【正文】 米量的推理框圖根據(jù)上述原理，在電磁電飯煲的頂蓋處和鍋具底部各放置一個(gè)具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度傳感器。本控制系統(tǒng)是利用溫度傳感器測(cè)出鍋底和頂蓋的溫度值，根據(jù)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(shí)現(xiàn)米量的測(cè)定，如圖35所示為米量的定的推理框圖。因此，米量的測(cè)定是關(guān)鍵的第一步，后面的控制過(guò)程則是在測(cè)定了米量的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)定的。 (6)保溫階段 保溫階段在米飯溫度下降到70℃左右開始進(jìn)行，通過(guò)低功率加熱使米飯溫度維持在70℃左右，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持米飯質(zhì)量完好。當(dāng)米飯溫度下降到70℃左右時(shí)，煮飯進(jìn)入下一個(gè)階段。 (5)膨脹階段 膨脹階段是一個(gè)使米飯松化的過(guò)程。在此高溫下，米芯的淀粉α化，內(nèi)外都熟透，而且使米飯產(chǎn)生米香味。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(nèi)外質(zhì)量保持一致。(3)沸騰階段 沸騰階段要使鍋中的水保持在100℃左右，此過(guò)程使大米深度吸水和使淀粉在較高溫度下繼續(xù)α化。如果加熱階段升溫速度控制不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)一部分淀粉不能轉(zhuǎn)化為α淀粉而造成夾生飯。(2)加熱階段 加熱階段需要用較大功率對(duì)大米進(jìn)行加熱，使水溫不斷均勻上升，大米此時(shí)繼續(xù)吸收水分并開始了淀粉α化。每一個(gè)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。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(cè)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(guò)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(guò)程。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(cè)鍋具底部溫度和鍋內(nèi)的水蒸氣溫度。在本文著重分析在電磁電飯煲的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，如何利用模糊控制原理來(lái)推斷鍋中的米量及進(jìn)行加熱溫度控制。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(guò)程一般很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，而傳統(tǒng)的PID控制是基于對(duì)象的精確的模型的來(lái)整定控制參數(shù)，所以對(duì)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(jī)等。從理論上講，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。一維模糊控制器常用于一階被控對(duì)象，由于其輸入變量只選誤差一個(gè)，它的動(dòng)態(tài)控制性能不佳。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(gè)數(shù)稱為模糊控制的維數(shù)。另一個(gè)是計(jì)算機(jī)或單板機(jī)在模糊控制過(guò)程中在線計(jì)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。模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心部分，其控制規(guī)律來(lái)自于人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中掌握的對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)并由計(jì)算機(jī)或單板機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)。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(gè)控制系統(tǒng)的精度。(4)傳感裝置用來(lái)將被控對(duì)象的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。(3)廣義對(duì)象包擴(kuò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象。模糊控制器獲得數(shù)字信號(hào)量后，將推理決策后得到的數(shù)字信號(hào)量輸出到輸入/輸出接口。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(gè)組成部分：(1)模糊控制器實(shí)際上是一臺(tái)微計(jì)算機(jī)，根據(jù)控制系統(tǒng)的需要可以選用系統(tǒng)機(jī)，也可選用單板機(jī)或單片機(jī)。但由于結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性，對(duì)受影響因素多的復(fù)雜的被控對(duì)象控制精度不高，魯棒性有限。模糊控制從最初到現(xiàn)在，經(jīng)歷了兩個(gè)階段，即簡(jiǎn)單模糊控制階段和自我完善模糊控制階段。這一開創(chuàng)性的工作標(biāo)志著模糊數(shù)學(xué)的誕生，為解決復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題提供了強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)工具。這樣的事實(shí)讓學(xué)者們思考對(duì)于無(wú)法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的對(duì)象，能否讓計(jì)算機(jī)模擬人的思維方式進(jìn)行智能化控制決策，這就導(dǎo)致了模糊控制理論的誕生。