yàn)并由計(jì)算機(jī)或單板機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。這種程序一般包括兩個(gè)部分，一個(gè)是計(jì)算機(jī)或單板機(jī)離線計(jì)算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運(yùn)算。另一個(gè)是計(jì)算機(jī)或單板機(jī)在模糊控制過程中在線計(jì)算輸入量，并將它們模糊量化處理，查找查詢表后再作輸出處理的程序。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖

79、3-2所示。</p><p>　　圖3-2 模糊控制器的基本組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　通常將模糊控制器輸入變量的個(gè)數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。以單輸入、單輸出為例。一維模糊控制器常用于一階被控對象，由于其輸入變量只選誤差一個(gè)，它的動(dòng)態(tài)控制性能不佳。二維模糊控制器在目前被廣泛采用，這種控制器以誤差和誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。

80、但維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜,控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。</p><p>　　3.2模糊控制理論在電磁電飯煲中的應(yīng)用</p><p>　　家用電器是模糊控制理論應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一，它們的控制過程一般很難用精確的數(shù)學(xué)模型來描述，而傳統(tǒng)的PID控制是基于對象的精確的模型的來整定控制參數(shù)，所以對家用電器的控制往往要基于模糊控制，如電飯煲、冰箱、洗衣機(jī)等。模糊控制較之傳統(tǒng)的PID控制不僅有較

81、強(qiáng)的魯棒性，而且在對象的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變下仍能取得較好的控制效果。在本文著重分析在電磁電飯煲的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，如何利用模糊控制原理來推斷鍋中的米量及進(jìn)行加熱溫度控制。在推斷出鍋中的米量的基礎(chǔ)上，根據(jù)煮飯專家提出的煮飯工藝曲線，通過模糊推理制定最佳的加熱溫度、時(shí)間控制策略。</p><p>　　電磁電飯煲在鍋底和頂蓋排氣口分別放置了熱敏電阻溫度傳感器，用于檢測鍋具底部溫度和鍋內(nèi)的水蒸氣溫度。電磁電飯煲加熱輸出功率

82、模糊推理過程結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示，包括兩個(gè)模糊推理過程，第一個(gè)是以測得的鍋底與頂蓋溫度差和鍋底溫度的變化率為輸入，根據(jù)米量測定模糊控制規(guī)則表推理出米量；第二個(gè)是以米量為基礎(chǔ)，結(jié)合鍋底溫度變化率，根據(jù)溫度控制模糊控制規(guī)則表推理出輸出的脈寬調(diào)制PWM占空比來控制加熱功率。</p><p>　　圖3-3 電磁電飯煲模糊推理框圖</p><p>　　3.2.1煮飯的加熱溫度工藝曲線</p&

83、gt;<p>　　煮飯的過程就是將大米中含有的β淀粉將開始轉(zhuǎn)化為人體所能吸收的α淀粉的過程。根據(jù)煮飯專家建議的煮飯最佳加熱溫度工藝曲線，如圖3-4所示，煮飯的過程可分為吸水、加熱、沸騰、燜飯、膨脹和保溫六個(gè)階段。每一個(gè)階段的具體內(nèi)容和意義如下：</p><p>　　(1)吸水階段 由于大米在正常狀態(tài)下含水量很低，使大米充分吸水的主要目的就是保證大米的內(nèi)外所含水分一致，以便在加熱階段使大米的加熱趨

84、于均勻，提高煮飯的均勻和質(zhì)量。這個(gè)過程水溫應(yīng)低于55℃，否則大米中的淀粉α化，會(huì)使米飯變糊，影響煮飯的質(zhì)量。</p><p>　　(2)加熱階段 加熱階段需要用較大功率對大米進(jìn)行加熱，使水溫不斷均勻上升，大米此時(shí)繼續(xù)吸收水分并開始了淀粉α化。由于熱水溫度升高和對流，鍋內(nèi)的大米能夠充分均勻受熱。如果加熱階段升溫速度控制不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)一部分淀粉不能轉(zhuǎn)化為α淀粉而造成夾生飯。因此，加熱階段必須保持合理的升溫速度，使

