【文章內(nèi)容簡介】 匝數(shù)為1且短路時，次級線圈電路會顯著增加，因此會在負載ZL上產(chǎn)生明顯的熱損耗如圖22所示。圖23是一個基本的電磁感應(yīng)加熱系統(tǒng)的示意圖，包括電磁感應(yīng)初級線圈，次級負載和交變的電源。當初級線圈中通以交變的電流時，初級線圈會產(chǎn)生交變的磁場，次級負載位于交變的磁場中會產(chǎn)生渦流從而發(fā)熱。圖3中，初級線圈為一長直螺線管，在長直螺線管的內(nèi)部放置有一根圓柱形的導(dǎo)體。如圖所示，在長直螺線管中通以交變的電流，螺線管的周圍會產(chǎn)生交變的磁場。圓柱形導(dǎo)體位于螺線管的中心部位，在其內(nèi)部感應(yīng)出渦流，并且渦流在導(dǎo)體的表面聚集，電流密度隨離表面的深度增加而變小。圖3右側(cè)的為綜切面，外部環(huán)流代表螺線管中的電流，內(nèi)部電流代表在圓柱形導(dǎo)體內(nèi)部感應(yīng)出的渦流。 圖21 變壓器等效電路 圖22 次級短路圖23 電磁感應(yīng)加熱示意圖在電磁電飯煲中，采用銅線特制的圓形線盤作為感應(yīng)線圈。根據(jù)安培定則，當感應(yīng)線圈中通以交變電流I時，在感應(yīng)線圈的周圍，會產(chǎn)生與交變電流同頻率的交變磁通φ，交變磁通φ又會在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e。根據(jù)MAXWELL電磁方程式，交變磁通量φ和感應(yīng)電動勢e的大小為：?=BS(21)dedt?=?(22)式中φ——總磁通量；B——磁感應(yīng)強度；S——線圈截面面積；e——感應(yīng)電動勢(V)；d——通過感應(yīng)線圈磁通量的變化率(Wb/s)由于整個圓形線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度可以看成是若干個不同半徑的通電感應(yīng)線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度之和，以上分析得到的半徑為R的感應(yīng)線圈在鍋底底部產(chǎn)生的加熱功率的規(guī)律同樣適用于整個圓形線圈。由此可知，電磁感應(yīng)加熱所產(chǎn)生熱量的功率分別與鍋底材料磁導(dǎo)率μ的平方、感應(yīng)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。因此，增大電磁電飯煲功率方法除了使用高導(dǎo)磁率的鍋具外，可以提高感應(yīng)線圈中交變電流的電流值及其頻率。 (1)集膚效應(yīng) 當交流電流流過導(dǎo)體的時候，會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流如圖24所示，從而導(dǎo)致電流向?qū)w表面擴散，電流沿導(dǎo)體截面上的分布是不均勻的。導(dǎo)體表面的電流密度會大于中心的電流密度，最大的電流密度出現(xiàn)在導(dǎo)體的表面層，這種電流聚集于表面的現(xiàn)象叫做集膚效應(yīng)。從這個規(guī)律可知，由電能轉(zhuǎn)換成熱能主要集中在負載的表面。 圖24 集膚效應(yīng)示意圖 當交流電流通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的外部和內(nèi)部都建立了磁場，磁力線的形狀是導(dǎo)體的中心為圓的同心圓，因為電流是交變的，磁場也是交變的，顯然與導(dǎo)體表面部分相交的磁力線，比與導(dǎo)體內(nèi)部所交連的磁力線要少，于是導(dǎo)體中心部分的自感電動勢，或者說，中心部分的電感和阻抗大于表面部分的電感和阻抗。電流總是沿著阻抗最小的路徑流動，所以電流會聚集到導(dǎo)體的表面。電流頻率越高，自感電動勢的作用越強，集膚效應(yīng)也越顯著。另一種情形是導(dǎo)體放在交變電磁場中，也就是感應(yīng)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。 (2)鄰近效應(yīng) 相鄰兩導(dǎo)體通以交流電流時，在相互影響下導(dǎo)體中的電流要重新分配，當兩電流方向相反時，電流聚于導(dǎo)體內(nèi)側(cè)；當兩電流方向相同時，電流聚于導(dǎo)體外側(cè)。假如在任何瞬間兩平行導(dǎo)體中的電流方向相反時，在導(dǎo)體之間由兩電流所建立的磁場方向相同，總磁場增大，而兩導(dǎo)體外側(cè)的磁場卻減弱。兩導(dǎo)體之間的磁通不僅通過空氣，而且也通過導(dǎo)體內(nèi)部，顯然到體外側(cè)比內(nèi)側(cè)流密度較內(nèi)側(cè)為小。當平行導(dǎo)體中的電流方向相同時，用同樣的方法可得出到體外側(cè)電流密度較內(nèi)側(cè)為大。