【正文】 直接控制。而模糊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可以用模糊性的自然語言表現(xiàn)知識(shí)，和可以用簡單的maxmin運(yùn)算實(shí)現(xiàn)知識(shí)的推理，但在知識(shí)的獲取方面十分脆弱。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。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。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。(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。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。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。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。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。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。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。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。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(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。 (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。 (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。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)。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。，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。然后，基于這些模糊IFTHEN規(guī)則建立模糊控制器。狀態(tài)變量應(yīng)能描述系統(tǒng)關(guān)鍵特性，控制變量應(yīng)該能夠影響系統(tǒng)的狀態(tài)。本文所使用的IFTHEN規(guī)則是自我總結(jié)歸納的經(jīng)驗(yàn)并以語言表達(dá)出來。 從理論上來說，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。米量越大，t100越大而Tbot100越小。10cup,5cup,2cup表示米量的大小，分別表示十杯、五杯、二杯。反之，當(dāng)米量很大時(shí)，熱量很難從底部滲透到液面的頂部，底部溫度到達(dá)95℃時(shí)，但由于當(dāng)?shù)撞考訜峤z功率很高時(shí)，不同的米量帶來的溫度從50℃上升到100℃的時(shí)間的差別會(huì)比較小，從而導(dǎo)致判斷不準(zhǔn)確。圖25模糊推理機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 The configuration of the fuzzy inference engine其中，INPUT 1為頂溫Tbot100, INPUT2為集中加熱時(shí)間t100。其語言變量的隸屬度曲線圖如圖26。 集中加熱時(shí)間的語言描述分為五檔，分別為很長、長、中等、短、很短，其對(duì)應(yīng)的模糊子集為 {PB，PS，O, NS, NB} 同樣量化為七個(gè)等級(jí)，則有t100= {3,2,1,0,1,2,3}表21 Tbot100賦值表對(duì)應(yīng)的隸屬度曲線選用三角形和Z形，如圖27所示。 依據(jù)工程師的經(jīng)驗(yàn)，關(guān)于米量的推理規(guī)則可以描述為: 如果頂溫很高，且加熱時(shí)間很短，則米量很小。 如果頂溫很高，且加熱時(shí)間很長，則米量很小。如果頂溫很低，且加熱時(shí)間很短，則米量很大。如果頂溫很低，且加熱時(shí)間很長，則米量很大。模糊控制電飯煲加熱控制是逼近最佳加熱曲線進(jìn)行的，在沸騰階段的加熱功率Pw直接影響著米飯的質(zhì)量。綜上所述，在沸騰階段，不同的米量要采用不同的底部Pw，這是建立以米量Q為輸入，底部Tp為輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)Pw控制的一維模糊推理過程原因所在。模式四表示香米的少量米模式。MCU顯示/按鍵電路聲音報(bào)警電路加熱執(zhí)行電路測溫電路電源/電池供電電路時(shí)鐘與復(fù)位電路 系統(tǒng)選用以低成本、功耗小、性能良好的8位A/D with LCD型HT46R65單片機(jī)為控制核心的控制電路。儲(chǔ)存溫度50℃到125℃它的主要內(nèi)核特性: (1)程序存儲(chǔ)器:8K X 16 ROM (2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器:384 X 8 RAM (3) LCD驅(qū)動(dòng):41X2, 41X3或40 X 4 Segments (4) 16層硬件堆棧 它的主要周邊特性: (1) 20個(gè)具有上拉功能的雙向輸入/輸出口 (2) 10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器 (3)內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)及專用的LCD存儲(chǔ)器 (4) 2個(gè)外部中斷輸入(5) PFD輸出(1)電源/電池供電電路電源/。二極管D6處于截止?fàn)顟B(tài)，電池電路斷路。 (2)時(shí)鐘與復(fù)位電路 系統(tǒng)采用4MHz晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘振蕩器。(4)測溫電路 測溫元件是準(zhǔn)確檢測溫度的關(guān)鍵，采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻PXN51E。