【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 果在初始煮飯時(shí)刻水量添加過多，在沸騰維持階段有可能很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都無法將鍋內(nèi)剩余水份吸收，這樣 25min 過后，會(huì)進(jìn)入附加沸騰維持階段，直至鍋內(nèi)的水份被完全的吸收。為了避免這種情況多次發(fā)生，要進(jìn)行米水配比實(shí)驗(yàn)，定出最佳水位線。 燜飯分 3 個(gè)階段，根據(jù)米量、米 種、煮飯模式的不同，各個(gè)階段的時(shí)間和加熱功率都是不同的，燜飯時(shí)間結(jié)束后進(jìn)入保溫狀態(tài)。在沸騰、燜飯及保溫階段，要采用統(tǒng)一的上蓋控制，防止鍋內(nèi)的水蒸汽在鍋頂蓋凝結(jié)成水。 在所有以上流程中，都有水燒干的防護(hù)措施。一旦水燒干，鍋底溫度迅速升高，電飯煲會(huì)進(jìn)行報(bào)警和自動(dòng)斷電，以免發(fā)生危險(xiǎn)。 模糊控制器的設(shè)計(jì)方法可以分為兩類 :試錯(cuò)法 (Trialanderror Approach)和理論法 ( Theoretical Approach )。在試錯(cuò)法中，首要任務(wù)是建立一個(gè)模糊IFTHEN 規(guī)則集 合，規(guī)則可以通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)而得到，也可以通過精心組織的問卷向領(lǐng)域內(nèi)專家請(qǐng)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(shí)際系統(tǒng)中檢驗(yàn)?zāi)：刂破?，如果性能指?biāo)不滿意，則對(duì)上述規(guī)則進(jìn)行細(xì)微調(diào)整或通過反復(fù)用試錯(cuò)法進(jìn)行再設(shè)計(jì)，直至效果達(dá)到指標(biāo)要求為止。用理論法進(jìn)行設(shè)計(jì)，模糊控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是以保證某一性能標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計(jì)原則的。 本文所采用的模糊控制器的設(shè)計(jì)方法為試錯(cuò)法。其設(shè)計(jì)方法可以概括為以下三步 : (1)分析實(shí)際系統(tǒng)并選擇狀態(tài)變量和控制變量。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) .狀態(tài)變量是模糊系統(tǒng)的輸入，控制變量是模糊系統(tǒng)的輸出。 10 (2)推演連接狀態(tài)變量與控制變量的模糊規(guī)則。 (3)將推演出的模糊 IFTHEN 規(guī)則組合成模糊系統(tǒng)，并檢驗(yàn)此模糊系統(tǒng)作為控制器的閉環(huán)系統(tǒng)。機(jī)試運(yùn)行帶有模糊控制器的閉環(huán)系統(tǒng)，如果不滿意其性能指標(biāo)，則對(duì)其進(jìn)行微調(diào)或再設(shè)計(jì)，并重復(fù)此過程，直至效果滿意為止。 模糊控制的基本思想 模糊控制是一種計(jì)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，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(gè)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(cè)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。 (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)語言變量值均由對(duì)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(duì)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(gè)組成部分 :大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個(gè)模糊條件語句，構(gòu)成規(guī)則庫 。小前提是一個(gè)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)生確切的控制動(dòng)作，應(yīng)該能夠最好的反映出推理出的模糊控制動(dòng)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(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(gè)過程都用軟件來實(shí)現(xiàn)。對(duì)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。 