(3)圓環(huán)效應(yīng) 若將交流電流通過圓環(huán)形螺管時，則最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象叫做圓環(huán)效應(yīng)。導(dǎo)體的徑向厚度與圓環(huán)直徑之比越大，這種效應(yīng)就越顯著。 電磁電飯煲電磁感應(yīng)加熱電路的組成電磁電飯煲電磁感應(yīng)加熱電路是主要由交流電源、橋式整流電路、高頻電壓轉(zhuǎn)換器和感應(yīng)線圈等構(gòu)成的交流直流交流轉(zhuǎn)換電路。如圖25所示為電磁感應(yīng)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(yīng)的的關(guān)鍵器件。市電的交流電源經(jīng)過橋式整流器整流和濾波電路濾波后，變換為直流電，再經(jīng)高頻電壓逆變電路轉(zhuǎn)換為頻率為25KHz左右的高頻交流電送入感應(yīng)線圈中。根據(jù)安培定則，在感應(yīng)線圈周圍會產(chǎn)生高頻交變的磁場。電磁電飯煲鍋具置于高頻交變的磁場中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及其三個效應(yīng)，在電飯煲鍋具底部表面產(chǎn)生大量渦流。根據(jù)焦耳定律和電流的熱效應(yīng)，鍋底溫度迅速上升從而加熱鍋內(nèi)食物。圖25 電磁感應(yīng)加熱電路的組成 電磁電飯煲主加熱電路及電壓逆變電路工作過程分析根據(jù)選定的并聯(lián)諧振電路結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計電磁電飯煲的主加熱電路結(jié)構(gòu)如圖26所示。220V/50H交流電經(jīng)過保險管FUSE1，再通過安穩(wěn)電容C1和壓敏電阻CNR1加在整流橋BRIDGE1的兩個輸入端，整流橋輸出的脈動直流電壓經(jīng)濾波電容C3后變?yōu)楸容^平滑的直流電壓Ud，直流電壓Ud直接加在由Rs和Ls串聯(lián)代表的感應(yīng)線圈和補償電容C2組成的并聯(lián)諧振電路的輸入端。通過脈寬調(diào)制方波控制功率開關(guān)管IGBT1按一定的頻率進行開合而使并聯(lián)諧振電路工作，通過感應(yīng)線圈的高頻、高壓的交變電流在感應(yīng)線圈的周圍感應(yīng)出高頻交變的磁場，使位于磁場內(nèi)的電磁電飯煲鍋具底部感應(yīng)出渦流而發(fā)熱。圖26 電磁電飯煲主加熱電路結(jié)構(gòu)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。圖中，Rs和Ls分別是感應(yīng)線圈的串聯(lián)等效模型的電阻值和電感值，C2是補償電容，Ud是交流電壓經(jīng)整流、濾波后的直流電壓，功率開關(guān)管IGBT1內(nèi)部含有1個快速恢復(fù)二極管。功率開關(guān)管具有輸入阻抗高,柵驅(qū)動功率極小,開關(guān)速度快，關(guān)斷時間短，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，是極佳的高速高壓半導(dǎo)體功率器件。IGBT1采用Infineon公司的IHW30N120R2型號，其集電極和發(fā)射極耐壓值UCE達1200V，集電極可通過電流30A，可以滿足控制系統(tǒng)的需要。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。電壓逆變電路將經(jīng)整流、濾波后的直流電壓變換為流經(jīng)感應(yīng)線圈的高頻振蕩的交流電，從而在感應(yīng)線圈的周圍感應(yīng)出與振蕩電流同頻率的磁場。圖213中，Ug為IGBT1驅(qū)動電壓即脈寬調(diào)制方波(PWM，Pulse Width Modulation），Uc為IGBT1集電極C的電壓，IL為流經(jīng)感應(yīng)線圈的電流。當時間t1~t2時，當脈寬調(diào)制方波PWM的高電平加至IGBT1的G極時，IGBT1飽和導(dǎo)通，電流i1從電源流過Ls。由于感應(yīng)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(jié)束,IGBT1截止。同樣，由于感應(yīng)線圈的感抗作用，i1不能立即變0，于是向補償電容C2充電，產(chǎn)生充電電流i2。在t3時間，C2電荷充滿，電流減小到0，這時感應(yīng)線圈的電感量Ls的磁場能量全部轉(zhuǎn)為C2的電場能量，在電容兩端的電壓出現(xiàn)左負右正，幅度達到峰值電壓。此時，在IGBT1的C、E極間出現(xiàn)的電壓實際為逆程脈沖電壓加上電源電壓，其值可達1100V。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(zhuǎn)為Ls中的磁場能量。因感應(yīng)線圈具有感抗作用，i3不能立即變?yōu)?