然而，在許多情況下被控對(duì)象由于影響因素很多、具有時(shí)變性和非線性的特點(diǎn)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。隨著計(jì)算機(jī)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(duì)解決線性或非線性、定?；驎r(shí)變的多輸入多輸出系統(tǒng)問(wèn)題，獲得了廣泛的應(yīng)用。在t4~t5階段，i4是IGBT1內(nèi)部阻尼管的導(dǎo)通電流。待i4減小到0，Ls中的磁能放完即到t5時(shí)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(guò)程。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(guò)IGBT1內(nèi)部阻尼管回流，形成電流i4。在t3~t4時(shí)間，C2通過(guò)Ls放電完畢，i3達(dá)到最大值，電容兩端電壓消失，這時(shí)電容中的電能又全部轉(zhuǎn)為L(zhǎng)s中的磁場(chǎng)能量。在t3時(shí)間，C2電荷充滿，電流減小到0，這時(shí)感應(yīng)線圈的電感量Ls的磁場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)為C2的電場(chǎng)能量，在電容兩端的電壓出現(xiàn)左負(fù)右正，幅度達(dá)到峰值電壓。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(shí)間i1隨線性上升，在t2時(shí)脈沖結(jié)束,IGBT1截止。圖213中，Ug為IGBT1驅(qū)動(dòng)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。圖27 電壓逆變電路工作過(guò)程圖如圖28所示為電壓逆變電路工作過(guò)程電壓、電流波形圖。功率開關(guān)管具有輸入阻抗高,柵驅(qū)動(dòng)功率極小,開關(guān)速度快，關(guān)斷時(shí)間短，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是極佳的高速高壓半導(dǎo)體功率器件。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(guò)程可以分為四個(gè)階段，各階段等效電路的動(dòng)態(tài)分析如圖27所示。220V/50H交流電經(jīng)過(guò)保險(xiǎn)管FUSE1，再通過(guò)安穩(wěn)電容C1和壓敏電阻CNR1加在整流橋BRIDGE1的兩個(gè)輸入端，整流橋輸出的脈動(dòng)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(bǔ)償電容C2組成的并聯(lián)諧振電路的輸入端。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。根據(jù)安培定則，在感應(yīng)線圈周圍會(huì)產(chǎn)生高頻交變的磁場(chǎng)。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(duì)應(yīng)的的關(guān)鍵器件。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。當(dāng)平行導(dǎo)體中的電流方向相同時(shí)，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。假如在任何瞬間兩平行導(dǎo)體中的電流方向相反時(shí)，在導(dǎo)體之間由兩電流所建立的磁場(chǎng)方向相同，總磁場(chǎng)增大，而兩導(dǎo)體外側(cè)的磁場(chǎng)卻減弱。另一種情形是導(dǎo)體放在交變電磁場(chǎng)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。電流總是沿著阻抗最小的路徑流動(dòng)，所以電流會(huì)聚集到導(dǎo)體的表面。從這個(gè)規(guī)律可知，由電能轉(zhuǎn)換成熱能主要集中在負(fù)載的表面。 (1)集膚效應(yīng) 當(dāng)交流電流流過(guò)導(dǎo)體的時(shí)候，會(huì)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(kuò)散，電流沿導(dǎo)體截面上的分布是不均勻的。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。根據(jù)安培定則，當(dāng)感應(yīng)線圈中通以交變電流I時(shí)，在感應(yīng)線圈的周圍，會(huì)產(chǎn)生與交變電流同頻率的交變磁通φ，交變磁通φ又會(huì)在金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e。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。如圖所示，在長(zhǎng)直螺線管中通以交變的電流，螺線管的周圍會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。當(dāng)初級(jí)線圈中通以交變的電流時(shí)，初級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，次級(jí)負(fù)載位于交變的磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生渦流從而發(fā)熱。當(dāng)次級(jí)線圈匝數(shù)為1且短路時(shí)，次級(jí)線圈電路會(huì)顯著增加，因此會(huì)在負(fù)載ZL上產(chǎn)生明顯的熱損耗如圖22所示。這就是電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的基本原理，與變壓器的原理相似。電磁感應(yīng)加熱的過(guò)程是：根據(jù)安培定則，當(dāng)線圈中通過(guò)交變的電流時(shí)會(huì)在其周圍產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，當(dāng)金屬工件置于這個(gè)交變的磁場(chǎng)中的時(shí)候，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及其三個(gè)效應(yīng)，在金屬工件的表面會(huì)產(chǎn)生渦流電流。