模糊控制在电饭煲中的应用.pdf

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摘要
随着人们生活水平的提高,用微电脑控制的模糊电饭煲已经逐渐走入人
们的日常生活。本课题从实际工程出发,对于模糊技术的电饭煲控制系统
设计和应用进行了深入的研究。
电饭煲是一种典型的模糊对象,其特性随着其装载物的量和种类的不同
而大大不同,而煮饭功能则是电饭煲的主要功能,同时也是衡量电饭煲控制
系统优劣的关键功能因此,本文在控制系统的软件设计方面重点研究了电
饭煲的煮饭功能。准确地判断出米全是电饭煲能够实现最佳控制效果的重要
保障。所以,本文着重讨论了在电饭煲煮饭过程中,如何利用模糊推理法进
行米量的判断。首先通过大最的前期实验和测试,在具体了解米盆的大小给
系统的状态带来的影响的基础上,选用合适的输入变最用“试错法”设计了一
种二维的模糊推理机,并详细讨论了其推理过程。鉴于具体推理过程的复杂
性,在实际计算过程中使用了MATLAB数学工具箱作为计算工具并给出了
,这种米最判断方法是有效的。
作者将此种米量判断方法应用到实际的电饭煲开发中,取得了良好的效果。
本文实际设计和实现了一种模糊电饭煲控制器,在系统硬件方面,讨论
了模糊电饭煲控制系统的硬件结构。电饭煲是一种典型的消费类家电产品,
对其成本控制就显得格外重要,因此,本文重点研究了硬件设计过程中的低
成本设计方法。在软件方面,研究了模糊电饭煲控制系统的软件控制流程并
给出其流程图,同时重点介绍了根据推理结果设计的米量判断程序的流程,
最后,本文针对模糊电饭煲设计和开发过程中参数调整的复杂性问题,
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提出了一种基于模糊电饭煲参数调整的专家系统。由于在参数调整的过程中
同样是利用了煮饭专家的经验,而这些经验是有规律可循的,可以用思路清
晰的程序语言表达。因此,用计算机程序代替开发工程师进行参数的调整在
、工作原理,
以及已经设计完成的人机界面。
关键词电饭煲:模糊推理;试错法;低成本设计;专家系统
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Abstract
Withthelivingqualityimproved,themicro-computercontrolledelectricalcookers
,thedesignandapplicationofa
electricalcookercontrolsystembasedonfuzzycontroltechnologyisstudied,which
aimsatamoreeffectivecontrolstrategy.
Thispaperismainlyaboutthedesignofakindoftypicalfuzzyobject-electrical
cooker,whosecharacteristicsnotonlyvarieswiththequantityofstuffinitbutalso
varieswithkindofstuffitis.
Astheresulttoestimatetheamountofriceinroundiscrucialforcontrolstrategy.
Thispaperdiscusseshowtojudgetheamountofriceinthecookeriftheelectrical


machinetojudgetheamountofriceandthemethod“tryanderror”

—
usewithgoodresultsachieved.


hardwareisdescribedindetailandforeachparts,asortofpopularcircuitmoduleis
,theemphasisoftheintroductionishow
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’smore,procedureofgettingthequantityofricebyreasoningis
contrivedandthemainflowchartisshown.
Withallofthesedone,thedesignofakingoffuzzycookerisstillsocomplicatedand
hard,soanESisbroughtforwardinthelastchaptertousecomputersinsteadof
engineerstodothe“tryanderror”
skilledelectricalcookerengineers,whichiscomplicatedbutwell-regulatedandcould

