【文章內(nèi)容簡介】 VCCDQ2VDD1GND3U4DS18B20(3)DQ2VDD1GND3U3DS18B20(3)DQ2VDD1GND3U2DS18B20(3) 圖 311 溫度傳感器電路 第 15 頁 第 4章 智能電飯煲軟件部分的詳細(xì)設(shè)計 電飯煲的基本功能就是煮飯，如何將米煮成香噴噴的米飯是電飯煲需要解決的主要問題。為了得到最佳的煮飯效果，可通過傳統(tǒng)的和科學(xué)的煮飯方法確定最佳的煮飯工藝流程即煮飯的過程控制，最后根據(jù)確定的煮飯流程編寫參數(shù)調(diào)試程序，從而得到最終的最佳煮飯流程和溫度控制曲線。 第 理想的最佳煮飯方法 生米煮成熟飯的過程是相當(dāng)復(fù)雜的生化轉(zhuǎn)化過程。在這一過程中，大米中的淀粉、葡萄糖等成份進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)化。影響轉(zhuǎn)化的最主要因素是 溫度及溫度的變化。鐵鍋柴灶煮飯時，有經(jīng)驗(yàn)的“巧婦”，在小知不覺中，運(yùn)用灶膛中火力大小，使飯鍋的溫度發(fā)生變化，滿足了大米的最佳轉(zhuǎn)化條件，從而蒸煮出香噴噴的米飯。這種溫度發(fā)生變化大致分為 5 個階段： (1)、 低溫吸水：讓大米在 30~40℃的溫水中浸泡足夠時間，使米粒充分吸水膨脹，米粒內(nèi)外隨水溫慢慢升高至 60℃ ~70℃。 (2)、 快速升溫：當(dāng)米粒內(nèi)外溫度達(dá)到 70℃時，米粒將開始糊化，糊化首先發(fā)生在米粒表面。為了避免米粒表面糊化后不向內(nèi)部傳熱，這時應(yīng)快速升溫，使米粒內(nèi)外在極短時問內(nèi)，同時達(dá)到高溫，有利于米粒內(nèi)外同時糊化、熟化。 (3)、 高溫 沸騰：促使米粒內(nèi)外同時熟透，并蒸發(fā)掉鍋內(nèi)多余水分，避免米粒含水過多而稀化，也就是常說的“爛飯”。 (4)、 烘飯：在高溫沸騰停止后，鍋內(nèi)的水蒸汽將冷卻液化，滴回米飯表面。為繼續(xù)蒸發(fā)掉表面多余水分，同時使米粒內(nèi)部水分進(jìn)一步排出，使米飯更松軟。 (5)、 燜飯：在熟飯后維持一定溫度，使米粒進(jìn)一步釋水松軟，靠鍋的米粒得熱較多而出現(xiàn)少許焦黃，整鍋米飯浸透燒香味。 日常使用的機(jī)械式電飯煲，利用磁鋼受熱后磁性減弱來控制加熱絲的通斷。電源一旦接通，就持續(xù)加熱。達(dá)到最高溫度后，開關(guān)自動斷開，煮飯結(jié)束。這種電飯煲的煮飯過程中沒有也難以實(shí)現(xiàn)吸水和 燜飯過程，同時也不能準(zhǔn)確的控制各個階段的溫度以及溫度變化。因而米飯的口感和質(zhì)量較差，同時無法實(shí)現(xiàn)和用戶之間的交互以完成各種附加功能。如圖 42 所示為煮飯最佳曲線圖。 第 16 頁 圖 41 煮飯最佳曲線 吸水階段使大米在一定的溫度下充分吸水，使大米含水率從 14%上升到 25%左右，以保證米粒在加熱過程中內(nèi)外均勻受熱，熱量透到大米的芯部，從而使之燒成柔軟鼓脹狀，但是，一旦水溫超過 70℃，米將變成糊狀。所以，一般將水溫控制在 60℃以下。 快速升溫階段把已吸足水分的米采 用大功率進(jìn)行加熱，迅速達(dá)到糊化溫度，如果不繼續(xù)迅速升溫的話，米粒將在此溫度下吸入大量水分并且米粒會達(dá)到半熟的狀態(tài)，此后無論采取何種措施，米飯都不會達(dá)到理想的炊煮效果。 沸騰階段是將米中不易溶于水、難以消化的淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹苡谒⒁子谙牡矸?，?yīng)保持一定的時間。沸騰階段電飯煲內(nèi)的溫度保持在 100℃的水平。大米充分吸水后，鍋內(nèi)的水逐漸減少，鍋底趨于干燥，當(dāng)鍋底的水分減少到一定程度后，米飯的溫度迅速上升進(jìn)入圖 41 中的烘飯階段，在該曲線圖中，烘飯包含在高溫沸騰的階段中。 沸騰結(jié)束后，進(jìn)入燜飯階段，在燜飯階段，使米 粒充分受熱而內(nèi)外質(zhì)量趨于一致，燜飯階段還使大米外部的水分一部分滲透入米芯，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)外一致。一般燜飯之后的米飯含水率在 69％左右。在燜飯階段有一個間歇加熱的階段，目的是使煮熟的米飯產(chǎn)生少許的鍋巴，使整鍋的米飯更具米飯的香味，同時燜飯階段使得米飯無論在硬度上或黏度上都會另人滿意。 第 煮飯功能模糊控制器 . 