【正文】 方面的研究。這主要是因為研究者常常把模糊控制器的設計分成幾個獨立的部分來進行，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，便于初學者上手，快速進行問題的分析和解決。但是這樣做帶來的問題是很難對設計好的系統(tǒng)進行理論分析和設計優(yōu)化。當然，在我國，也有一批學者走在了模糊控制理論研究的前列。如，. Zadeh的學生，香港科技大學的王立新教授，在模糊系統(tǒng)與模糊控制理論領域做出了很大貢獻，給模糊系統(tǒng)與模糊控制理論帶來了三個突破，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)定的自適應模糊控制器的設計方法。在智能家電的研究方面，日本走在世界的前面。資料統(tǒng)計表明，目前日本家用電器的單片機使用率在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用領域都在世界上領先。日本在九十年代初期就有模糊家電問世，而那時我國的模糊家電尚未起步?，F(xiàn)在，在家電控制器中應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)展動向:(1)進一步擴大傳感器的組合利用多個傳感器的功能組合可以不斷改進家電的控制技術(shù)，而對多個量采樣后再進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)絡技術(shù)相結(jié)合如前所述，與AI(人工智能)和神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)相結(jié)合將進一步提高模糊家電的智能化水平。(3)模糊家電網(wǎng)絡化隨著網(wǎng)絡經(jīng)濟的逐步發(fā)展，未來的家用電器必將改變目前這種單機運作的模式，而具有與Internet網(wǎng)通信的能力。家用電器走網(wǎng)絡化的道路，這也是當今家電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢之一。本課題以單片機為主要手段，以電飯鍋為控制對象，將模糊控制技術(shù)應用于電飯鍋的開發(fā)方面，由于在電飯鍋的模糊控制當中，許多前輩已經(jīng)做了大量卓有成效的工作，即使在今天，模糊電飯鍋在市場上也是比比皆是。本文在借鑒前人工作的基礎上，研制出了一種模糊電飯煲控制系統(tǒng)，并重點研究了如下內(nèi)容:(1)在進行大量測試及實驗之后，提出一種新的判斷米量的方法，并取得良好的應用效果。(2)研究了電飯煲硬件控制系統(tǒng)，重點研究了低成本化設計方法。(3)根據(jù)新的米量判斷方法，設計了相應的軟件控制程序；(4)提出一種基于模糊電飯鍋參數(shù)整定的專家系統(tǒng)，以提高電飯鍋設計開發(fā)的效率。第2章 電飯煲的模糊控制的設計電飯鍋作為一個模糊控制對象，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其吸熱散熱特性都有影響。當然，在電飯鍋煮飯的過程中，米量的大小對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，電飯鍋必須對不同的米量采取相應的不同的控制方案和工藝過程，才能達到期望中的效果。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大量的實驗研究表明，電飯煲中的米水混合物在經(jīng)過下面的幾個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。以下對各階段進行簡要介紹。(1)穩(wěn)定階段 這一階段的目的是對開始煮飯時電飯鍋的初始狀態(tài)進行判定。開始煮飯時水和鍋的狀態(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等待的辦法，等待大約3,4分鐘的時間，使鍋和水的狀態(tài)達到一致，以便對初始的煮飯狀態(tài)做出準確的判斷。在穩(wěn)定階段結(jié)束的時候讀出底部溫度、頂部溫度的值，值的高低，將對以后的過程產(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。這一階段的水溫應該低于55℃，否則會使大米中的淀粉a化，影響吸水的效果。(3)集中加熱階段和落水階段 集中加熱階段是對鍋進行全功率的加熱，使鍋底的溫度迅速上升，但在米量較大的情況下，使鍋內(nèi)上下溫度基本達到一致，所有的米都能均勻受熱。在這個階段中，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)的水進一步減少，鍋底漸漸趨于干燥，當鍋底的水分減少到一定程度，鍋底溫度就會迅速上升，這時沸騰過程結(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)的溫度達到炯飯的溫度，當達到一定的溫度時，停止加熱或小功率加熱，由飯鍋利用余熱對米飯進行熱炯，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備食用的情況下，將電飯鍋中的米飯保持在72℃的水平。