【正文】 電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設計學生姓名學生班級測控072指導教師姓名評審項目指標滿分評分選題能體現本專業(yè)培養(yǎng)目標，題目大小、難度適中；學生工作量飽滿，能得到較全面訓練。完成控制系統(tǒng)的硬件設計第1113周完成電磁電飯煲控制系統(tǒng)的軟件設計。二、進度及預期結果：起止日期主要內容預期結果第12周調研、收集資料，熟悉課題內容，完成開題報告。主要研究內容有以下幾個方面：(1) 理論上分析電磁感應加熱原理，推導出影響電磁感應加熱功率的因素。第1415周 完成電磁電飯煲控制系統(tǒng)的軟件設計。任務與進度要求第12周 調研、收集資料，熟悉課題內容，完成開題報告。天津工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）題目：模糊控制電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設計姓 名 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 測控技術與儀器 指導教師 職 稱 講 師 2011年6月8日本科畢業(yè)設計（論文）中期檢查表題目模糊控制電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設計學生姓名學生班級測控072指導教師填寫任務書下達時間3月1號學生調研及查閱文獻情況良好畢業(yè)設計（論文）原計劃有無調整無學生是否按計劃執(zhí)行工作進度是學生是否能獨立完成工作任務是學生的出勤情況及出勤考核辦法出勤良好學生每周接受指導的次數及時間兩次，每次一小時畢業(yè)設計（論文）指導記錄是否齊全是學生的工作態(tài)度在相應選項劃“√”認真√一般較差尚存在的問題及采取的措施：指導教師簽字： 2011 年 4 月 27 日系（教研室）意見： 負責人簽字：天津工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）進度檢查記錄題目模糊控制電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設計學生姓名學院名稱機械工程學院專業(yè)班級測控072指導教師姓名指導教師職稱講師日 期指 導 記 錄電磁電飯煲電磁感應加熱電路米量測定模糊推理溫度控制模糊推理顯示電路和鍵盤掃描電路的設計開關電源和同步電路的設計側面和頂蓋加熱電路的設計浪涌保護電路的設計鍋底、頂蓋和 IGBT 溫度檢測電路的設計風扇驅動控制電路的設計IGBT 控制電路的設計液晶顯示子程序流程圖按鍵掃描程序流程圖畢業(yè)論文定稿及裝訂指導畢業(yè)設計答辯指導天津工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文）任務書 題目模糊控制電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設計學生姓名學院名稱機械工程學院專業(yè)班級測控072課題類型畢業(yè)設計課題意義目的是利用電磁感應加熱原理,通過交變的電磁場直接作用于被加熱的鍋底產生渦流,導體的熱效應使鍋底迅速發(fā)熱,由于不需要熱傳遞其熱效率高達90%以上,并且發(fā)熱速度快。第38周 了解電磁感應加熱原理及其在電磁電飯煲中的應用。主要參考文獻[1] ：北京航空航天大學出版社，2001[2] 雷銀照、：科學出版社，2002 [3] ：武漢水利電力大學學報，1996[4] ：重慶大學出版社，1997[5] ：北京航空航天大學出版社，2000[6] ：浙江大學碩士學位論文，2005[7] ：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004[8] 何建雄、：現在電子技術，2003[9] ：浙江大學出版社，2000 [10] 李晶皎、劉天華、：科學出版社，2005起止日期2011．備注院長 教研室主任 指導教師 畢業(yè)設計（論文）開題報告表 2011 年 3月 17日姓名學院機械工程學院專業(yè)測控技術與儀器班級072題目模糊控制電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設計指導教師一、 課題研究的主要內容、目的和意義：目的是利用電磁感應加熱原理,通過交變的電磁場直接作用于被加熱的鍋底產生渦流,導體的熱效應使鍋底迅速發(fā)熱,由于不需要熱傳遞其熱效率高達90%以上,并且發(fā)熱速度快。(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)中的應用。整體了解設計要求并完成開題報告第35周了解電磁感應加熱原理及其在電磁電飯煲中的應用。完成控制系統(tǒng)的設計第1415周編寫畢業(yè)設計說明書，總結并整理整個設計過程。