85、鍋內(nèi)的熱量充分對流，從而使米飯無論從口感上還是營養(yǎng)上都令人滿意。</p><p>　　(3)沸騰階段 沸騰階段要使鍋中的水保持在100℃左右，此過程使大米深度吸水和使淀粉在較高溫度下繼續(xù)α化。隨著水分的進(jìn)一步減少，鍋內(nèi)趨于干燥，鍋內(nèi)的米飯溫度繼續(xù)升高，沸騰過程結(jié)束。</p><p>　　圖3-4 煮飯的最佳加熱溫度曲線</p><p>　　(4)燜飯階段

86、燜飯階段使熱量深入到米飯的芯部，使米飯充分受熱而內(nèi)外質(zhì)量保持一致。該過程中，鍋內(nèi)溫度上升到比較高的溫度，通?？蛇_(dá)155℃。在此高溫下，米芯的淀粉α化，內(nèi)外都熟透，而且使米飯產(chǎn)生米香味。在米飯溫度達(dá)到155℃左右時(shí)，停止加熱。</p><p>　　(5)膨脹階段 膨脹階段是一個(gè)使米飯松化的過程。當(dāng)燜飯階段停止加熱時(shí)，由于仍高于100℃，此時(shí)米飯中的水分進(jìn)一步蒸發(fā)膨脹使米飯更加松軟。當(dāng)米飯溫度下降到70℃左右時(shí)，

87、煮飯進(jìn)入下一個(gè)階段。米飯經(jīng)過進(jìn)一步膨脹狀態(tài)，可以使米飯充分松軟。</p><p>　　(6)保溫階段 保溫階段在米飯溫度下降到70℃左右開始進(jìn)行，通過低功率加熱使米飯溫度維持在70℃左右，在長時(shí)間內(nèi)保持米飯質(zhì)量完好。</p><p>　　3.2.2米量測定模糊推理</p><p>　　(1)米量測定模糊控制器 在模糊控制電磁電飯煲中，控制過程的各段時(shí)間是和米量

88、直接相關(guān)的。因此，米量的測定是關(guān)鍵的第一步，后面的控制過程則是在測定了米量的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)定的。一般的直接檢測重量的方法在電磁電飯煲中由于受到結(jié)構(gòu)限制而很難實(shí)現(xiàn)。本控制系統(tǒng)是利用溫度傳感器測出鍋底和頂蓋的溫度值，根據(jù)鍋底和頂蓋的溫度差和鍋底溫度上升的變化率利用模糊邏輯和模糊推理實(shí)現(xiàn)米量的測定，如圖3-5所示為米量的定的推理框圖。米量測定模糊控制器的設(shè)計(jì)采用了MATLAB Fuzzy Logic工具箱。</p><p&g

89、t;　　圖3-5 米量的推理框圖</p><p>　　根據(jù)上述原理，在電磁電飯煲的頂蓋處和鍋具底部各放置一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度傳感器。鍋底和頂蓋的溫度差 E 和鍋底溫度上升的變化率EC 作為輸入量，米量 Q 作為輸出量。</p><p>　　根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可知鍋底和頂蓋溫度差 E 的基本論域?yàn)閇0℃,70℃]，對鍋底和頂蓋溫度差的模糊集及其整數(shù)論域定義如下：</p>

90、<p>　　E 的模糊集為 A={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB} ，含義分別為“負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大”，代表鍋底和頂蓋溫度差 E 從小到大依次變大。</p><p>　　E 的整數(shù)論域?yàn)?X={-3, -2, -1,0,1,2,3}，則量化因子 K1=3/35。</p><p>　　由于溫度變化具有非線性的特點(diǎn)，E 的隸屬函數(shù)曲線選擇常用的高斯隸屬函

91、數(shù)，如圖 3-6 所示。</p><p>　　同理，鍋底溫度變化率 EC 的基本論域?yàn)閇-1, 1]，對鍋底溫度變化率 EC 的模糊集及其整數(shù)論域定義如下：</p><p>　　EC 的整數(shù)論域?yàn)?Y={-3,-2,-1,0,1,2,3}，則量化因子 K2=3。</p><p>　　EC 的隸屬函數(shù)曲線選擇常用的三角形隸屬函數(shù)，如圖 3-7所示。米量測定模糊推理的輸

