模糊控制在电饭煲中的应用.doc

摘要 随着人们生活水平的提高，用微电脑控制的模糊电饭煲已经逐渐走入人们的日常生活。本课题从实际工程出发，对于模糊技术的电饭煲控制系统设计和应用进行了深入的研究。电饭煲是一种典型的模糊对象，其特性随着其装载物的量和种类的不同而大大不同，而煮饭功能则是电饭煲的主要功能，同时也是衡量电饭煲控制系统优劣的关键功能因此，本文在控制系统的软件设计方面重点研究了电饭煲的煮饭功能。准确地判断出米全是电饭煲能够实现最佳控制效果的重要保障。所以，本文着重讨论了在电饭煲煮饭过程中，如何利用模糊推理法进行米量的判断。首先通过大最的前期实验和测试，在具体了解米盆的大小给系统的状态带来的影响的基础上，选用合适的输入变最用“试错法”设计了一种二维的模糊推理机，并详细讨论了其推理过程。鉴于具体推理过程的复杂性，在实际计算过程中使用了MATLAB数学工具箱作为计算工具并给出了关键的计算步骤及最终结果.实验结果表明，这种米最判断方法是有效的。作者将此种米量判断方法应用到实际的电饭煲开发中，取得了良好的效果。 本文实际设计和实现了一种模糊电饭煲控制器，在系统硬件方面，讨论了模糊电饭煲控制系统的硬件结构。电饭煲是一种典型的消费类家电产品，对其成本控制就显得格外重要，因此，本文重点研究了硬件设计过程中的低成本设计方法。在软件方面，研究了模糊电饭煲控制系统的软件控制流程并给出其流程图，同时重点介绍了根据推理结果设计的米量判断程序的流程， 最后，本文针对模糊电饭煲设计和开发过程中参数调整的复杂性问题，提出了一种基于模糊电饭煲参数调整的专家系统。由于在参数调整的过程中同样是利用了煮饭专家的经验，而这些经验是有规律可循的，可以用思路清晰的程序语言表达。因此，用计算机程序代替开发工程师进行参数的调整在理论上是可行的.本文具体介绍了该专家系统的硬件结构框图、工作原理，以及已经设计完成的人机界面。关键词电饭煲:模糊推理;试错法;低成本设计;专家系统AbstractWith the living quality improved, the micro-computer controlled electrical cookers are getting more and more popular. For practical uses, the design and application of a electrical cooker control system based on fuzzy control technology is studied, which aims at a more effective control strategy.This paper is mainly about the design of a kind of typical fuzzy object-electrical cooker, whose characteristics not only varies with the quantity of stuff in it but also varies with kind of stuff it is. As the result to estimate the amount of rice in round is crucial for control strategy. This paper discusses how to judge the amount of rice in the cooker if the electrical cooker is cooking rice. The differences generated by the amount of rice are found out by lots of tests. Two appropriate variables are selected as the inputs of the fuzzy reasoning machine to judge the amount of rice and the method“try and error”is applied. Details of the procedures of reasoning are displayed. MATLAB is used to calculate and the resultfuzzy judging table is given. The method is proven to be effective and has been put to use with good results achieved. The controller of the system of the fuzzy controlled electrical cooker is setup. Both the hardware and the software are described in the paper. The main