，于是Ls兩端電動勢反向，即Ls兩端電位左正右負。由于IGBT1內(nèi)部阻尼管的存在，C2不能繼續(xù)反向充電，而是經(jīng)過IGBT1內(nèi)部阻尼管回流，形成電流i4。在t4到t5時間內(nèi)，第二個脈沖開始到來，但這時IGBT1的Ue為正，Uc為負，處于反偏激狀態(tài)，所以IGBT1不能導(dǎo)通。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(dǎo)通，產(chǎn)生i5以后又不斷重復(fù)i1~i4的過程。因此在感應(yīng)線圈上就產(chǎn)生了和開關(guān)脈沖頻率f(20KHz~30KHz)相同的交流電流。在t4~t5階段，i4是IGBT1內(nèi)部阻尼管的導(dǎo)通電流。圖28 電壓逆變電路波形示意圖第三章 模糊控制理論及其在電磁電飯煲中的應(yīng)用經(jīng)過長期研究和實踐形成的經(jīng)典控制理論，對于解決線性定常系統(tǒng)的控制問題是很有效的，而對于非線性時變系統(tǒng)難以奏效。隨著計算機的發(fā)展及應(yīng)用，基于狀態(tài)變量描述的現(xiàn)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(yīng)用。但是，無論采用經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論設(shè)計一個控制系統(tǒng)，都需要事先知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標，選擇適當?shù)目刂埔?guī)律進行控制系統(tǒng)的設(shè)計。然而，在許多情況下被控對象由于影響因素很多、具有時變性和非線性的特點而且相互之間又有交叉耦合，其模型十分復(fù)雜且難以求解，因此建立精確的數(shù)學(xué)模型困難很大甚至難以建立。與此相反，對于許多難以建立精確模型實現(xiàn)自動控制的被控對象，富有經(jīng)驗的操作人員根據(jù)經(jīng)驗和知識進行模糊推理、判斷和調(diào)節(jié)來控制，可以得到滿意的效果。這樣的事實讓學(xué)者們思考對于無法構(gòu)造數(shù)學(xué)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(dǎo)致了模糊控制理論的誕生。1965年，著名的控制論專家美國加州大學(xué)扎德教授創(chuàng)立了模糊集合論，提出用“隸屬函數(shù)”的概念來描述現(xiàn)象差異中的中間過渡，并指出一個模糊變量不能唯一賦值，而是應(yīng)包含多個取值成分，且可用一個模糊集合來完整地表征。這一開創(chuàng)性的工作標志著模糊數(shù)學(xué)的誕生，為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題提供了強有力的數(shù)學(xué)工具。模糊自動控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制。模糊控制從最初到現(xiàn)在，經(jīng)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。簡單模糊控制階段指在計算機系統(tǒng)上把控制器上的推理過程處理成模糊控制表，這種模糊控制器結(jié)構(gòu)簡單并且容易實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的PID控制相比不僅反應(yīng)速度更快、對被控對象參數(shù)變化適應(yīng)能力強，而且在對象模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化時也能獲得較好的控制效果。但由于結(jié)構(gòu)的簡單性，對受影響因素多的復(fù)雜的被控對象控制精度不高，魯棒性有限。模糊控制屬于計算機數(shù)字控制的一種形式，其系統(tǒng)組成類同于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，只是以模糊控制器取代了傳統(tǒng)的數(shù)字控制器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。圖31 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jù)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。(2)輸入/輸出接口裝置輸入/輸出接口將從主控單片、被控對象處獲得的模擬信號量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號量，并輸出到模糊控制器。模糊控制器獲得數(shù)字信號量后，將推理決策后得到的數(shù)字信號量輸出到輸入/輸出接口。