92、出量是米量 Q。設(shè)定米量 Q 的基本論域?yàn)閇200g,1000g]，對米量 Q 的模糊集及其整數(shù)論域定義如下：</p><p>　　米量 Q 的模糊集 C= {NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}，分別代表米量“很少，中少，少，中，多，中多，很多”。</p><p>　　米量 Q 的整數(shù)論域 Z={-3, -2,-1,0,1,2,3}，則量化因子 K3=3/400。</p>

93、<p>　　取米量 Q 的隸屬函數(shù)與鍋底溫度變化率 EC 的隸屬函數(shù)相同，如圖 3-8 所示。</p><p>　　圖3-6 E的隸屬函數(shù)曲線</p><p>　　圖3-7 EC和Q的隸屬函數(shù)曲線</p><p>　　(2) 米量測定模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì) 根據(jù)煮飯過程分析可知，鍋底和頂蓋的溫度差及其鍋底溫度的變化率與米量及室溫等密切相關(guān)。當(dāng)室溫一定

94、時(shí)，鍋底和頂蓋的溫度差及其鍋底溫度的變化率就主要由米量來決定。這樣在室溫一定的情況下，米量的模糊推理判斷系統(tǒng)可以看成是輸入量為鍋底和頂蓋的溫度差及其鍋底溫度的變化率，輸出量為米量的模糊控制系統(tǒng)。鍋底和頂蓋的溫度由安放于鍋底和頂蓋的溫度傳感器來測量，溫度傳感器由熱敏電阻組成，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換將模擬量的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，數(shù)字量送給單片機(jī)，作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量。</p><p>　　

95、米量的模糊推理是在煮飯過程的吸水階段降溫時(shí)候進(jìn)行的。在程序開始運(yùn)行時(shí)，由頂蓋溫度傳感器測出室溫，由鍋底溫度傳感器測出初始水溫，隨后進(jìn)入煮飯過程的吸水階段。根據(jù)測得的鍋底和頂蓋的溫度差及鍋底溫度變化率，應(yīng)用模糊推理初步判斷出鍋內(nèi)的米量。</p><p>　　(3) 米量測定的模糊推理 </p><p>　　如上分析，鍋底、頂蓋溫度差 E 的離散整數(shù)論域有7個(gè)元素，鍋底溫度變化率 EC 的

96、離散整數(shù)論域都有7個(gè)元素。在電磁電飯煲控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，A/D 采樣得到鍋底和頂蓋溫度差的精確量會(huì)通過單片機(jī)模糊量化到整數(shù)論域 X的 7個(gè)元素中的某一個(gè)，A/D 采樣得到的鍋底溫度的變化率會(huì)通過單片機(jī)模糊量化到整數(shù)論域 Y 的7個(gè)元素中的某一個(gè)。因此，鍋底和頂蓋溫度差與鍋底溫度變化率的輸入組合就有 49 種。求出這 49 種輸入組合及其對應(yīng)的輸出控制量，即可形成相應(yīng)的米量模糊推理控制表。在本課題中，借助 MATLAB Fuzzy Lo

97、gic工具箱，將模糊推理規(guī)則輸入到二維模糊推理器，可以得到模糊控制規(guī)則觀察器，將 49 種輸入組合依次輸入到觀察器中，可以計(jì)算出米量的模糊推理表，如表 3-1所示，表中 X、Y、Z 分別代表鍋底頂蓋溫度差、鍋底溫度變化率和米量的整數(shù)論域。MATLAB 中米量測定二維模糊推理器的模糊推理系統(tǒng)的基本屬性設(shè)定為：“與”運(yùn)算采用極小運(yùn)算，“或”運(yùn)算采用極大運(yùn)算，“模糊蘊(yùn)涵”采用極小元素，“模糊規(guī)則綜合”采用極大運(yùn)算，“去模糊化”采用重心法。&l

98、t;/p><p><b>　　表3-1</b></p><p>　　本課題中，基本連續(xù)論域離散化采用均勻量化的方法，即將連續(xù)論域中的連續(xù)值經(jīng)量化因子比例變換后四舍五入變?yōu)殡x散論域的整數(shù)值。</p><p>　　米量的基本論域Q為[200g, 1000g]，離散化的整數(shù)論域Z={-3, -2,-1,0,1,2,3}，則量化因子 K3=3/400。整數(shù)