電磁感應(yīng)加熱方式與傳統(tǒng)的加熱方式相比有很多優(yōu)點(diǎn)，如非接觸式加熱、無(wú)明火、無(wú)污染、速度快、效率高等，因此電磁家電產(chǎn)品吸引了越來(lái)越多的消費(fèi)者。第二章 電磁感應(yīng)加熱原理及其在電飯煲中的應(yīng)用 電磁感應(yīng)加熱原理1831年，英國(guó)物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并且提出了相應(yīng)的解釋理論即電磁感應(yīng)定律，其內(nèi)容為，當(dāng)電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變的磁場(chǎng)時(shí)，電路兩端就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，如果電路閉合就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。完成電磁電飯煲控制系統(tǒng)實(shí)際煮飯效果測(cè)試，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。完成原理圖的繪制、元器件的選型、印制電路板的設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作、硬件調(diào)試等工作。根據(jù)模糊控制理論設(shè)計(jì)模糊控制器，分別完成米量測(cè)定模糊推理和溫度模糊控制。討論串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振電路，并根據(jù)并聯(lián)諧振電路設(shè)計(jì)主加熱電路并進(jìn)行電壓諧振逆變電路工作過(guò)程的分析。本課題根據(jù)電磁感應(yīng)加熱原理和模糊控制理論，進(jìn)行電磁電飯煲的控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。目前我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的電磁電飯煲產(chǎn)品種類非常單一，能夠研發(fā)電磁電飯煲控制系統(tǒng)并且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的廠商非常少，市場(chǎng)上所賣電磁電飯煲產(chǎn)品多為國(guó)外品牌且產(chǎn)品價(jià)格昂貴，與市場(chǎng)的需求相矛盾。 課題來(lái)源與研究的主要內(nèi)容 電磁電飯煲是現(xiàn)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(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)空間。電磁家電產(chǎn)品作為家電產(chǎn)品領(lǐng)域中的新興產(chǎn)品，產(chǎn)品已由導(dǎo)入期進(jìn)入上升期，尚有巨大的市場(chǎng)發(fā)展空間，并且可派生一系列相關(guān)的新產(chǎn)品。電磁家電產(chǎn)品作為家電產(chǎn)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(xué)習(xí)能力的自適應(yīng)模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制技術(shù)等多種模擬人類智能的電磁家電產(chǎn)品以及采用觸摸技術(shù)和大屏幕液晶顯示的電磁家電產(chǎn)品均已開始出現(xiàn)。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在家電應(yīng)用中的一個(gè)重要發(fā)展方向是智能化控制。時(shí)，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在應(yīng)用上從工業(yè)向家用電器方向發(fā)展，在技術(shù)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。 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展與功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展密切相關(guān)。目前我國(guó)整體廚房概念逐步推廣，電磁家電產(chǎn)品的種類將增加，除了適合廚房應(yīng)用的大功率電磁爐、電磁電飯煲之外，小功率的電磁感應(yīng)技術(shù)結(jié)合活實(shí)時(shí)的單片機(jī)控制和相關(guān)傳感器技術(shù)將被廣泛應(yīng)用于電壓力煲、洗碗機(jī)、電水壺、飲水機(jī)、咖啡機(jī)等小家電上，給我們的生活帶來(lái)更多便利。電磁感應(yīng)技術(shù)與當(dāng)前最流行的納米技術(shù)相結(jié)合，用在醫(yī)療上可以開發(fā)出治療關(guān)節(jié)、骨骼方面的特種設(shè)備，對(duì)人體可以有加熱和磁療的同步效果；用在裝飾材料上可以開發(fā)出新一代采暖系統(tǒng)，替換當(dāng)前高能耗的水暖裝置，響應(yīng)國(guó)家節(jié)能號(hào)召；用在冶煉行業(yè)可以開發(fā)出新型超高功率煉鋼煉鐵裝置，取代當(dāng)前低效率高消耗的冶煉過(guò)程。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在其他方面的應(yīng)用也如雨后春筍般出現(xiàn)。近些年來(lái)，國(guó)外通過(guò)對(duì)電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的研究不斷深入和發(fā)展，應(yīng)用電磁技術(shù)的產(chǎn)品種類繁多，新興的專利和產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，如松下公司推出“”電磁電飯煲的第二代產(chǎn)品，即所謂雙電磁感應(yīng)加熱電飯煲，它是分別在鍋底部和鍋蓋上設(shè)有各自獨(dú)立工作的電磁感應(yīng)線圈，火力大小均可調(diào)節(jié)(自動(dòng))，上部的感應(yīng)加熱線圈使上加熱器向下輻射熱量，好像電烤箱一樣。