structure of the hardware is described in detail and for each parts, a sort of popular circuit module is shown. For electrical cookers are consumptive, the emphasis of the introduction is how to reduce the cost of the hardware. The main software flowchart is show to analysis how the cooker works. Whats more, procedure of getting the quantity of rice by reasoning is contrived and the main flowchart is shown. With all of these done, the design of a king of fuzzy cooker is still so complicated and hard, so an ES is brought forward in the last chapter to use computers instead of engineers to do the “try and error”thing. The ES is established on the experience of the skilled electrical cooker engineers, which is complicated but well-regulated and could be written into programs. The configuration of the hardware is shown and the GUI of the ES is given and tells how to use it. Algorithm to handle with the method of “try and error”is introduced too and the flowchart is given.Keywords : electrical cooker; fuzzy control; try and error; low-cost design; expert system1.1传统控制理论的局限性及模糊控制理论的产生71.1.1经典控制理论和现代控制理论的局限性71.1.2 人工控制的启示81.2 模糊控制理论的发展101.2.1 基本模糊控制101.2.2 自组织模糊控制111.2.3 模糊控制工程121.3 模糊控制的简单介绍141.3.1模糊控制的研究对象151.3.2模糊控制的特点161.4模糊控制在家用电器中的应用162.l模糊控制系统172.1.1模糊控制系统的组成与特点172.1.2模糊控制系统具有如下优点193.1传统电饭煲的工作原理203.1.1 电饭煲的煮饭过程203.1.2、电饭煲的结构原理224.1模糊电饭煲的基本结构264.1.1模糊电饭煲的基本结构264.1.2模糊电饭煲的模糊控制284.2 模糊电饭煲的控制电路3251软件系统设计4152主程序设计42吸水阶段控制模块43升温过程的控制模块44保沸过程控制46补炊过程控制4753子程序设计48结 论50致 谢51 第1章 绪 论随着科学技术的发展，家用电器发生了奇迹的变化。如今打上模糊控制标鉴的家用电器越来越多模糊控制技术是21世纪的核心技术，是模仿人类大脑思维的技术，是简单有效的控制技术。家用电器应用模糊控制技术后，在更加人性化的同时，其性能更加的完善，使用更加的方便，节能水平更高。为了克服普通电饭锅存在的缺点，人们在设想，电饭锅的控制能否具有人类的一定思维。这种电饭锅可以进行米量的自动识别和烹调过程的自动调节，并以“煮饭专家”的思想控制全过程，从而使煮出来的饭从糖化程度，粘度，口感等方面进行度量，都比普通电饭锅的效果要好。它根据人工经验，采用模糊控制进行煮饭，成为名符其实的“煮饭专家”。因而，采用模糊控制的电饭锅应运而生，它是一种新型的多功能家用烹饪器具，集微机技术、自动控制技术、食品工程技术和工业造型设计等于一体。近年来，模糊控制技术在家用电器产品和嵌入式控制系统中的应用得到了快速的增长，这是因为模糊可以用像人一样的推理过程而不使用严格的系统数学模型，在许多情况下，它不但缩短了产品的开发周期，而且使产品更具鲁棒性和具有更多的特色；另外一个能获得快速发展的原因是，除了很少有特定要求的应用需要专用的模糊集成电路芯片外，大部分的模糊控制技术应用都可以很容易地用廉价的标准单片机来实现，因为在大多数情况下，模糊控制的编码只需要使用不到1KB的片内ROM和相当少的RAM。目前绝大多数的模糊控制应用中，甚至不需要用到16位的单片机，8位的单片机已绰绰有余。