模糊控制基本思想 模糊控制是一種計算機(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，烘飯 t/min 吸水 快速升溫 高溫沸騰 燜飯 保溫 米飯溫度℃ 120 100 70 40 30 第 17 頁 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(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)，完成控制動作，且這種動作足以精確量表現(xiàn)出來的 [13]。 (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)語苦變量值均由對應(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(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)化確切的控制動作，應(yīng)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。 如圖 42 所示的模糊控制框架圖。 圖 42 模糊控制框圖 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u z y x e + r － MCU 知識庫 模糊化 模糊 推理 清晰化 K1 量化 控制表 K3 控制對象 d/dt K2 量化 第 18 頁 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過程都用軟件來實(shí)現(xiàn)。對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。 . 參數(shù)標(biāo)識 煮飯模糊控制器包括飯量的模糊推理，溫度的模糊控制量部分，為了便于接下來的模糊控制設(shè)計，故列出一系列相關(guān)標(biāo)識量。 (1)、 Warmup: 下傳感器預(yù)約溫度 初始值 ： 30～ 80℃ (2)、 Steam: 上傳感器檢測到的蒸汽溫度 初始值 ： 60～ 90℃ (3)、 Qtystart: 下傳感器米量判斷開始溫度 初始值 ： 50～ 70℃ (4)、 Hightem: 上傳感器防凝露控制溫度 初始值 ： 95～ 115℃ 第 米量的模糊推理 電飯煲的結(jié)構(gòu)不允許采用重量傳感器等可以直接測量的方法，根據(jù)多年的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，采用上、下溫度傳感器配合測出飯溫信號，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是一種十分有效的、可行的方法。 模糊電飯煲實(shí)行模糊控制的關(guān)鍵是煮飯量的模糊測定，這一工作是在吸水階段進(jìn)行的。米量判斷過程是通過下傳感器達(dá)到統(tǒng)一的溫度值 (qtystart)開始計時，采用大功率持續(xù)加熱，直到上傳感器檢測到蒸汽溫度為止，根據(jù)多年的電飯煲開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，這是一種非?？煽康拿琢繖z測方法，不 同米量的值，這個過程所需的時間不等，具有明顯的梯度，所以可以比較準(zhǔn)確的判斷出米量。米量的區(qū)分以電飯煲產(chǎn)品附帶的量杯為單位。 本項(xiàng)課題采用的方法是通過設(shè)定底部傳感器溫度值，當(dāng)?shù)撞繙刂蹬c設(shè)定值 (qtystart)相等時，取上傳感器一個適當(dāng)?shù)墓潭ǖ臏囟取?steam”，不同的米量加熱到電飯煲上傳感器達(dá)到這個溫度“ steam”的時間 Trx是不同的。這樣，米量模糊控制器就可以看成輸入量為時間 Trx,輸出量為米量 Q 的一維模糊控制器。表 41 為 產(chǎn)品的煮飯模式下，米量判斷時間 Trx對應(yīng)的米量判斷值 Q。通過米量 Q 的值來 判斷煮飯時各時間段的合理時間區(qū)間，得到相應(yīng)飯量的煮飯最佳曲線，表格中 Trx為時間段，比如美的 FS460 的精煮功能， Trx的值在 0～ 539。30時間段內(nèi)，得到的 Q 值為 0。Trx的值在 539。31～ 639。10時間段內(nèi)，得到的 Q 值為 1,依次類推，表中列出各個時間段的上限值。 