10題目與生產、科研等實際問題結合緊密。15設計說明書（論文）結構嚴謹，表達清楚，文字通順，用語正確，基本無錯別字和病句，書寫格式符合規(guī)范。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，并且日益成為現代化的廚房中不可缺少的廚具，蘊藏著巨大的市場商機。軟件設計部分以模糊控制理論為基礎設計了模糊控制器，實現了米量判斷和溫度模糊控制。電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設計涉及智能控制理論、電力電子、電磁感應加熱、傳感器測量等多個領域，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，具有較高的研究價值和社會意義。電磁感應加熱來源于法拉第發(fā)現的電磁感應現象。然而在19世紀末期，科學技術人員又發(fā)現這一現象的有利面，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。 課題研究的目的及意義 傳統(tǒng)的加熱方式，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、環(huán)境污染，而且工作效率低。 電磁感應加熱技術相對于傳統(tǒng)的加熱技術來講，主要有以下的優(yōu)點：(1)非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸。(5)可實現自動化控制。然而，由于采用模糊控制的電磁感應加熱電飯煲存在檢測困難、控制復雜的特點，國內只有少數大型家電公司能夠研制、生產電磁電飯煲。應用電磁加熱技術的家電產品的發(fā)展具有巨大的社會經濟效益，而且清潔環(huán)保，節(jié)約能源。目前國內市場電磁產品的現狀是在民用領域的小家電行業(yè)中應用發(fā)展迅速，在廚房炊具及其他領域大有可為，但電磁加熱家電產品無論從品種還是電磁感應技術的應用都還是處于產品單一而且技術上同質化的時期。電磁感應加熱技術在其他方面的應用也如雨后春筍般出現。目前我國整體廚房概念逐步推廣，電磁家電產品的種類將增加，除了適合廚房應用的大功率電磁爐、電磁電飯煲之外，小功率的電磁感應技術結合活實時的單片機控制和相關傳感器技術將被廣泛應用于電壓力煲、洗碗機、電水壺、飲水機、咖啡機等小家電上，給我們的生活帶來更多便利。時，電磁感應加熱技術在應用上從工業(yè)向家用電器方向發(fā)展，在技術上主要是向大功率和高頻率方向發(fā)展，在控制上主要向智能化方向發(fā)展。電磁家電產品作為家電產品的一族，也必然向著智能化的方向發(fā)展，例如采用具有學習能力的自適應模糊控制、神經網絡模糊控制技術等多種模擬人類智能的電磁家電產品以及采用觸摸技術和大屏幕液晶顯示的電磁家電產品均已開始出現。 課題來源與研究的主要內容 電磁電飯煲是現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，具有廣闊的市場空間。本課題根據電磁感應加熱原理和模糊控制理論，進行電磁電飯煲的控制系統(tǒng)的研究與設計。根據模糊控制理論設計模糊控制器，分別完成米量測定模糊推理和溫度模糊控制。完成電磁電飯煲控制系統(tǒng)實際煮飯效果測試，對實驗結果進行分析。電磁感應加熱方式與傳統(tǒng)的加熱方式相比有很多優(yōu)點，如非接觸式加熱、無明火、無污染、速度快、效率高等，因此電磁家電產品吸引了越來越多的消費者。這就是電磁感應加熱技術的基本原理，與變壓器的原理相似。當初級線圈中通以交變的電流時，初級線圈會產生交變的磁場，次級負載位于交變的磁場中會產生渦流從而發(fā)熱。圖3右側的為綜切面，外部環(huán)流代表螺線管中的電流，內部電流代表在圓柱形導體內部感應出的渦流。由此可知，電磁感應加熱所產生熱量的功率分別與鍋底材料磁導率μ的平方、感應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。從這個規(guī)律可知，由電能轉換成熱能主要集中在負載的表面。另一種情形是導體放在交變電磁場中，也就是感應加熱工件的情形，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。當平行導體中的電流方向相同時，用同樣的方法可得出到體外側電流密度較內側為大。如圖25所示為電磁感應加熱電路的組成圖，圖中方框上方表示的是與方框功能相對應的的關鍵器件。根據焦耳定律和電流的熱效應，鍋底溫度迅速上升從而加熱鍋內食物。圖26 電磁電飯煲主加熱電路結構圖電磁電飯煲電壓逆變電路的工作過程可以分為四個階段，各階段等效電路的動態(tài)分析如圖27所示。圖27 電壓逆變電路工作過程圖如圖28所示為電壓逆變電路工作過程電壓、電流波形圖。由于感應線圈具有感抗作用不允許電流發(fā)生突變，所以在t1~t2時間i1隨線性上升，在t2時脈沖結束,IGBT1截止。