輸入/輸出接口將獲得的數(shù)字控制信號量轉(zhuǎn)換為模擬信號后送到執(zhí)行機構(gòu)去控制被控對象。(3)廣義對象包擴執(zhí)行機構(gòu)和被控對象。被控對象可以是缺乏精確的數(shù)學(xué)模型的，也可以是有比較精確的數(shù)學(xué)模型的對象。(4)傳感裝置用來將被控對象的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號。被控制量往往是非電量，如位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。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。因此，在選擇傳感器時應(yīng)選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心部分，其控制規(guī)律來自于人們在生產(chǎn)實踐中掌握的對被控對象的控制經(jīng)驗并由計算機或單板機的程序?qū)崿F(xiàn)。這種程序一般包括兩個部分，一個是計算機或單板機離線計算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運算。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。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖32所示。圖32 模糊控制器的基本組成結(jié)構(gòu)通常將模糊控制器輸入變量的個數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。以單輸入、單輸出為例。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。二維模糊控制器在目前被廣泛采用，這種控制器以誤差和誤差的變化為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細。但維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜,控制算法的實現(xiàn)相當困難。家用電器是模糊控制理論應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一，它們的控制過程一般很難用精確的數(shù)學(xué)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(shù)，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。模糊控制較之傳統(tǒng)的PID控制不僅有較強的魯棒性，而且在對象的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變下仍能取得較好的控制效果。在本文著重分析在電磁電飯煲的控制系統(tǒng)的設(shè)計中，如何利用模糊控制原理來推斷鍋中的米量及進行加熱溫度控制。在推斷出鍋中的米量的基礎(chǔ)上，根據(jù)煮飯專家提出的煮飯工藝曲線，通過模糊推理制定最佳的加熱溫度、時間控制策略。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(nèi)的水蒸氣溫度。電磁電飯煲加熱輸出功率模糊推理過程結(jié)構(gòu)圖如圖33所示，包括兩個模糊推理過程，第一個是以測得的鍋底與頂蓋溫度差和鍋底溫度的變化率為輸入，根據(jù)米量測定模糊控制規(guī)則表推理出米量；第二個是以米量為基礎(chǔ)，結(jié)合鍋底溫度變化率，根據(jù)溫度控制模糊控制規(guī)則表推理出輸出的脈寬調(diào)制PWM占空比來控制加熱功率。頂蓋溫度鍋底溫度輸出功率控制溫度控制模糊規(guī)則表米量測定模糊控制規(guī)則表米量QPWM占空比圖33 電磁電飯煲模糊推理框圖煮飯的過程就是將大米中含有的β淀粉將開始轉(zhuǎn)化為人體所能吸收的α淀粉的過程。根據(jù)煮飯專家建議的煮飯最佳加熱溫度工藝曲線，如圖34所示，煮飯的過程可分為吸水、加熱、沸騰、燜飯、膨脹和保溫六個階段。每一個階段的具體內(nèi)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(nèi)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(zhì)量。這個過程水溫應(yīng)低于55℃，否則大米中的淀粉α化，會使米飯變糊，影響煮飯的質(zhì)量。(2)加熱階段 加熱階段需要用較大功率對大米進行加熱，使水溫不斷均勻上升，大米此時繼續(xù)吸收水分并開始了淀粉α化。由于熱水溫度升高和對流，鍋內(nèi)的大米能夠充分均勻受熱。如果加熱階段升溫速度控制不當，則會出現(xiàn)一部分淀粉不能轉(zhuǎn)化為α淀粉而造成夾生飯。因此，加熱