【正文】 入人心，人們對家電智能化的要求也越來越高?；谀：刂频碾婏堨夷軌蚺袛喑雒琢康拇笮?，并對不同的米量選擇不同的加熱方案，因此不但控制效果好，而且高效、節(jié)能。本文從實(shí)際工程出發(fā)，對模糊控制的微電腦電飯煲進(jìn)行了深入的研究，主要討論了一種準(zhǔn)確判斷米量的方法，真正實(shí)現(xiàn)了電飯煲的模糊控制。，將模糊集合理論運(yùn)用于自動控制而形成的模糊控制理論，在近年來得到了迅速的發(fā)展。已經(jīng)引起了越來越多的控制理論的研究人員和相關(guān)領(lǐng)域的廣大工程技術(shù)人員的極大興趣。其實(shí)現(xiàn)方式也由最初在微型機(jī)(單片機(jī))上用軟件方法實(shí)現(xiàn)發(fā)展到應(yīng)用模糊控制開發(fā)出模糊計(jì)算機(jī)進(jìn)行直接控制。目前，最令模糊控制專家們感興趣的是模糊邏輯同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的結(jié)合。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，和可以用簡單的maxmin運(yùn)算實(shí)現(xiàn)知識的推理，但在知識的獲取方面十分脆弱。在我國，模糊控制技術(shù)的研究起步較晚，近年來，隨著模糊家用電器的興起，模糊控制在各個領(lǐng)域的應(yīng)用獲得了飛速的發(fā)展，同時培養(yǎng)了一大批進(jìn)行模糊控制研究的優(yōu)秀人才。這主要是因?yàn)檠芯空叱３０涯：刂破鞯脑O(shè)計(jì)分成幾個獨(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。但是這樣做帶來的問題是很難對設(shè)計(jì)好的系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。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。資料統(tǒng)計(jì)表明，目前日本家用電器的單片機(jī)使用率在85%94%之間，其中使用模糊控制的家電產(chǎn)品約占50%。日本在九十年代初期就有模糊家電問世，而那時我國的模糊家電尚未起步。由于我國家電行業(yè)的飛速發(fā)展，模糊家電在我國大有可為。(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。家用電器走網(wǎng)絡(luò)化的道路，這也是當(dāng)今家電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢之一。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。(3)根據(jù)新的米量判斷方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟件控制程序；(4)提出一種基于模糊電飯鍋參數(shù)整定的專家系統(tǒng)，以提高電飯鍋設(shè)計(jì)開發(fā)的效率。當(dāng)然，在電飯鍋煮飯的過程中，米量的大小對其吸熱散熱特性的影響是最大的。換句話說，電飯鍋必須對不同的米量采取相應(yīng)的不同的控制方案和工藝過程，才能達(dá)到期望中的效果。在上述八個階段中電飯鍋底部溫度曲線的變化過程如圖21所示。以下對各階段進(jìn)行簡要介紹。開始煮飯時水和鍋的狀態(tài)并不一定是一致的，有可能是熱鍋冷水，或是熱水冷鍋。在穩(wěn)定階段結(jié)束的時候讀出底部溫度、頂部溫度的值，值的高低，將對以后的過程產(chǎn)生不同的影響。這一階段的水溫應(yīng)該低于55℃，否則會使大米中的淀粉a化，影響吸水的效果。在這個階段中，大米繼續(xù)吸收水分，并且在較高的溫度下開始了淀粉的a化。這個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。(5)間歇加熱和炯飯階段 炯飯階段的目的就是使熱量透到米飯的芯部，使之充分受熱而內(nèi)外質(zhì)量趨于一致。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。間歇加熱的目的就是使鍋內(nèi)的溫度達(dá)到炯飯的溫度，當(dāng)達(dá)到一定的溫度時，停止加熱或小功率加熱，由飯鍋利用余熱對米飯進(jìn)行熱炯，炯飯結(jié)束后，米飯將完全成熟，無論硬度或薪度都令人滿意。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。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。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，且這種動作是以精確量表現(xiàn)出來的。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。 (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。小前提是一個模糊判斷句，又稱事實(shí)。 (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。常用的方法有最大隸屬度法、加權(quán)平均法和重心法。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)。