實驗研究表明，這樣的一條曲線作為溫度控制的標準可以煮出質(zhì)量優(yōu)良的米飯。而這樣一條曲線是機械式電飯鍋不可能實現(xiàn)的，在電飯鍋煮飯過程中實現(xiàn)這樣一條曲線本身就是借鑒了煮飯專家的經(jīng)驗，模仿了人的行為，這本身就是智能化的，模糊化的。模糊控制是一種計算機數(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)，在實現(xiàn)的過程中要經(jīng)過以下三個步驟: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，將測到的過程精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，再經(jīng)過根據(jù)經(jīng)驗總結(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)，完成控制動作，且這種動作是以精確量表現(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)換為相應模糊語言變量值的過程，此相應語言變量值均由對應的隸屬度來定義。在實際應用中，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應的隸屬度最大的語言變量，作為該項確切值的模糊子集。 (2)模糊推理 模糊推理包括三個組成部分:大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個模糊條件語句，構(gòu)成規(guī)則庫。小前提是一個模糊判斷句，又稱事實。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。它的目標是產(chǎn)生確切的控制動作，應該能夠最好的反映出推理出的模糊控制動作分配的可能性。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現(xiàn)。軟件模糊推理的模糊化、模糊推理和模糊判決三個過程都用軟件來實現(xiàn)。對于本文研究的米量和加熱功率模糊推理機來說，其推理過程是開環(huán)的，模糊推理機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，模糊推理機的最終輸出量為具體米量的值和加熱功率的值。 因為影響炊飯量檢測的因素眾多，所以不能采用稱重傳感器或其它直接測量的方法，而只能用溫度傳感器測出飯溫信號，利用模糊推理，組成測定飯量的軟傳感器，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導出當鍋底溫度一致時，達到頂部溫度所用時間模糊化模糊邏輯規(guī)則表清晰化飯量 圖22 飯量測量軟傳感器框圖 通過實驗和分析，發(fā)現(xiàn)幾種有代表性的電飯煲均在預熱段進行米量推理過程。但是，若在預熱段對米量進行推理，會受到初始水溫和環(huán)境溫度的嚴重影響，而難以得到準確的判斷。實驗表明，當米水經(jīng)過吸水階段之后，鍋內(nèi)溫度處于60℃左右，在此基礎上再進行加熱和推理，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溫度采集模塊測量的電飯煲樣品用標準煮飯模式炊煮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℃在不同米量下的時間差別卻很顯著，當米量少（3杯）時，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)生對流，底部溫度到達100℃時頂部溫度為40℃；反之，當米量很大（10杯）時，熱量很難從底部滲透到液面的頂部，底部溫度到達100℃時頂部溫度僅為30℃，當頂部溫度在40℃到80℃之間的線性度比較好，而這個階段對應著加熱階段的主上升期，所以，在加熱階段的主上升期來進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)利用試錯法對米量進行二維模糊控制來判斷更為準確。 模糊控制器的設計方法可以分為兩類:試錯法(trialanderror approach)和理論法(theoretical approach)。在試錯法中，首要任務是建立一個模糊IFTHEN規(guī)則集合，規(guī)則可以通過總結(jié)經(jīng)驗知識而得到，也可以通過精心組織的問卷向領域內(nèi)專家請教而得到。然后，基于這些模糊IFTHEN規(guī)則建立模糊控制器。最后，在實際系統(tǒng)中檢驗模糊控制器，如果性能指標不滿意，則對上述規(guī)則進行細微調(diào)整或通過反復用試錯法進行再設計，直至效果達到指標要求為止。用理論法進行設計，模糊控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是以保證某一性能標準(如，穩(wěn)定性)為設計原則的，顯然，一種適合本文所述的模糊推理機的設計方法為試錯法。其設計方法可以概括為