“tryand
error”isintroducedtooandtheflowchartisgiven.
Keywords:electricalcooker;fuzzycontrol;tryanderror;low-costdesign;expert
system
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、电饭煲的结构原理......................................................................................................24
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⑴吸水阶段控制模块................................................................................................48
⑵升温过程的控制模块............................................................................................49
⑶保沸过程控制........................................................................................................51
⑷补炊过程控制........................................................................................................52
...............................................................................................................................53
结论..................................................................................................................................................55
致谢................................................................................................................................................56
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第1章绪论
随着科学技术的发展,家用电器发生了奇迹的变化。如今打上模糊控制标鉴
的家用电器越来越多模糊控制技术是21世纪的核心技术,是模仿人类大脑思维的
技术,是简单有效的控制技术。家用电器应用模糊控制技术后,在更加人性化的
同时,其性能更加的完善,使用更加的方便,节能水平更高。为了克服普通电饭
锅存在的缺点,人们在设想,电饭锅的控制能否具有人类的一定思维。这种电饭
锅可以进行米量的自动识别和烹调过程的自动调节,并以“煮饭专家”的思想控
制全过程,从而使煮出来的饭从糖化程度,粘度,口感等方面进行度量,都比普
通电饭锅的效果要好。它根据人工经验,采用模糊控制进行煮饭,成为名符其实
的“煮饭专家”。因而,采用模糊控制的电饭锅应运而生,它是一种新型的多功能
家用烹饪器具,集微机技术、自动控制技术、食品工程技术和工业造型设计等于
一体。
近年来,模糊控制技术在家用电器产品和嵌入式控制系统中的应用得到了快
速的增长,这是因为模糊可以用像人一样的推理过程而不使用严格的系统数学模
型,在许多情况下,它不但缩短了产品的开发周期,而且使产品更具鲁棒性和具
有更多的特色;另外一个能获得快速发展的原因是,除了很少有特定要求的应用
需要专用的模糊集成电路芯片外,大部分的模糊控制技术应用都可以很容易地用
廉价的标准单片机来实现,因为在大多数情况下,模糊控制的编码只需要使用不
到1KB的片内ROM和相当少的RAM。目前绝大多数的模糊控制应用中,甚至不需要
用到16位的单片机,8位的单片机已绰绰有余。单片机上的接口和外围器件对许
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多嵌入式系统已经够用,并且所用的模糊编码通常都不会给处理和储存空间带来
问题。
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一般把20世纪40年代建立起来的主要处理单输入单输出线性定常反馈控制
系统的理论成为经典控制理论。应用经典控制理论分析和综合系统的一个重要前
提是:必须有一个用高阶微分方程式来描述系统运动状态的数学模型,它是建立
在频率法的基础上的。由于经典控制理论应用方面的局限性和近代工业、现代科
学技术的迅速发展,为了解决复杂系统的自动控制问题,满足越来越严格的要求,
到了50年代末60年代初,在实践的基础上,尤其是空间技术实践的基础上,形
成了现代控制理论。现代控制理论主要用来解决多输入多输出和时变系统的问题,
在现代控制理论中,系统的数学模型主要是用一个微分方程组(即状态方程)或
者差分方程组来描述,这是一种时域表示方法。这种描述方法的优点是便于计算
机运算,同时给人以时间上直观清晰的概念。
可见,无论是经典控制理论还是现代控制理论,都是建立在精确数学模型基
础之上的。实践证明,对于存在精确数学模型的自动控制系统,经典控制理论或
现代控制理论发挥了巨大的作用,并取得了令人满意的控制效果。但在实际系统
中往往存在这样的情况:
⑴有许多系统,特别是工业生产过程是极其复杂的,尽管有所谓“系统辨识”
理论可以通过各种测试的手段及数据处理方法获得数学模型,但也很难得到确切
描述这些过程的传递函数或状态方程,除了用统计相关法等,用其他方法得到的
数学模型是比较复杂的,甚至用计算机也难以实现。
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⑵由于对系统的了解不可能完全清楚和完全正确,所以建立数学模型不可能
与实际系统完全吻合,也就得不到精确的数学模型,而只能是一种近似。
⑶往往为了数学上处理方便起见而简化数学模型、降低其阶次,以牺牲准确
性来换取处理上的方便。然而,一个过于简单的模型虽然处理起来是方便的,但
是利用这样的数学模型设计、综合系统,其结果有时是不能令人满意的,甚至还
会产生错误的结论。一个典型的例子是,为了简化工业过程控制系统的分析和设
计,常常把系统的数学模型简化为二阶系统。显然,当用二阶系统数学模型来描
述系统时,得出的结论是超调量M和调整时间T互为矛盾,即系统的小超调和响
PS
应的快速性不能兼而得之。
这说明,经典控制理论和现代控制理论,由于需要精确的数学模型而存在着
局限性。再就是,诸如在系统工程、经济学、医学、生物学等领域中,经常会遇
到无法建立精确数学模型的问题,要对这些不具有数学模型的被控对象进行控制,
经典控制理论或现代控制理论往往显得无能为力。另外,由于计算机的飞速发展,
包括将人类思维这样复杂操作由计算机代替的领域日益增加,这是经典控制理论
和现代控制理论无法胜任的,必须寻求新的控制理论。