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。頂部傳感器底部傳感器A/D導(dǎo)出當(dāng)鍋底溫度一致時，達(dá)到頂部溫度所用時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。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。，不同米量下的底部溫度從60℃上升到100℃的時間差別并不是很大；從底部溫度60℃加熱到頂部溫度60℃在不同米量下的時間差別卻很顯著，當(dāng)米量少（3杯）時，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)生對流，底部溫度到達(dá)100℃時頂部溫度為40℃；反之，當(dāng)米量很大（10杯）時，熱量很難從底部滲透到液面的頂部，底部溫度到達(dá)100℃時頂部溫度僅為30℃，當(dāng)頂部溫度在40℃到80℃之間的線性度比較好，而這個階段對應(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。 模糊控制器的設(shè)計(jì)方法可以分為兩類:試錯法(trialanderror approach)和理論法(theoretical approach)。然后，基于這些模糊IFTHEN規(guī)則建立模糊控制器。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)(如，穩(wěn)定性)為設(shè)計(jì)原則的，顯然，一種適合本文所述的模糊推理機(jī)的設(shè)計(jì)方法為試錯法。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)。本質(zhì)上說，這一步驟界定了模糊控制器的應(yīng)用范圍。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。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。 從理論上來說，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細(xì)。這也是人們普遍采用二維模糊控制器的原因。米量越大，t100越大而Tbot100越小。圖24為經(jīng)過處理后的測試數(shù)據(jù)。10cup,5cup,2cup表示米量的大小，分別表示十杯、五杯、二杯。反倒是底部溫度到達(dá)95℃時的頂部溫度在不同米量下差別更為顯著。反之，當(dāng)米量很大時，熱量很難從底部滲透到液面的頂部，底部溫度到達(dá)95℃時，但由于當(dāng)?shù)撞考訜峤z功率很高時，不同的米量帶來的溫度從50℃上升到100℃的時間的差別會比較小，從而導(dǎo)致判斷不準(zhǔn)確。因此，本文綜合了集中加熱時間t100和頂溫Tbot100為判斷依據(jù)，進(jìn)行米量的推理。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為集中加熱時間t100。下面將講述其具體推理過程。其語言變量的隸屬度曲線圖如圖26。因此，所選用的隸屬度函數(shù)曲線實(shí)際上是MATLAB提供的曲線。 集中加熱時間的語言描述分為五檔，分別為很長、長、中等、短、很短，其對應(yīng)的模糊子集為 {PB，PS，O, NS, NB} 同樣量化為七個等級，則有t100= {3,2,1,0,1,2,3}表21 Tbot100賦值表對應(yīng)的隸屬度曲線選用三角形和Z形，如圖27所示。 表22 t100隸屬度表Table 22 Membership of t100 米量R分為五檔，語言描述為很大、較大、中等、較小、很小，對應(yīng)的模糊子集為{PB，PS, O, NS, NS}。 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，且加熱時間很短，則米量很小。如果頂溫很高，且加熱時間中等，則米量很小。 如果頂溫很高，且加熱時間很長，則米量很小。 如果頂溫較高，且加熱時間較短，則米量很小。如果頂溫很低，且加熱時間很短，則米量很大。 如果頂溫很低，且加熱時間中等，則米量很大。如果頂溫很低，且加熱時間很長，則米量很大。表23 語言變量的判斷規(guī)則表由此可得表24所示的模糊判斷規(guī)則:表24 模糊判斷規(guī)則表建立模糊推理器的推理規(guī)則由上述規(guī)則表可見，手動控制規(guī)則的條件語句為IF A且B則C(即IF A AND B THEN C)的形式，由似然推理的MAMDANI推理方法，其對應(yīng)的模糊關(guān)系為: 對于推理規(guī)則(1)如果頂溫很高，且加熱時間很短，則米量很小，即: R1=TPB X tNB X RNB同理R2=TPB X tNS X RNBR3=TPB X tO X RNSR4=TPB X tPS X RNsR5=TPB X tPB X RNsR6=TPS X tNB X RNB……R26=TNB X tNB X RPSR27=TNB X tNS X RPBR28=TNB X to X RPBR29=TNB X tPS X RPBR30=TNB X tPB X RPB總的控制規(guī)則為 R=R1+R1十R3十……+R29十R30 (26)R應(yīng)該是一個(7X7) X6的矩陣。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。通過改變Tp，