第 19 頁 表 41 FS460 的米量判斷對應(yīng)表 精煮 Trx 快煮 Trx 對應(yīng)米量 少量米 Trx 對應(yīng)米量 判定值 ~539。00 ～ 539。20 1杯 ~339。40 0 ~539。50 ～ 639。00 ~439。20 1杯 1 ~739。20 ～ 739。30 2杯 ~539。00 2 ~839。10 ～ 839。30 ~639。40 2杯 3 ~939。50 ～ 1039。00 3杯 ~739。30 4 ~1039。50 ～ 1039。50 ~939。00 3杯 5 ~1239。00 ～ 1239。20 4杯 ~939。50 6 ~1239。50 ～ 1339。20 ~1139。20 4杯 7 ~2039。00 ～ 2039。00 5杯以上 ~2039。00 5杯以上 8 . 加熱功率的模糊控制 通過以上米量的模糊推算，我們就可根據(jù)判定值 Q 來推斷主加熱盤應(yīng)該用何種加熱模式來進(jìn)行炊煮過程，這里利用加熱時間占空比參數(shù) TP來替代 PW，通過改變 TP從而改變加熱盤的加熱功率 PW 這里取 32s 一個周期，通過調(diào)節(jié)這 32s 中主加熱盤的通斷來控制加熱功率 PW，在保證可以實(shí)現(xiàn)最佳加熱曲線的前提下，以簡化算法，易于實(shí)現(xiàn)為原則，按下表42 可根據(jù) Q 值推算 TP的值。 表 42 主加熱盤加熱模式表 模式 TP (s) Q 精煮 快煮 少量米 0 11 13 8 1 12 14 10 2 13 16 12 3 14 18 15 4 16 20 17 5 18 22 19 6 20 24 21 7 23 26 23 8 25 28 25 通過控制主加熱盤的通斷，保證基本的煮飯功率，如表所示，之所以不能讓 TP完全導(dǎo)通，一方面為了不讓鍋底過熱，導(dǎo)致鍋里的飯下面焦而上面未熟透，另一方面也為副加熱盤進(jìn)行模糊溫度控制從而更逼近最佳炊煮曲線提供了必要的初始、穩(wěn)定的溫度保障。 第 20 頁 第 副加熱盤的模糊控制 經(jīng)過先前的米量推算后，得到應(yīng)選用的煮飯模式，從而開始進(jìn)行煮飯溫度的模糊控制，這種控制主要的實(shí)施 器件是與加熱盤串連的可控硅，通過控制其導(dǎo)通時間來實(shí)現(xiàn)對溫度的控制 [21]，具體方法： (1)、 根據(jù)鍋身溫度傳感器傳給單片機(jī)的實(shí)時的溫度信號，再對比同一時間最佳煮飯曲線所對應(yīng)的溫度值，得到傳感器現(xiàn)測溫度信號與預(yù)設(shè)溫度之間的誤差值 E 以及誤差值變化率△ E，誤差 E 的范圍規(guī)定我177。 2℃。 (2)、 分別對 E 和△ E 進(jìn)行量化，并描述其隸屬度，列出隸屬度表，制定模糊控制規(guī)則表。 (3)、 進(jìn)行模糊推理，根據(jù) E 和△ E 量化后的模糊集合 A 和 B 得出每條規(guī)則的模糊算子進(jìn)而求的輸出量的模糊集合 C。 (4)、 用所求得的輸出模糊集合進(jìn)行清晰化計算（用加權(quán)平均法）得到清晰的控制 量?；谀：刂撇襟E：模糊化、規(guī)則庫建立、模糊推理、解模糊，對加熱盤的溫度模糊控制采用鍋身溫度傳感器的溫度信號作為系統(tǒng)輸入，晶閘管控制量作為系統(tǒng)輸出，采用二維模糊控制器進(jìn)行模糊算法的設(shè)計。 . 輸入輸出的量化 對實(shí)際輸入量，第一步首先需要進(jìn)行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍。本課題采用線性的變換方法，實(shí)際輸入量為 E 變化范圍為 [2,2]，要求的論域?yàn)?[6,6],則量化因子為 : m a x m in [ 6 ( 6 ) ] 3* m a x * m in [ 2 ( 2 ) ]XXk XX? ? ?? ? ?? ? ? (1) 量化公式為 : e k E?? (2) 同理，也可以得到△ E 的量化值。 表 44 表示了偏差值 E、偏差變化率△ E 的連續(xù)域的量化。 通過量化，我們可以方便計算，方便理解，也方便劃分論域及模糊集合。 第 21 頁 表 44 誤差值 E的量化和誤差變化率△ E的量化 E 量化等級 變化范圍 /℃ △ E 量化等級 變化范圍 /s 6 ＞ 6 ＞ 5 ( ～ ] 5 ( ～ ] 4 ( ～ ] 4 ( ～ ] 3 ( ～ ] 3 ( ～ ] 2 （ ～ ] 2 ( ～ ] 1 （ ～ ] 1 （ ～ ] 0 ( ～ ] 0