11 炊飯量的模糊推理 因?yàn)橛绊懘讹埩繖z測(cè)的因素眾多，所以不能采用稱重傳感器或其它直接側(cè)量的方法，而只能用溫度傳感器測(cè)出飯溫信號(hào)，利用模糊推理，組成測(cè)定飯量的軟傳感器，最后通過模糊決策來判斷米量的值。 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。但是，若在預(yù)熱段對(duì)米量進(jìn)行推理，會(huì)受到初始水溫和環(huán)境溫度的嚴(yán)重影響，而難以得到準(zhǔn)確的判斷。 實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)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(chǔ)上再進(jìn)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(jìn)行米量的推理 是更為可行的選擇方案。圖 是在室溫 20℃ 下，采用DUT4000 溫度采集模塊測(cè)量的電飯煲樣品用標(biāo)準(zhǔn)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 (每杯大米 )， 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。 由圖 可見，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 0C。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 300C。從圖 中還可以發(fā)現(xiàn)，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)行米量判斷是一個(gè)最為合適的選擇。從理論上來說，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。但是維數(shù)過高，模糊控制的規(guī)則將變得過于復(fù)雜，控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。所以，在電飯煲中普遍采用二維模糊控制器，能較準(zhǔn)確的判斷出米量。這種控制器的輸入變量往往選用鍋底部溫差、鍋底溫差變化率或者頂蓋溫度、頂蓋溫度增量。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果等待階段中，在頂蓋溫度和初始水溫異常時(shí)禁止米量判斷，那 么 單純 的選 取進(jìn) 入加 熱階 段開 始 到頂 部溫 度達(dá) 到一 固定 溫度 T2 （ 400CT28000C）的時(shí)間差作為判斷量，一樣可以取得滿意的效果。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)入加熱階段時(shí)，由于吸水階段溫度的波動(dòng)，可能導(dǎo)致進(jìn)入加熱階段時(shí)底部溫度不一致，這會(huì)增加米量的判斷誤差，所以，可以采用當(dāng)?shù)撞繙囟冗_(dá)到一致時(shí)再進(jìn)行米量判斷的計(jì)時(shí)。米量判斷的這種方案，簡(jiǎn)化了控制算法，易于在程序中實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過大量 實(shí)驗(yàn)證明，推算的米量偏差在 杯米之內(nèi)，同樣達(dá)到了二維控制器的控制效果，下面將講述其具體推理過程。 (1)輸入輸出變量的模糊化 通過上述對(duì)電飯煲炊飯過程的機(jī)理分析可知，在加熱階段電飯煲底部溫度相 12 同時(shí)，取頂部一個(gè)適當(dāng)?shù)墓潭ǖ臏囟?T2，不同的米量加熱到電飯煲頂部達(dá)到這個(gè)溫度 T2 的時(shí)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(shí)間Trx，輸出量為米量的一維模糊控制器。在采用 CRI 推理方法時(shí)，若連續(xù)域 圖 2. 6實(shí)驗(yàn)用樣品 3, 10杯大米溫度曲線圖 的范圍是 ? ?HL XXX ,? XL表示下限值， XH表示上限值。量化因子可表示為 : 2HLnk XX?? （ 21） 對(duì)于 X論域的清晰量 a,對(duì)應(yīng)離散論域中的元素 b為 : 2HLXXb k a ????????? （ 22） 通 過 這 樣 的 量 化 ， ? ?HL XXX ,? 就 轉(zhuǎn) 換 成 離 散 論 域N={n,n+1,?, 1,0,1, ?n 1,n}這樣，就可以在離散論域中對(duì)語言變量進(jìn)行分檔，每一檔成為語言變量的語言值，這些語言變量值可以用圖或表來表示。 輸 入 變 量 的 模 糊 化 ， n=9 ，則 N={9,8,7,6,5,4,3, 2,1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}，構(gòu)成含 19 個(gè)整數(shù)元素的離散集合。設(shè)當(dāng)鍋底溫度一致時(shí)，達(dá)到頂部溫度 T2 所用時(shí)間 T,}的論域?yàn)?