单片机上的接口和外围器件对许多嵌入式系统已经够用，并且所用的模糊编码通常都不会给处理和储存空间带来问题。1.1传统控制理论的局限性及模糊控制理论的产生1.1.1经典控制理论和现代控制理论的局限性一般把20世纪40年代建立起来的主要处理单输入单输出线性定常反馈控制系统的理论成为经典控制理论。应用经典控制理论分析和综合系统的一个重要前提是：必须有一个用高阶微分方程式来描述系统运动状态的数学模型，它是建立在频率法的基础上的。由于经典控制理论应用方面的局限性和近代工业、现代科学技术的迅速发展，为了解决复杂系统的自动控制问题，满足越来越严格的要求，到了50年代末60年代初，在实践的基础上，尤其是空间技术实践的基础上，形成了现代控制理论。现代控制理论主要用来解决多输入多输出和时变系统的问题，在现代控制理论中，系统的数学模型主要是用一个微分方程组（即状态方程）或者差分方程组来描述，这是一种时域表示方法。这种描述方法的优点是便于计算机运算，同时给人以时间上直观清晰的概念。可见，无论是经典控制理论还是现代控制理论，都是建立在精确数学模型基础之上的。实践证明，对于存在精确数学模型的自动控制系统，经典控制理论或现代控制理论发挥了巨大的作用，并取得了令人满意的控制效果。但在实际系统中往往存在这样的情况：有许多系统，特别是工业生产过程是极其复杂的，尽管有所谓“系统辨识”理论可以通过各种测试的手段及数据处理方法获得数学模型，但也很难得到确切描述这些过程的传递函数或状态方程，除了用统计相关法等，用其他方法得到的数学模型是比较复杂的，甚至用计算机也难以实现。由于对系统的了解不可能完全清楚和完全正确，所以建立数学模型不可能与实际系统完全吻合，也就得不到精确的数学模型，而只能是一种近似。往往为了数学上处理方便起见而简化数学模型、降低其阶次，以牺牲准确性来换取处理上的方便。然而，一个过于简单的模型虽然处理起来是方便的，但是利用这样的数学模型设计、综合系统，其结果有时是不能令人满意的，甚至还会产生错误的结论。一个典型的例子是，为了简化工业过程控制系统的分析和设计，常常把系统的数学模型简化为二阶系统。显然，当用二阶系统数学模型来描述系统时，得出的结论是超调量MP和调整时间TS互为矛盾，即系统的小超调和响应的快速性不能兼而得之。这说明，经典控制理论和现代控制理论，由于需要精确的数学模型而存在着局限性。再就是，诸如在系统工程、经济学、医学、生物学等领域中，经常会遇到无法建立精确数学模型的问题，要对这些不具有数学模型的被控对象进行控制，经典控制理论或现代控制理论往往显得无能为力。另外，由于计算机的飞速发展，包括将人类思维这样复杂操作由计算机代替的领域日益增加，这是经典控制理论和现代控制理论无法胜任的，必须寻求新的控制理论。1.1.2 人工控制的启示由于传统控制理论面临着新的控制要求的挑战，促使人们考虑在处理不确定对象时，建立一个模拟不确定对象的模糊模型来解决实际控制问题。例如：我们往往需要使系统响应快速而超调量又小，显然，传统的设计方法是无法满足的，然而一个有经验的操作人员有时却能很方便地实现这一要求。要控制一个加热炉的温度，操作人员可以直接通过执行器的手动操作对对象进行控制，使其快速达到设定值、超调量小并稳定在设定值上。操作人员在操作时并不需知道系统的数学模型是什么，甚至对被控对象的特性也不甚了解，而是用下面一组控制策略进行控制的。当实际控制量与设定值的偏差为负且负偏差极大时，全功率加热使输出控制很大；当负偏差很大或中等，且偏差变化很大时，控制量保持不变；当偏差较小，但偏差的变化很大时，控制量多减一些；当偏差较小，但偏差的变化中等时，控制量适当减些；当偏差较小，但偏差变化很小时，控制量减一点；当负偏差几乎为零，偏差变化也几乎为零时，控制量保持不变；等等。当然，由于对系统缺乏了解,一开始控制效果并不好,但经过若干次探索后终归能实现预期的理想控制.上述实践表明,尽管操作人员事先并未去推导建立系统的数学模型,更没有去关心系统究竟是一阶的、二阶的或者是高阶的，甚至未进行任何数学处理，仅凭自己几次探索所积累的经验，就实现了比一台常规仪表，甚至比一台采用PID算法的微机化仪表更为理想的调节效果。这说明，传统控制理论必须向前发展，而人工智能、模糊控制就是在这种背景下产生和发展起来的。也就是说，控制问题在经历了人工控制、经典控制理论和现代控制理论阶段之后，由于它们面临着一系列无法解决的问题，又要重新研究人工控制行为的特点，从人工控制中得到新的启发。上面所提到的控制策略是一组用自然语言表达的、定性的、不精确的判断规则，这一组规则就称为模糊算法或模糊模型。它是由一系列模糊语句组成的。这样一套控制策略是行之有效的，却是无法用精确的数学语言来描述的，更无法直接用计算机来实现自动控制。如果换一个操作人员，控制效果有可能更差，这就要求提供能够处理人类自然语言将其转化为计算机所能接受的算法语言的数学工具，幸好模糊数学能够做到这一点。所以，模糊数学的产生具有划时代的意义，模糊控制也正是得益于它。1.1.3 模糊控制理论的产生1965年查德发表模糊集合论之后，1966年马尼诺斯发表了模糊逻辑的内部研究报告。