【正文】 方面的研究。這主要是因?yàn)檠芯空叱３０涯：刂破鞯脑O(shè)計(jì)分成幾個(gè)獨(dú)立的部分來進(jìn)行，如隸屬度函數(shù)的確定，規(guī)則的獲取，控制器的合成等。這樣做的好處是把問題簡單化，便于初學(xué)者上手，快速進(jìn)行問題的分析和解決。但是這樣做帶來的問題是很難對(duì)設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。當(dāng)然，在我國，也有一批學(xué)者走在了模糊控制理論研究的前列。如，. Zadeh的學(xué)生，香港科技大學(xué)的王立新教授，在模糊系統(tǒng)與模糊控制理論領(lǐng)域做出了很大貢獻(xiàn)，給模糊系統(tǒng)與模糊控制理論帶來了三個(gè)突破，具體是:(1)證明了一類模糊系統(tǒng)是萬能逼近器；(2)發(fā)明了WangMendel方法，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)中獲取模糊規(guī)則；(3)提出了一種能夠確保穩(wěn)定的自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)方法。在智能家電的研究方面，日本走在世界的前面。資料統(tǒng)計(jì)表明，目前日本家用電器的單片機(jī)使用率在85%94%之間，其中使用模糊控制的家電產(chǎn)品約占50%。日本甚至在幾乎所有的模糊控制應(yīng)用領(lǐng)域都在世界上領(lǐng)先。日本在九十年代初期就有模糊家電問世，而那時(shí)我國的模糊家電尚未起步?，F(xiàn)在，在家電控制器中應(yīng)用模糊控制在我國受到普遍重視。由于我國家電行業(yè)的飛速發(fā)展，模糊家電在我國大有可為。目前看來，模糊家電的發(fā)展有三大發(fā)展動(dòng)向:(1)進(jìn)一步擴(kuò)大傳感器的組合利用多個(gè)傳感器的功能組合可以不斷改進(jìn)家電的控制技術(shù)，而對(duì)多個(gè)量采樣后再進(jìn)行綜合判斷正是模糊家電之所長。(2)與AI(人工智能)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合如前所述，與AI(人工智能)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合將進(jìn)一步提高模糊家電的智能化水平。(3)模糊家電網(wǎng)絡(luò)化隨著網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的逐步發(fā)展，未來的家用電器必將改變目前這種單機(jī)運(yùn)作的模式，而具有與Internet網(wǎng)通信的能力。家用電器走網(wǎng)絡(luò)化的道路，這也是當(dāng)今家電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一。本課題以單片機(jī)為主要手段，以電飯鍋為控制對(duì)象，將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于電飯鍋的開發(fā)方面，由于在電飯鍋的模糊控制當(dāng)中，許多前輩已經(jīng)做了大量卓有成效的工作，即使在今天，模糊電飯鍋在市場(chǎng)上也是比比皆是。本文在借鑒前人工作的基礎(chǔ)上，研制出了一種模糊電飯煲控制系統(tǒng)，并重點(diǎn)研究了如下內(nèi)容:(1)在進(jìn)行大量測(cè)試及實(shí)驗(yàn)之后，提出一種新的判斷米量的方法，并取得良好的應(yīng)用效果。(2)研究了電飯煲硬件控制系統(tǒng)，重點(diǎn)研究了低成本化設(shè)計(jì)方法。(3)根據(jù)新的米量判斷方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件控制程序；(4)提出一種基于模糊電飯鍋參數(shù)整定的專家系統(tǒng)，以提高電飯鍋設(shè)計(jì)開發(fā)的效率。第2章 電飯煲的模糊控制的設(shè)計(jì)電飯鍋?zhàn)鳛橐粋€(gè)模糊控制對(duì)象，其特性的影響因素是多方面的，如結(jié)構(gòu)、材料、發(fā)熱盤的形狀、甚至是頂蓋出氣孔的大小對(duì)其吸熱散熱特性都有影響。當(dāng)然，在電飯鍋煮飯的過程中，米量的大小對(duì)其吸熱散熱特性的影響是最大的。米量的大小甚至影響到烹調(diào)的工藝過程。換句話說，電飯鍋必須對(duì)不同的米量采取相應(yīng)的不同的控制方案和工藝過程，才能達(dá)到期望中的效果。所以，在其它因素(如結(jié)構(gòu)、材料、發(fā)熱盤的形狀、頂蓋出氣孔的大小等)一定的情況下，首先必須了解模糊電飯鍋的煮飯工藝曲線.從煮飯專家的角度來看，米飯的成熟需要經(jīng)過如下八個(gè)階段:穩(wěn)定、吸水、集中加熱、落水、沸騰、間歇加熱、炯飯和保溫。在上述八個(gè)階段中電飯鍋底部溫度曲線的變化過程如圖21所示。 