[420s,840s]，則量化因子 : 2370HLnk XX??? （ 23） 定義： “ 非常?。?ES） ” 、 “ 很?。?VS） ” 、 “ 小（ S） ” 、 “ 較小（ OS） ” 、“ 較大（ OB） ” 、 “ 大（ B） ” 、 “ 很大（ VB） ” 、 “ 非常大（ EB） ” 為 Q 的語言值。 Trx和 Q的隸屬度 u的曲線如圖 所示： 13 N01 99( T t s ) 極 其 小極 其 大非 常 小非 常 大. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .N( Q )01 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5非 常 小 很 小較 小小 較 大大很 大非 常 大圖 2. 7輸入變量大二和輸出變量口的隸屬度曲線 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，中間米量 ( )對(duì)沸騰階段的加熱功率最為敏感，所以在設(shè)定米量 Q 的語言值時(shí)，需要在中間米量劃分的較為精細(xì)。 (2)模糊控制規(guī)則構(gòu)成 米量的 模糊推理是在加熱階段主上升期進(jìn)行的?？梢栽阱伒诇囟冗_(dá)到 60℃時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)鍋頂溫度達(dá)到 T2時(shí)停止計(jì)時(shí)，這個(gè)時(shí)間就是 Trx，而后通過應(yīng)用模糊推理判斷出鍋內(nèi)米量。 模糊推理的規(guī)則，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和對(duì)系統(tǒng)的觀察測(cè)量數(shù)據(jù)生成。由于所設(shè)計(jì)電飯煲在炊煮時(shí)有標(biāo)準(zhǔn)、精煮、少量米、高速、稍硬等 9種工作模式，而且操作的米種還有 5 種不同的選擇，模糊規(guī)則生成時(shí)要考慮不同模式、不同米種、不同水量、不同米量、不同電源電壓等因素，編程階段中程序存在的任何隱患和錯(cuò)誤以及電飯煲模具結(jié)構(gòu)上的問題也會(huì)造成大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn)，所以，規(guī)則的生成所需實(shí)驗(yàn)周 期很長(zhǎng)。在這里，給出 4種米 (不包含什錦米 )標(biāo)準(zhǔn)煮飯模式和大米 8種煮飯模式 (不包含少量米模式 )的米量推理規(guī)則，見表 。模糊控制規(guī)則表可以由模糊控制規(guī)則直接導(dǎo)出，這里不再另行列出。 加熱功率的模糊控制 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。在實(shí)際應(yīng)用中，利用加熱時(shí)間占空比參數(shù) Tp 來替代 Pw。通過改變 Tp，可改變熱元件上的有效電壓 Ue，從而改變熱元件的加熱功率 Pw。這里取 32s 為一個(gè)周期 (在小段時(shí)間內(nèi)可以取 16s 為一個(gè)周期 )，通過調(diào)節(jié)這 32s 中 主輔加熱器的通斷來控制電飯煲加熱的功率 Pw。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。 14 表 2. 2各種米標(biāo)準(zhǔn)煮飯模式及大米各種煮飯模式控制規(guī)則 模 式 米 種高速精煮稍硬標(biāo)準(zhǔn)壽司咖喱煲仔稍軟白米免淘香米糯米極 其 小非 常 小很 小相 當(dāng) 小小比 較 小略 小稍 許 小中有 點(diǎn) 大稍 許 大略 大 有 點(diǎn) 小比 較 大大相 當(dāng) 大很 大非 常 大極 其 大E SE S E S E S E SE S E SE S E SE SE S E SV S V S V S V SV SV SV SV S E S E S V SE SS V S E S V S S V S V S S V S V S S V SSV SV SS SS SSSS V S S SSS S SS SSSS O S O SO S O S O S O SO S O SO S O SS O B O SO SO BO S S O B O S O S O B O B O B O BO B O BO B O B O BO BO BO B O BO S B BO B O BO B O B O B O B O BO BO B V B V BB BO BE BE B E BE BE BE BE B E BE B E BE BE BE BE B E BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BE BB O B O B B B O B B V B B V B V BV BV BE B E B E B E BE BE B E BE BE B E BE BE B E B E BE B E B E BE BE B E B E BV B V BE B E B E B E B E B E B E B E BE B E BV B V BV B V BBV B V BV B V BV B V B E B V B E B E B E BO B V B V B V B V B E B V B V B V B V BV B B