接着，查德又提出模糊语言变量这一重要概念。1974年，查德又进行了模糊逻辑推理的研究，同时，英国Queen Mary大学的马丹尼第一次将模糊逻辑和模糊推理用于锅炉和蒸汽机的控制，实用效果良好。它的成功宣告模糊控制的诞生。1.2 模糊控制理论的发展自从1965年查德提出模糊集合理论以来，模糊控制无论在理论上还是应用上都有了很大的发展。其发展大致经历了三个阶段。1.2.1 基本模糊控制由于许多生产过程的精确数学模型难以获得，因而无法采用经典控制理论和现代控制理论的方法进行生产过程控制。另外，在心理学、生物学、医学、管理科学等领域，传统的定量分析方法有时会遇到很大困难；再有，通常使用的调节器、控制器效果不理想，而有经验的操作人员可以不从精确数学表达式去了解受控对象，却凭借积累起来的实践经验，实现了有效控制。第一阶段的模糊控制器正是基于这一事实，致力于这类过程的研究，从而给出控制的定量描述，设计出模糊控制器，模拟操作人员的操作经验。这类模糊控制器的特点是：（1）控制器的核心是根据某一特定过程制定的模糊控制表；（2）一个模糊控制器一般只适用于某一类特定过程，而不是像常规仪表那样具有可调参数可以通用。1.2.2 自组织模糊控制基本模糊控制的关键是要确定一套行之有效的控制策略，但是在一些复杂的过程中，有时很难精确完整地总结出控制策略。原始的控制策略是粗糙的不完善的，这势必影响控制效果；另一方面，即使控制策略是完善的，但有些过程是时变的，负载也可能发生变化，总是按一套固定不变的策略进行控制，其效果可能不甚理想。因此，人们在基本模糊控制器的基础上，发展出具有自调整、自适应能力控制器，这就是自组织模糊控制器。这是进入80年代后模糊控制的主功方向。自组织模糊控制的方法很多，但目标只有一个，就是提高控制器的适应性，改善控制效果。自组织模糊控制的基本特征是：（1）控制算法不是固定不变的，它可以通过在线修改控制规则或改变某几个参数而产生变化；（2）控制器的适应性往往不局限于某一对象，而是通过自组织可以适应几类对象；（3）可以生产具有通用性、仪表化的模糊控制器。1.2.3 模糊控制工程模糊控制的广泛应用表明了模糊控制的优越性和广泛生命力，也为模糊控制的研究提供了更多领域。工业自动化领域中，过程自动化进展较缓慢，其原因在于连续生产过程中，运动形式取较高级的形态，由于内部作用的非均匀、迭加、交互和耦合作用较强烈，同时由于大生产随机干扰大，过程机理错综复杂等原因，致使过程控制在线应用的数学模型难以准确完整地获得，因而难以实现自动控制。基本模糊控制器无法适应时变的大过程，自组织模糊控制器虽能部分地解决时问题，但其适应性往往是有限的，允许调整的范围往往不是很大。因此，为了使复杂生产过程能进行控制，就必须不断发展模糊控制理论，寻求新的控制方法，真正实现智能控制，使系统具有非常高度的智能，不仅能自动进行控制，还具有直感、联想、想象、意识等各种功能，能够很方便地实现人机友好对话，按照人们的意志去进行操作。60年代查德 提出的模糊集合论实际是一项“工程”。但是，真正致力于利用模糊逻辑的人机友好系统的研究，是90年代日本成立了一个名叫“国际模糊工程研究所”，进行了一系列长期研究项目之后，他们称之为“模糊控制工程”。随着新技术发展日新月异，机电设备性能更加完善与提高，但往往不能很好地发挥。这是因为用户知识水平和技术熟练程度的限制，要百分之百地发挥机器性能非常困难，特别在与计算机相关联的技术中，这种倾向性的程度更激烈。因此，从机器系统方面来说，应该具有迎合使用者的能力，这就要求构成一种“人机友好系统”。这种系统一方面对于人具有高度的“友好性”，另一方面要求对任何人都是易于使用的，更进一步要求这种系统具有启发使用者的能力，给人一种满足感。当今世界，除具有类似模糊逻辑那样可以处理人的思维的技术，还有人工智能和新人工智能，后者包括神经网络、混沌理论等。人工智能中的专家系统是一个能在特定领域内，以人类专家水平去解决该领域中困难问题的计算机程序，具有启发性、透明性、灵活性等特点，引起了人们的重视，但它却不能作为模拟控制，且知识库庞大，设计也十分困难。模糊控制不仅适用于小规模线性单变量系统，而且向大规模、非线性复杂系统扩展。它具有易于熟悉、输出量连续、可靠性高、超调量小、鲁棒性强、能够克服非线性因素的影响等特点，但也有不足之处。例如：它对信息的简单模糊化处理，造成系统控制精度不能很亮，要提高控制精度必须增加量化等级，从而导致系统搜索范围增大，降低模糊决策速度；另一方面常规模糊控制器结构和知识表达形式单一，难以处理复杂系统控制所需要的启发性知识。将模糊控制与专家系统技术相结合组成模糊专家系统，这是一种智能控制的新颖策略。神经网络擅长于人脑的微观结构，并通过自学习、自组织、自适应功能的神经网络的非线性并行处理，因此用于控制是“思维型”的，它的模糊推理能力差，只适合于直觉式推理。模糊逻辑则着眼于用语言和概念表述人的宏观功能，根据隶属函数进行串行处理，用于控制是“语言型”的，它在知识获取方面显得十分软弱。把神经网络和模糊逻辑技术结合起来组成模糊神经网络，就能互相弥补它们的不足，便利知识的获取和加工成为较容易实现的事情。