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)電磁產(chǎn)品的現(xiàn)狀是在民用領(lǐng)域的小家電行業(yè)中應(yīng)用發(fā)展迅速，在廚房炊具及其他領(lǐng)域大有可為，但電磁加熱家電產(chǎn)品無(wú)論從品種還是電磁感應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用都還是處于產(chǎn)品單一而且技術(shù)上同質(zhì)化的時(shí)期。因此，本課題采用電磁感應(yīng)加熱原理和模糊控制技術(shù)開發(fā)一款性價(jià)比較高的電磁感應(yīng)加熱電飯煲，具有較高的研究意義和很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。應(yīng)用電磁加熱技術(shù)的家電產(chǎn)品的發(fā)展具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，而且清潔環(huán)保，節(jié)約能源。當(dāng)前，雖然電磁電飯煲市場(chǎng)容量發(fā)展速度比較快，但國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上電磁電飯煲的產(chǎn)品種類還較少，市場(chǎng)占有率不高，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，特點(diǎn)是：價(jià)格高，產(chǎn)品功率不大，連續(xù)功率調(diào)節(jié)范圍窄。然而，由于采用模糊控制的電磁感應(yīng)加熱電飯煲存在檢測(cè)困難、控制復(fù)雜的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)大型家電公司能夠研制、生產(chǎn)電磁電飯煲。由于電磁感應(yīng)加熱具有以上的優(yōu)點(diǎn)，電磁加熱技術(shù)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界極大的關(guān)注，大量的學(xué)者和工程技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行了研究，使電磁加熱技術(shù)在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用日益廣泛，如電磁爐等已經(jīng)在現(xiàn)代廚房中得到普及。(5)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。(3)容易控制溫度，提高加工精度。 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的加熱技術(shù)來(lái)講，主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：(1)非接觸式加熱，熱源和受熱物件可以不直接接觸。同時(shí)，運(yùn)用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)與傳統(tǒng)的煤、油、氣以及使用電熱管的用電設(shè)備相比，在環(huán)境保護(hù)、使用壽命、安全性能等方面都具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 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(fèi)、環(huán)境污染，而且工作效率低。但是由于市場(chǎng)前景廣闊，所以研究電磁感應(yīng)加熱的科學(xué)技術(shù)人員逐漸增加。然而在19世紀(jì)末期，科學(xué)技術(shù)人員又發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的有利面，就是可以將之利用到加熱場(chǎng)合，來(lái)取代一些傳統(tǒng)的加熱方法。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)技術(shù)人員都對(duì)這一現(xiàn)象有較好地了解，并且在各種場(chǎng)合盡量抑止這種發(fā)熱現(xiàn)象，來(lái)減少損耗。電磁感應(yīng)加熱來(lái)源于法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。電磁感應(yīng)定律是1831年英國(guó)物理學(xué)家法拉第根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象提出的，即當(dāng)電路圍繞的區(qū)域內(nèi)存在交變的磁場(chǎng)時(shí)，電路兩端就會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，如果閉合就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。電磁電飯煲控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及智能控制理論、電力電子、電磁感應(yīng)加熱、傳感器測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)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?jī)r(jià)值和社會(huì)意義。在軟件設(shè)計(jì)中，先論述了程序總體構(gòu)架，然后具體分析了主程序、各個(gè)子程序以及中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)方法。軟件設(shè)計(jì)部分以模糊控制理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了米量判斷和溫度模糊控制。課題以電磁感應(yīng)加熱原理和模糊控制理論為基礎(chǔ)，研究了電磁電飯煲的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括硬件電路設(shè)計(jì)及其各部分電路的工作原理、軟件設(shè)計(jì)及模糊控制理論的應(yīng)用和電磁兼容性設(shè)計(jì)。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(xiàn)代化的廚房中不可缺少的廚具，蘊(yùn)藏著巨大的市場(chǎng)商機(jī)。20設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性或?qū)嵱脙r(jià)值。15設(shè)計(jì)