圖21電飯煲底部溫度曲線圖 temperature curve of cooker大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，電飯煲中的米水混合物在經(jīng)過下面的幾個(gè)階段后將能夠最終成為無論硬度和戮度都令人滿意的米飯。以下對(duì)各階段進(jìn)行簡要介紹。(1)穩(wěn)定階段 這一階段的目的是對(duì)開始煮飯時(shí)電飯鍋的初始狀態(tài)進(jìn)行判定。開始煮飯時(shí)水和鍋的狀態(tài)并不一定是一致的，有可能是熱鍋冷水，或是熱水冷鍋。這一階段就是采用記時(shí)等待的辦法，等待大約3,4分鐘的時(shí)間，使鍋和水的狀態(tài)達(dá)到一致，以便對(duì)初始的煮飯狀態(tài)做出準(zhǔn)確的判斷。在穩(wěn)定階段結(jié)束的時(shí)候讀出底部溫度、頂部溫度的值，值的高低，將對(duì)以后的過程產(chǎn)生不同的影響。(2)吸水階段 大米在正常狀態(tài)的含水量較低，吸水階段的工作目的就是使大米的含水量升高，以便在加熱階段能夠使大米的加熱趨于均勻，熱量透到大米的芯部，提高米飯的質(zhì)量。這一階段的水溫應(yīng)該低于55℃，否則會(huì)使大米中的淀粉a化，影響吸水的效果。(3)集中加熱階段和落水階段 集中加熱階段是對(duì)鍋進(jìn)行全功率的加熱，使鍋底的溫度迅速上升，但在米量較大的情況下，使鍋內(nèi)上下溫度基本達(dá)到一致，所有的米都能均勻受熱。在這個(gè)階段中，大米繼續(xù)吸收水分，并且在較高的溫度下開始了淀粉的a化。(4)沸騰階段 沸騰階段使電飯鍋內(nèi)的溫度保持在100℃的水平。這個(gè)過程使大米做深度吸水，并且在較高的溫度下促使大米中的淀粉a化。大米充分吸水后，鍋內(nèi)的水進(jìn)一步減少，鍋底漸漸趨于干燥，當(dāng)鍋底的水分減少到一定程度，鍋底溫度就會(huì)迅速上升，這時(shí)沸騰過程結(jié)束。(5)間歇加熱和炯飯階段 炯飯階段的目的就是使熱量透到米飯的芯部，使之充分受熱而內(nèi)外質(zhì)量趨于一致。也就是使米芯的淀粉a化。炯飯階段還使大米外部的水分一部分深透入米芯，促使內(nèi)部的成熟變化，另一部分蒸發(fā)掉。這樣就使得整粒米飯內(nèi)外一樣。間歇加熱的目的就是使鍋內(nèi)的溫度達(dá)到炯飯的溫度，當(dāng)達(dá)到一定的溫度時(shí)，停止加熱或小功率加熱，由飯鍋利用余熱對(duì)米飯進(jìn)行熱炯，炯飯結(jié)束后，米飯將完全成熟，無論硬度或薪度都令人滿意。(6)保溫階段 保溫階段的目的是在人們尚未準(zhǔn)備食用的情況下，將電飯鍋中的米飯保持在72℃的水平。實(shí)驗(yàn)研究表明，這樣的一條曲線作為溫度控制的標(biāo)準(zhǔn)可以煮出質(zhì)量優(yōu)良的米飯。而這樣一條曲線是機(jī)械式電飯鍋不可能實(shí)現(xiàn)的，在電飯鍋煮飯過程中實(shí)現(xiàn)這樣一條曲線本身就是借鑒了煮飯專家的經(jīng)驗(yàn)，模仿了人的行為，這本身就是智能化的，模糊化的。模糊控制是一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，所以其控制系統(tǒng)框架同一般的數(shù)字控制系統(tǒng)一樣，只不過它的控制器是模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由程序?qū)崿F(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)的過程中要經(jīng)過以下三個(gè)步驟:輸入量的模糊化、模糊推理和輸出量的解模糊。在模糊控制過程中，將測(cè)到的過程精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，再經(jīng)過根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成的若干模糊規(guī)則和必要的模糊處理后，模糊判斷系統(tǒng)根據(jù)輸入的模糊信息按照控制規(guī)則和推理法則，做出模糊決策，然后輸出解模糊后的控制量并作用于執(zhí)行系統(tǒng)，完成控制動(dòng)作，且這種動(dòng)作是以精確量表現(xiàn)出來的。 (1)模糊化 模糊化是將模糊控制器輸入量的確切值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語言變量值的過程，此相應(yīng)語言變量值均由對(duì)應(yīng)的隸屬度來定義。在實(shí)際應(yīng)用中，常常選擇三角形作為語言變量的隸屬度曲線。在模糊化的過程中，一般利用最大隸屬度原則，即在語言集中選擇該元素對(duì)應(yīng)的隸屬度最大的語言變量，作為該項(xiàng)確切值的模糊子集。 (2)模糊推理 模糊推理包括三個(gè)組成部分:大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個(gè)模糊條件語句，構(gòu)成規(guī)則庫。小前提是一個(gè)模糊判斷句，又稱事實(shí)。模糊推理就是以已知的規(guī)則庫和輸入變量為依據(jù)，基于模糊變換推出新的模糊命題作為結(jié)論的過程。 (3)解模糊 解模糊是將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值的過程。它的目標(biāo)是產(chǎn)生確切的控制動(dòng)作，應(yīng)該能夠最好的反映出推理出的模糊控制動(dòng)作分配的可能性。常用的方法有最大隸屬度法、加權(quán)平均法和重心法。 目前，實(shí)用模糊邏輯控制常用的方法有查表法和軟件模糊推理等。查表法是將輸入的隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則和輸出隸屬度函數(shù)都用表格來表示，從輸入量的模糊化、模糊推理和模糊判決都通過查表來實(shí)現(xiàn)。軟件模糊推理的模糊化、模糊推理和模糊判決三個(gè)過程都用軟件來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于本文研究的米量和加熱功率模糊推理機(jī)來說，其推理過程是開環(huán)的，模糊推理機(jī)只包含輸入量的模糊化、利用規(guī)則的模糊推理及輸出量的解模糊，隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則可以用表格來表示，模糊推理機(jī)的最終輸出量為具體米量的值和加熱功率的值。 因?yàn)橛绊懘讹埩繖z測(cè)的因素眾多，所以不能采用稱重傳感器或其它直接測(cè)量的方法，而只能用溫度傳感器測(cè)出飯溫信號(hào)，利用模糊推理，組成測(cè)定飯量的軟傳感器，最后通過模糊決策來判斷米量的值。頂部傳感器底部傳感器A/D導(dǎo)出當(dāng)鍋底溫度一致時(shí)，達(dá)到頂部溫度所用時(shí)間模糊化模糊邏輯規(guī)則表清晰化飯量 圖22 飯量測(cè)量軟傳感器框圖 通過實(shí)驗(yàn)和分析，發(fā)現(xiàn)幾種有代表性的電飯煲均在預(yù)熱段進(jìn)行米量推理過程。但是，若在預(yù)熱段對(duì)米量進(jìn)行推理，會(huì)受到初始水溫和環(huán)境溫度的嚴(yán)重影響，而難以得到準(zhǔn)確的判斷。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)米水經(jīng)過吸水階段之后，鍋內(nèi)溫度處于60℃左右，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行加熱和推理，能排除初始水溫不一致的影響，因此，控制器采用在加熱階段來進(jìn)行米量的推理是更為可行的選擇方案?！嫦?，采用DUT4000溫度采集模塊測(cè)量的電飯煲樣品用標(biāo)準(zhǔn)煮飯模式炊煮3杯和10杯大米的溫度曲線圖，其中3杯、10杯表示米量的大小( )，a是3杯米底部溫度曲線，b是10杯米底部溫度曲線，c是3杯米頂部溫度曲線，d是10杯米頂部溫度曲線。，不同米量下的底部溫度從60℃上升到100℃的時(shí)間差別并不是很大；從底部溫度60℃加熱到頂部溫度60℃在不同米量下的時(shí)間差別卻很顯著，當(dāng)米量少（3杯）時(shí)，底部加熱產(chǎn)生的熱量很容易從底部滲透到液面的頂部，產(chǎn)生對(duì)流，底部溫度到達(dá)100℃時(shí)頂部溫度為40℃；反之，當(dāng)米量很大（10杯）時(shí)，熱量很難從底部滲透到液面的頂部，底部溫度到達(dá)100℃時(shí)頂部溫度僅為30℃，當(dāng)頂部溫度在40℃到80℃之間的線性度比較好，而這個(gè)階段對(duì)應(yīng)著加熱階段的主上升期，所以，在加熱階段的主上升期來進(jìn)行米量判斷原則上比較合適。、10杯大米溫度曲線圖 但通過研究發(fā)現(xiàn)，最終發(fā)現(xiàn)利用試錯(cuò)法對(duì)米量進(jìn)行二維模糊控制來判斷更為準(zhǔn)確。 模糊控制器的設(shè)計(jì)方法可以分為兩類:試錯(cuò)法(trialanderror approach)和理論法(theoretical approach)。在試錯(cuò)法中，首要任務(wù)是建立一個(gè)模糊IFTHEN規(guī)則集合，規(guī)則可以通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)而得到，也可以通過精心組織的問卷向領(lǐng)域內(nèi)專家請(qǐng)教而得到。然后，基于這些模糊IFTHEN規(guī)則建立模糊控制器。最后，在實(shí)際系統(tǒng)中檢驗(yàn)?zāi)：刂破鳎绻阅苤笜?biāo)不滿意，則對(duì)上述規(guī)則進(jìn)行細(xì)微調(diào)整或通過反復(fù)用試錯(cuò)法進(jìn)行再設(shè)計(jì)，直至效果達(dá)到指標(biāo)要求為止。用理論法進(jìn)行設(shè)計(jì)，模糊控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是以保證某一性能標(biāo)準(zhǔn)(如，穩(wěn)定性)為設(shè)計(jì)原則的，顯然，一種適合本文所述的模糊推理機(jī)的設(shè)計(jì)方法為試錯(cuò)法。其設(shè)計(jì)方法可以概括為