混沌理论的70年代科学上的重大发现。所谓“混沌”是确定性的力学系统中呈现的有界的、非周期性运动的总称。模糊逻辑、专家系统、神经网络、混沌这当代智能技术的新四步曲，正在互相渗透、紧密结合，这就是模糊控制工程，是构成“人机友好系统”成功的关键。1.3 模糊控制的简单介绍L.A.Zadeh创立的模糊数学，对不明确系统的控制有极大的贡献，自七十年代以后，一些实用的模糊控制器的相继出现，使得我们在控制领域中又向前迈进了一大步。模糊逻辑控制(Fuzzy Logic Control)简称模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的L.A.Zadeh创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首次根据模糊控制语句组成模糊控制器，并将它应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得了实验室的成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。近20多年来，模糊控制不论在理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域一个非常活跃而又硕果累累的分支。模糊控制的核心在于它具有模糊性的语言条件语句，作为控制规则去执行控制。 模糊控制是经由传感器出入采样信息，经模糊推理后，做出模糊决策，并由此控制执行部件的自动化控制技术。从控制器的智能性来看，模糊控制属于智能控制范畴。智能控制是人工智能、控制理论和管理科学相结合的产物。它依靠知识模型，把人类社会数以千万计的技术和非技术的人类行为和经验，归纳为若干系统化的规则（或规律），实现对系统的“拟人智能”的控制。模糊控制是智能控制的方法之一，它的知识模型是由一组模糊推理产生的规则（主要是由模糊控制规则和表示对象特征性的语言规则）构成的，它的人机对话能力较强，能够方便地将专家的经验与思考加入到知识模型中。1.3.1模糊控制的研究对象 模糊控制作为智能控制的一种类型，是控制理论发展的高级阶段产物。它主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。具体地说，其研究对象具备以下特点。.模型不确定性 传统的控制是基于模型的控制，这里的模型包括控制对象和干扰模型。对于传统控制，通常认为模型已知或者通过辨识可以得到。而模糊控制的对象通常存在严重的不确定性。这里所说的模型不确定性包含两层意思：一是，模型未知或知之甚少；而是，模型的结构和参数可能在很大范围内变化。无论哪种情况，传统方法难以对它们实现控制，而这正是模糊控制所要解决的问题。非线性 在传统的控制理论中，线性系统理论比较成熟，对于具有非线性特征的控制对象，虽然也有一些非线性控制的方法，但总的来说，非线性控制理论还不是很成熟，而且方法也比较复杂。采用模糊的控制方法往往可以较好地解决非线性系统的控制问题。 .复杂的任务要求 在传统的控制系统中，控制的任务或者是要求输出量为定值（调节系统），或者是要求输出量跟随期望的运动轨迹（跟随系统），要求比较单一。对于模糊控制的系统，任务的要求比较复杂。例如，在智能机器人系统中，它要求系统对一个复杂的任务具有自行规划和决策的能力，由自动躲避障碍并且运动到期望目标位置的能力。再如，在复杂的工业过程控制系统中，它除了要求对被控物理量实现定值调节外，还要求能实现整个系统的自动启停、故障的自动诊断以及紧急情况自动处理等功能。1.3.2模糊控制的特点(1)模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 (2)由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 (3)基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 (4)模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。 (5)模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。1.4模糊控制在家用电器中的应用 20世纪80年代的日本，投入大量资金在模糊理论进行研究，在模糊理论和应用研究方面取得许多成果。日本的各大家用电器公司也已开始了模糊家用电器的研究开发。80年代末期，模糊家用电器产品投放日本市场，并在90年代初期进入中国及东南亚市场。 20世纪70年代末期到80年代初期，中国学者开始进行模糊控制理论研究。成果知道90年代初才被广东的一家电器股份有限公司转化为产品，中国模糊家用电器产品产业化的历史也从此开始。此后，随着日产模糊家用电器登陆中国市场，以及模糊控制学术活动的推动作用，中国名牌家用电器的生产厂家都开始了模糊控制产品的研究生产。