在t3~t4時間，C2通過Ls放電完畢，i3達到最大值，電容兩端電壓消失，這時電容中的電能又全部轉為Ls中的磁場能量。待i4減小到0，Ls中的磁能放完即到t5時IGBT1才開始第二次導通，產生i5以后又不斷重復i1~i4的過程。隨著計算機的發(fā)展及應用，基于狀態(tài)變量描述的現代控制理論對解決線性或非線性、定?；驎r變的多輸入多輸出系統(tǒng)問題，獲得了廣泛的應用。這樣的事實讓學者們思考對于無法構造數學模型的對象，能否讓計算機模擬人的思維方式進行智能化控制決策，這就導致了模糊控制理論的誕生。模糊控制從最初到現在，經歷了兩個階段，即簡單模糊控制階段和自我完善模糊控制階段。圖31 模糊控制系統(tǒng)結構框圖模糊控制系統(tǒng)一般包括四個組成部分：(1)模糊控制器實際上是一臺微計算機，根據控制系統(tǒng)的需要可以選用系統(tǒng)機，也可選用單板機或單片機。(3)廣義對象包擴執(zhí)行機構和被控對象。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控制系統(tǒng)的精度。另一個是計算機或單板機在模糊控制過程中在線計算輸入量，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。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，它的動態(tài)控制性能不佳。家用電器是模糊控制理論應用最多的領域之一，它們的控制過程一般很難用精確的數學模型來描述，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，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、洗衣機等。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的水蒸氣溫度。每一個階段的具體內容和意義如下：(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外所含水分一致，以便在加熱階段使大米的加熱趨于均勻，提高煮飯的均勻和質量。如果加熱階段升溫速度控制不當，則會出現一部分淀粉不能轉化為α淀粉而造成夾生飯。圖34 煮飯的最佳加熱溫度曲線 (4)燜飯階段 燜飯階段使熱量深入到米飯的芯部，使米飯充分受熱而內外質量保持一致。 (5)膨脹階段 膨脹階段是一個使米飯松化的過程。 (6)保溫階段 保溫階段在米飯溫度下降到70℃左右開始進行，通過低功率加熱使米飯溫度維持在70℃左右，在長時間內保持米飯質量完好。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現米量的測定，如圖35所示為米量的定的推理框圖。根據實際經驗可知鍋底和頂蓋溫度差 E 的基本論域為[0℃,70℃]，對鍋底和頂蓋溫度差的模糊集及其整數論域定義如下：E 的模糊集為 A={NB,NM,NS,O,PS,PM,PB} ，含義分別為“負大，負中，負小，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。EC 的隸屬函數曲線選擇常用的三角形隸屬函數，如圖 37所示。取米量 Q 的隸屬函數與鍋底溫度變化率 EC 的隸屬函數相同，如圖 38 所示。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，將溫度信號轉換成電壓信號，再經 A/D 轉換將模擬量的電壓信號轉換成數字量，數字量送給單片機，作為模糊控制系統(tǒng)的輸入量。(3) 米量測定的模糊推理 如上分析，鍋底、頂蓋溫度差 E 的離散整數論域有7個元素，鍋底溫度變化率 EC 的離散整數論域都有7個元素。在本課題中，借助 MATLAB Fuzzy Logic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，可以計算出米量的模糊推理表，如表 31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論域。整數論域范圍內的變量 z( 3 ≤ z≤ 3)與相對應的基本論域中的變量 x(200 ≤ x≤ 1000)的對應關系為： 溫度控制模糊推理模糊控制電磁電飯煲煮飯過程的各個階段的溫度控制采用模糊控制的方式。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 信號的占空比來調節(jié)輸出功率，從而達到溫度控制的目的。依據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 32所示。運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。將并聯諧振電路兩端的電壓信號取樣作為同步信號輸送給同步電路，同步電路輸出的初級驅動信號輸送給IGBT 的驅動電路