頂部和側(cè)面加熱器為輔加熱器，并聯(lián)在一起由雙向可控硅進(jìn)行控制。輸入到INT1引腳的方波的另一個(gè)作用是檢測電源是否掉電，如果掉電MCU應(yīng)該工作在Halt狀態(tài)。電飯煲系統(tǒng)整體電路原理圖參見附錄。輸出控制部分受控于功能子程序，顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)并決定當(dāng)前繼電器和可控硅是否工作。在檢測到斷電時(shí)，MCU要轉(zhuǎn)入低功耗運(yùn)行模式，以節(jié)約能量，系統(tǒng)重新上電后，還要判斷此時(shí)系統(tǒng)是否要恢復(fù)為斷電前的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)掉電記憶功能。如前所述，煮飯的過程實(shí)際上是要保證電飯煲內(nèi)的米水混合物要經(jīng)過圖24所示的溫度曲線，因此，煮飯功能程序的設(shè)計(jì)就是圍繞這一目的來進(jìn)行的。圖213 煮飯功能流程圖 米量的模糊推理算法開始于啟動(dòng)加熱的瞬間，在底部達(dá)到100℃時(shí)結(jié)束，記住加熱時(shí)間t并讀取此時(shí)的頂部溫度T，然后根據(jù)表24的規(guī)則進(jìn)行米量判斷。 如果T=1，若t1，則R=0，否則若t=1，則R=1，否則R=2。因此，在實(shí)際算法中，直接將兩個(gè)輸入量同它們相應(yīng)的等級(jí)值進(jìn)行比較，得到其所在的等級(jí)，從而直接查表得到后續(xù)階段中的加熱功率及溫度點(diǎn)。這一過程的參數(shù)整定同樣是一個(gè)“試錯(cuò)”過程，本文討論的專家系統(tǒng)正是針對(duì)參數(shù)整定問題提出的解決辦法。這就是說，不可能有一種控制器是適合所有電飯鍋的。有經(jīng)驗(yàn)的工程師在調(diào)試過程中或許可以少走一點(diǎn)彎路，沒有經(jīng)驗(yàn)或僅有少量經(jīng)驗(yàn)的工程師為了取得更好的控制效果往往不得不花費(fèi)更大的時(shí)間和精力。但由于在參數(shù)調(diào)整過程中同樣是利用了煮飯專家的經(jīng)驗(yàn)，而這些經(jīng)驗(yàn)是有規(guī)律可循的，可以用思路清晰的程序語言表達(dá)。知識(shí)庫以適當(dāng)?shù)男问絻?chǔ)存從專家那里得到的某個(gè)領(lǐng)域的專門知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和常識(shí)。推理機(jī)實(shí)質(zhì)上是一組計(jì)算機(jī)程序，目的是根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲(chǔ)的信息，利用知識(shí)庫內(nèi)的知識(shí)，按一定的策略去處理問題，并得到結(jié)論。本課題建立的一種基于模糊電飯煲開發(fā)的專家系統(tǒng)如圖41所示。尋優(yōu)算法結(jié)合測試反饋信息和根據(jù)參數(shù)調(diào)整規(guī)則和測試反饋結(jié)果對(duì)已有參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整后得到的新參數(shù)表存入EEPROM。在系統(tǒng)找到一種最優(yōu)的數(shù)據(jù)之后，只需將EEPROM中的數(shù)據(jù)讀出，放入程序中相應(yīng)位置即可。上位機(jī)程序主要由以下四部分組成:(1)人機(jī)界面測試工程師在此界面下輸入測試結(jié)果。(4)通信子程序所有上位機(jī)獲得的電飯煲測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都來自單片機(jī)的傳遞，單片機(jī)同PC之間是全雙工的通信方式。當(dāng)然，這些數(shù)據(jù)的確定也是開發(fā)工程師長期經(jīng)驗(yàn)積累的結(jié)果。同時(shí)，上位機(jī)及下位機(jī)程序基本編寫完畢。最后要達(dá)到的理想的設(shè)計(jì)水平是只由開發(fā) 工程師建立程序結(jié)構(gòu)，給出一組大體正確的參數(shù)，余下的工作即可由測試工程師來完成。結(jié) 論本課題在研究了模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法并熟悉了電飯煲這一模糊對(duì)象的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了一種模糊電飯煲控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。 (1)設(shè)計(jì)一種二維模糊推理機(jī)進(jìn)行米量的判斷，并采用適當(dāng)?shù)墓ぞ哂?jì)算出其推理結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此種二維模糊推理機(jī)的判斷方法是準(zhǔn)確有效的。完成了下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。重點(diǎn)研究了硬件的低成本化設(shè)計(jì)方法，從而增強(qiáng)了產(chǎn)品的競爭力，使產(chǎn)品真正走向市場。微電腦電飯煲以其良好的烹調(diào)效果，節(jié)能的特點(diǎn)，智能化與多功能的設(shè)計(jì)，越來越受到人們的喜愛。這是因?yàn)閷?duì)不同米量，控制器應(yīng)該采取不同的控制策略，因?yàn)榭刂破髟诒Ｕ吓胝{(diào)效果的同時(shí)，同時(shí)必須注意節(jié)能。此外，本人在論文期間曾經(jīng)對(duì)電飯煲進(jìn)行過研究，對(duì)其中參數(shù)整定的復(fù)雜性深有體會(huì)，且其調(diào)整規(guī)則是由經(jīng)驗(yàn)獲得的。本論文不足之處在于，由于種種原因，第五章所述的一種基于模糊電飯煲開發(fā)的專家系統(tǒng)尚未完全設(shè)計(jì)完成。致 謝 這是我在大學(xué)校園里的最后一次作業(yè)，現(xiàn)在馬上就要結(jié)束了，不管好與差，我都感慨萬千。其次，我要感謝大學(xué)里所有教過我知識(shí)的老師們，正是他們孜孜不悔地教導(dǎo)，讓我在四年時(shí)光里充實(shí)了自己的知識(shí)儲(chǔ)備，在自己所學(xué)的自動(dòng)化專業(yè)方面了解了很多，為我以后出去走向社會(huì)提供了強(qiáng)有力的支柱。19985 ，20006 ，2002年第3期，第23卷增刊，8 ，200