可以说，当今中国在模糊数学和模糊控制理论的研究方面已处于世界先进地位。 第2章 模糊控制系统及其特点模糊控制系统是一种自动控制系统,它以模糊数学、模糊语言形式表示和以模糊逻辑的规则推理为理论基础；采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统组成核心是具有智能性的模糊控制器,这就是它与其他自动控制系统的不同之处。因此，模糊控制系统无疑也是一种智能控制系统。模糊控制技术是一种由模糊数学、计算机科学、人工智能、知识工程等多门学科领域相互渗透、理论性很强的科学技术,实现这种模糊控制技术的理论,称为模糊控制理论.2.l模糊控制系统自动控制系统通常由被控对象、传感器、控制器和执行机构等部件组成。是一个集合体,这种系统在完成预定任务时,可以不需要人的直接参与,由测量装置替代人的感知机能来观测被控制量(或状态)的实时变化,由控制器对给定量与被测量进行比较,综合信息(模拟的或数字的)处理,并给出控制量,最后由执行机构来对被控对象施加某种设置或调整。2.1.1模糊控制系统的组成与特点1.模糊控制系统组成根据前述模糊控制系统的定义,不难想象模糊控制系统组成具有常规计算机控制系统的结构形式,如图3一1所示。由图可知,模糊控制系统通常由模糊控制器、输入/输出接口、执行机构、被控对象和传感器等五个部分组成。(1)模糊控制器:模糊控制器是各类自动控制系统中的核心部分。由于被控对象的不同,以及对系统静态、动态特性的要求和所应用的控制规则(或策略)相异,可以构成各种类型的控制器,如在经典控制理论中,用运算放大器加上阻容网络构成的PID控制器和由前馈、反馈环节构成的各种串、并联校正器;在现代控制理论中,设计的有状态观测器、自适应控制器、解耦控制器、鲁棒控制器等。而在模糊控制理论中,则采用基于模糊知识表示和规则推理的语言型模糊控制器,这也是模糊控制系统区别于其他自动控制系统的特点所在。(2)输入/输出(I/O)接口:在实际系统中,由于多数被控对象的控制量及其可观测状态量是模拟量。因此,模糊控制系统与通常的全数字控制系统或混合控制系统一样,必须具有模/数(A/D)、数/模(D/A)转换单元,不同的只是在模糊控制系统中,还应该有适用于模糊逻辑处理的“模糊化”与“解模糊化”(或称“反模糊化”)环节,这部分通常也被看作是模糊控制器的输入/输出接口。(3)执行机构:除了电气的,如各类交、直流电动机,伺服电动机,步进电动机等以外,还有气动的和液压的,如各类气动调节阀和液压马达、液压阀等。(4)被控对象:被控对象可以是一种设备或装置以及它们的群体,也可以是一个生产的、自然的、社会的、生物的或其他各种的状态转移过程。这些被控对象可以是确定的或模糊的、单变量或多变量的、有滞后或无滞后的,也可以是线性的或非线性的、定常的或时变的,以及具有强耦合和干扰等多种情况。对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象,更适宜采用模糊控制。(5)传感器:传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号(模拟或数字)的一类装置。被控制量往往是非电量,如位移、速度、加速度、温度、压力、流量、浓度、湿度等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位,它的精度往往直接影响到整个控制系统的精度,因此,在选择传感器时,应注意选择精度高且稳定性好的传感器。在模糊控制系统中,为了提高控制精度,要及时观测被控制量的变化特性及其与期望值间的偏差,以便及时调整控制规则和控制量输出值,因此往往将测量装置的观测值反馈到系统输入端,并与给定输入量相比较,构成具有反馈通道的闭环结构形式。2.1.2模糊控制系统具有如下优点(1)模糊控制系统不依赖于系统精确的数学模型,特别适宜于复杂系统(或过程)与模糊性对象等采用,因为它们的精确数学模型很难获得或者根本无法找到。(2)模糊控制中的知识表示、模糊规则和合成推理是基于专家知识或熟练操作者的成熟经验,并通过学习可不断更新,因此,它具有智能性和自学习性。(3)模糊控制系统的核心是模糊控制器。而模糊控制器均以计算机(微机、单片机等)为主体,因此它兼有计算机控制系统的特点,如具有数字控制的精确性与软件编程的柔软性等。(4)模糊控制系统的人一机界面具有一定程度的友好性,它对于有一定操作经验的而对控制理论并不熟悉的工作人员来说,很容易掌握和学会,并且易于使“语言”进行人一机对话,更好地为操作者提供控制信息。虽然模糊控制系统具有众多优点,但它毕竟是一门高新技术,在理论研究和实际应用方面尚有许多问题等待深入探索和开发。例如在模糊规则和合成推理等方面还有待进一步完善。第3章 传统电饭煲的工作原理3.1传统电饭煲的工作原理开始煮饭时，用手压下开关按钮，永磁体与感温磁体相吸，手松开后，按钮不再恢复到图示状态，则触点接通，电热板通电加热，水沸腾后，由于锅内保持100不变，故感温磁体仍与永磁体相吸，继续加热，直到饭熟后，水分被大米吸收，锅底温度升高，当温度升至“居里点103”时，感温磁体失去铁磁性，在弹簧作用下，永磁体被弹开，触点分离，切断电源，从而停止加热如果用电饭锅烧水，在水沸腾后因为水温保持在100，故不能自动断电，只有水烧干后，温度升高到103，才能自动断电。