99、論域范圍內(nèi)的變量 z( -3 ≤ z≤ 3)與相對應(yīng)的基本論域中的變量 x(200 ≤ x≤ 1000)的對應(yīng)關(guān)系為：</p><p>　　3.2.3 溫度控制模糊推理</p><p>　　模糊控制電磁電飯煲煮飯過程的各個(gè)階段的溫度控制采用模糊控制的方式。由煮飯專家提出的煮飯最佳工藝曲線可知，煮飯過程的溫度控制主要有兩種情況，一種是恒溫控制，另外一種是勻速升溫控制。恒溫控制主要用于沸騰和

100、保溫階段，勻速升溫控制主要用于吸水階段和加熱階段。無論采用哪一種溫度控制，都要對相關(guān)的輸入量和輸出量進(jìn)行模糊化。溫度模糊控制系統(tǒng)的輸入量為溫度偏差 e 和溫度偏差變化率 Δe，由溫度模糊控制推理表確定 PWM 信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)輸出功率，從而達(dá)到溫度控制的目的。</p><p>　　(1) 恒溫控制 對于恒溫控制，溫度給定值 Ti為恒定值。在溫度模糊控制中，把溫度偏差 e 和偏差變化率 Δe 都分成負(fù)大(NB)

101、、負(fù)小(NS)、零(O)、正小(PS)、正大(PB)五個(gè)模糊量，而把單片機(jī)輸出的 PWM 信號(hào)的占空比分成為 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%等 9 個(gè)檔位，溫度模糊控制系統(tǒng)框圖如圖 3-8所示。恒溫控制的模糊控制過程與米量測定模糊推理過程類似，所不同的是輸入、輸出變量不同。依據(jù)與米量的模糊推理相同的方法，可得出恒溫模糊控制的推理表，如表 3-2所示。</p><p>　　圖

102、3-8 溫度模糊控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　表3-2</b></p><p>　　(2) 勻速升溫控制 勻速升溫的控制原理與恒溫控制的原理類似，不同之處在于對于勻速升溫控制，溫度的給定值 Ti隨時(shí)間勻速變化。對于判斷出的由“非常少”到“非常多”的七種米量，采用占空比 30%到 90%的 PWM。首先把輸入量溫度偏差 e 和溫度偏差變化率 Δe 進(jìn)行模糊化

103、，將輸出量 PWM 的占空比進(jìn)行模糊化。運(yùn)用與恒溫控制相同的方法，只是給定的溫度值具有一定的變化率，在此不再贅述。</p><p>　　第四章 電磁電飯煲控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 電磁電飯煲控制系統(tǒng)硬件電路整體性設(shè)計(jì)</p><p>　　電磁電飯煲控制系統(tǒng)的整體性硬件方案框圖如圖 4-1所示。</p><p>　

104、　圖4-1 電磁電飯煲控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　本控制系統(tǒng)采用Free scale的單片機(jī) MC9S08AW32 作為控制核心，硬件系統(tǒng)包括 MCU 系統(tǒng)、主電路模塊、顯示模塊和按鍵掃描模塊、開關(guān)電源模塊、IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊、IGBT 及鍋底和頂蓋溫度檢測模塊、蜂鳴器模塊等。首先將 220V交流電供給主電源電路，在主電路中，將交流電全波整流和電感、電容濾波后供給并聯(lián)諧振電路。將并聯(lián)諧振電路兩端的電壓信號(hào)

105、取樣作為同步信號(hào)輸送給同步電路，同步電路輸出的初級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸送給IGBT 的驅(qū)動(dòng)電路，最后由</p><p>　　IGBT的驅(qū)動(dòng)電路將初級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形和濾波后輸送給主電路?？刂浦麟娐分械拈_關(guān)器件 IGBT 驅(qū)動(dòng)電壓的開關(guān)頻率和占空比，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。為了防止 IGBT 因電壓浪涌而損壞，設(shè)計(jì)了防浪涌保護(hù)電路，對控制系統(tǒng)進(jìn)行硬保護(hù)。由電流檢測電路監(jiān)測控制系統(tǒng)的工作電流，結(jié)合功率調(diào)節(jié)電路對控制系統(tǒng)進(jìn)行功率控制