3.1.1 电饭煲的煮饭过程 电饭煲的煮饭过程是大米中的淀粉、葡萄糖、脂肪等成分所进行的一系列复杂生化过程。它与煮饭温度和温度变化率等因素有着密切的关系。诺煮饭温度和温度变化率控制得当，就可能煮出色、香、味质俱佳的米饭。电饭煲煮米饭最佳过程示意图如下图3-1所示。图 3-1 电饭煲煮米饭最佳过程示意图电饭煲煮米饭程序主要包括六道工序：吸水工序：吸水工序加热温度应低于60，这样可以防止大米变糊，提高煮饭质量。所以电饭煲应用小火（小功率）加热至35左右，并恒温67min，使大米充分吸水膨胀，而后再缓慢将温度升至65左右。强火（大功率）加热工序：电饭煲用大功率进行加热，在较短时间内，将温度升至100.由于水温较高，热水开始进行强烈对流，可使所有大米均匀受热，避免米饭出现家声现象。持续沸腾工序：为了使大米中的B淀粉（难以消化的淀粉）转化为A淀粉（容易消化的淀粉），电饭煲需在100维持20min左右。最后，待米饭煮透、煲底水分蒸干（锅底温度为103左右）后，电饭煲停止加热。焖饭工序：焖饭工序的目的是使热量透入到米粒的心部，使米饭内、外部质量趋于一致。焖饭工序还可使米粒外部的部分水分透入米粒的心部，而另一部分水分则被蒸发掉。焖饭工序是利用电饭煲加热器的余热来完成的，一般为12min左右。补炊工序（二次加热程序）：补炊工序是一个使米饭进一步松化的过程。在焖饭温度下降到一定程序时，再进行加热。这次加热会使米饭的水分进一步蒸发，米饭进一步变得松软。当加热温度升高到一定程度，再停止加热，米饭又进一步放热。米饭处于这种加热、放热状态，就可以变得充分松软。补炊时间因人而定，一般分为“无补炊”、“淡”、“中”、“浓”四挡，其加热时间分别0、100s、300s和500s。普通电饭煲没有自动的补炊工序。保温工序：保温工序使恒温在70左右（不同品牌的电饭煲此温度有所差别）。在煮米饭程序的六道工序中，前四道工序最为重要。而补炊工序主要是为了使米饭松软可口。保温工序是为了保证米饭在较长时间内有较好的质量。3.1.2、电饭煲的结构原理 普通电饭煲在饭煮熟后由限温器自动切断电源，饭的温度下降到限定的保温温度时，再由恒温器控制加热器的通电和断电，使饭的温度维持在限定的范围内，实现自动保温。（1）基本结构：普通电饭煲的基本结构如图3-2所示，主要组成部件有外壳、内胆加热器、磁钢限温器、双金属片恒温器、指示灯、插座等。图3-2 普通电饭煲的基本结构图外壳通常采用冷轧钢板一次拉伸成型。为了达到防锈、美观、耐用等要求，外表常采用静电喷漆、烤漆、电镀、爆花等工艺方法进行处理。内胆一般采用纯铝板一次拉伸成型，底部呈球面状，与电热盘面紧密接触，以保证有较好的热传导性能，提高热效率。内锅通常采用化学抛光或喷漆涂聚四氟乙烯等方法处理，以防锅底外部与溢出的米汤粘连。电热盘是将管状电热元件浇铸在铝合金中而制成的，多呈球面状，与内锅底面相吻合，有良好的导热性能。管状电热元件浇铸后，为保证电气绝缘性能，其端部需用密封材料密封。磁钢限温器的主要作用是当饭煮熟后自动断电，其结构原理如图3-3所示。图3-3 磁钢限温器动作原理图在煮饭时按下开关键，降温弹簧被压缩，永久磁钢上升，永久磁钢便吸住感温磁钢。这时两触头接触，接通电源。于是，电热元件的热量通过加热盘传给内锅。米饭煮熟时，内锅底温度为103左右，这时感温磁钢的温度要稍微高些，正好达到其居里温度点。此时感温磁钢迅速失去磁性，变成非磁性体。永久磁钢不能再吸引感温磁钢，因此，被降温弹簧弹开，传动片向下移动，压下杠杆，使两触头脱离，从而切断电源。于是，发热盘停止发热，内胆的温度不再升高。双金属片恒温器在电饭煲中主要起自动保温作用。双金属片恒温器由两片膨胀系数不同的金属片轧制在一起形成。在受热温度上升时，由于两种金属的膨胀系数不同，一片金属膨胀较大，而另一片金属膨胀较小。双金属片受热时会向膨胀较小的一侧弯曲，在温度下降时，它的弯曲程度变小，降低到一定温度则恢复平直的状态。利用双金属片的这种特性就可以做成对温度敏感的开关。在自动电饭煲中，双金属片的开头温度为65左右。 （2）工作原理：常见的单按键电饭煲电路原理如图3-4所示。其S1是双金属片恒温器控制的触点，在65以下是常闭状态，70以上是常开状态。S2是磁钢限温器控制的触点。接通电饭煲电源，按下磁钢限温器按钮，S2闭合。这时指示灯发亮，加热给电饭煲加热。当煲温达到70时，常闭触点S1受温度影响自动跳开，但此时电路仍接通。直到饭熟水干后，电饭煲底部温度上升到103时，感温磁钢达到居里点而失磁。触点S2断开，指示灯熄灭。 图3-4 普通电饭煲的电路原理图加热器断电后，其余热将饭焖至最佳程度。随着饭温的下降，当低于在65时，其S1自动复位（闭合），加热器重新进入工作状态，指示灯发亮；当温度高于70时，S2又断开，指示灯熄灭。如此循环使煲内温度始终维持在65上下。从普通电饭煲的控制电路可以看出，它的控制是属于开关式的低级控制方式。这种温度控制只能煮出一般质量的米饭。如果要煮出可口的米饭，需要用到单片机及智能软件。第4章 模糊控制应用于电饭煲模糊家用电器具有模糊推理能力，因此模糊家用电器是一种智能化的家用电器。模糊推理是人们日常应用最多的智能形式。模糊推理可以用语言表示，从而避免了大量繁琐的数学符号和公式所描述的系统控制过程表述。又由于模糊推理无须知道对象的数学模型，故而将模糊控制用于模拟人工智能并且在日常生活中为人类服务的家用电器就有着不言而喻的优势。正因为模糊推理无须知道对象的数学模型，所以，在大批量产业化生产的家用电器中，即使其特性有一定的分散性，也可以用模糊控制方法实现其应用的功能，同时使家用电器的操作性能更优越，更具人性化，这比传统的控制方法有很大的优势。4.1模糊电饭煲的基本结构 采用模糊推理对煮饭进行控制的电饭煲称为模糊电饭煲。模糊电饭煲是家用电器中用量最大的一种智能化产品。要煮出高质量的米饭，有三个决定性的因素，即米、水量和火力。其中火力的控制是煮出可口米饭的关键。模糊电饭煲根据煮饭专家工艺建立有关模糊推理，并对电饭煲进行控制。模糊电饭煲还有米饭量的模糊推理功能，这是其非常有意义的智能之一。采用模糊控制器的智能型电饭煲，是根据“煮饭专家”的工艺技术进行火力调节、控制炊煮过程的，因而能煮出比一般电脑型电饭煲更优质可口的米饭。4.1.1模糊电饭煲的基本结构模糊电饭煲的煲体结构与电子保温型电饭煲大同小异、如图5-1所示，包括盛米的内锅、内盖、外锅、外壳、加热板、锅底传感器等。金属内锅层及有保温功能的外壳紧密结合一个可以保温的外锅体，它能保证电热板的热量绝大多数用于对米饭的加热，只有少量被锅体吸收或泄漏于外界环境。锅底传感器用于检测温度。它可以检测室温及水温的初始值、水温在加热时的随机值、内锅的温度变化率等。图4-1 模糊电饭煲的煲体结构 电压力锅除了一些基本装置:密封装置，排气装置，控制电路，锁定装置，内胆，温控装置，电热装置，定时装置等，有的系统还会包括一些安全装置，如:开盖安全装置、泄压装置、合盖安全装置及其他软件实现的保护装置等，其中，开盖安全装置的作用是当压力锅内有一定压力时，无论什么原因，锅盖将无法打开，避免锅内压力伤人;合盖安全装置是在锅盖与锅身尚未完全扣合时，加热器应处于断开状态，避免压力上升造成爆锅;限压排气阀是烹饪过程中为使锅内压力保持在一定压力范围，软件控制排气阀的开关来控制压力达到最佳烹饪效果的装置;泄压装置是在限压排气阀失灵时，泄压装置可以手动进行泄压从而保证安全。有些品牌的模糊电饭煲，设有多个加热器。这些电饭煲除了锅底加热板之外，还有锅侧加热器的锅盖加热器。锅侧加热器一个低功率的辅助加热器其目的在于使内锅在加热时上部和底部的温度比较均匀；另外，在保温时，也使内锅中的饭受热均匀，使保温效果更好。锅盖加热器是为了使锅盖有一定的温度，这样可有效防止水蒸气冷凝结露，防止从饭面蒸发来的水滴重新下滴到饭面形成局部旋涡型稀饭，影响米饭的质量。美的牌FB-31系列电饭煲除了锅底传感器之外，还有锅盖传感器。锅盖传感器用于检测室温和蒸汽温度，可以判别米饭所处的工艺阶段，特别是可判别在焖饭阶段中米饭的温度。4.1.2模糊电饭煲的模糊控制传统电饭煲只可以实现吸水、沸腾、焖饭三个功能，模糊电饭煲则可以实现吸水、加热、沸腾、焖饭、膨胀等多种功能，而每种功能都能取得理想效果。尤其是米饭的加热阶段，决定着米饭的质量，这一阶段需要推算出米饭量，传统电饭煲难以实现。 米饭量的模糊推理 在模糊控制的电饭煲中，控制过程的各段时间都米饭量有关。因此，米饭量的测定是第一个关键步骤，其后的过程则依据米饭量进行相应的控制。 米饭量的测定是在吸水分阶段进行的。在吸水阶段，电饭煲通电后，锅内的温度尚未来得及上升，这时首先检测出当时的室温和锅中的水温。随着加热过程的进行，米饭的温度渐渐上升，当温度上升到稍低于淀粉化温度，比如50时，则停止加热。此后，利用余热使米进行一定程度的吸水而，同时温度也就随之下降。经过一个阶段，温度下降到40，这时吸水阶段结束。在模糊推理中，将室温Tr、初台水温Tw和温度变化率Td人作为条件，而煮饭量Q为推理结果。在室温Tr不变的情况下，温度变化率Td和煮饭量Q有着密切的关系，同时又和初始水温Tw有一定的关系。模糊推理是在室温Tr为一定值的条件下，根据初始水温Tw和温度变化率Td推断出煮饭量Q。其推理规则为If Tw and td then Q初始水温Tw和温度变化率Td以及煮饭量的模糊量Q如图4-2所示。其中煮饭量是以单点表示。在模糊推理中，采用极大极小运算原理。对于n条模糊控制规则，则有If Twi and Tdi then Qi i=1,2,，n图4-2 饭量推理模糊量根据实际初始水温Tw和实际温度变化率Td，可求出其对应每条规则模糊量的隶属度。对于规则：if Twi=M and Tai = S then Qi=d），从而对第i条规则有隶属度i：i=minM(Tw)，S（Td） （4-1） 按照这个模糊算法，对n条模糊推理规则，就有n个隶属度1，2