由于传统控制理论面临着新的控制要求的挑战,促使人们考虑在处理不确定
对象时,建立一个模拟不确定对象的模糊模型来解决实际控制问题。例如:我们
往往需要使系统响应快速而超调量又小,显然,传统的设计方法是无法满足的,
然而一个有经验的操作人员有时却能很方便地实现这一要求。要控制一个加热炉
的温度,操作人员可以直接通过执行器的手动操作对对象进行控制,使其快速达
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到设定值、超调量小并稳定在设定值上。操作人员在操作时并不需知道系统的数
学模型是什么,甚至对被控对象的特性也不甚了解,而是用下面一组控制策略进
行控制的。
⑴当实际控制量与设定值的偏差为负且负偏差极大时,全功率加热使输出控
制很大;
⑵当负偏差很大或中等,且偏差变化很大时,控制量保持不变;
⑶当偏差较小,但偏差的变化很大时,控制量多减一些;
⑷当偏差较小,但偏差的变化中等时,控制量适当减些;
⑸当偏差较小,但偏差变化很小时,控制量减一点;
⑹当负偏差几乎为零,偏差变化也几乎为零时,控制量保持不变;等等。
当然,由于对系统缺乏了解,一开始控制效果并不好,但经过若干次探索后终
,尽管操作人员事先并未去推导建立系统
的数学模型,更没有去关心系统究竟是一阶的、二阶的或者是高阶的,甚至未进行
任何数学处理,仅凭自己几次探索所积累的经验,就实现了比一台常规仪表,甚
至比一台采用PID算法的微机化仪表更为理想的调节效果。这说明,传统控制理
论必须向前发展,而人工智能、模糊控制就是在这种背景下产生和发展起来的。
也就是说,控制问题在经历了人工控制、经典控制理论和现代控制理论阶段之后,
由于它们面临着一系列无法解决的问题,又要重新研究人工控制行为的特点,从
人工控制中得到新的启发。
上面所提到的控制策略是一组用自然语言表达的、定性的、不精确的判断规
则,这一组规则就称为模糊算法或模糊模型。它是由一系列模糊语句组成的。这
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样一套控制策略是行之有效的,却是无法用精确的数学语言来描述的,更无法直
接用计算机来实现自动控制。如果换一个操作人员,控制效果有可能更差,这就
要求提供能够处理人类自然语言将其转化为计算机所能接受的算法语言的数学工
具,幸好模糊数学能够做到这一点。所以,模糊数学的产生具有划时代的意义,
模糊控制也正是得益于它。

1965年查德发表《模糊集合论》之后,1966年马尼诺斯发表了模糊逻辑的内
部研究报告。接着,查德又提出模糊语言变量这一重要概念。1974年,查德又进
行了模糊逻辑推理的研究,同时,英国QueenMary大学的马丹尼第一次将模糊逻
辑和模糊推理用于锅炉和蒸汽机的控制,实用效果良好。它的成功宣告模糊控制
的诞生。

自从1965年查德提出模糊集合理论以来,模糊控制无论在理论上还是应用上
都有了很大的发展。其发展大致经历了三个阶段。

由于许多生产过程的精确数学模型难以获得,因而无法采用经典控制理论和
现代控制理论的方法进行生产过程控制。另外,在心理学、生物学、医学、管理
科学等领域,传统的定量分析方法有时会遇到很大困难;再有,通常使用的调节
器、控制器效果不理想,而有经验的操作人员可以不从精确数学表达式去了解受
控对象,却凭借积累起来的实践经验,实现了有效控制。第一阶段的模糊控制器
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正是基于这一事实,致力于这类过程的研究,从而给出控制的定量描述,设计出
模糊控制器,模拟操作人员的操作经验。
这类模糊控制器的特点是:
(1)控制器的核心是根据某一特定过程制定的模糊控制表;
(2)一个模糊控制器一般只适用于某一类特定过程,而不是像常规仪表那样
具有可调参数可以通用。

基本模糊控制的关键是要确定一套行之有效的控制策略,但是在一些复杂的
过程中,有时很难精确完整地总结出控制策略。原始的控制策略是粗糙的不完善
的,这势必影响控制效果;另一方面,即使控制策略是完善的,但有些过程是时
变的,负载也可能发生变化,总是按一套固定不变的策略进行控制,其效果可能
不甚理想。因此,人们在基本模糊控制器的基础上,发展出具有自调整、自适应
能力控制器,这就是自组织模糊控制器。这是进入80年代后模糊控制的主功方向。
自组织模糊控制的方法很多,但目标只有一个,就是提高控制器的适应性,改善
控制效果。
自组织模糊控制的基本特征是:
(1)控制算法不是固定不变的,它可以通过在线修改控制规则或改变某几个
参数而产生变化;
(2)控制器的适应性往往不局限于某一对象,而是通过自组织可以适应几类
对象;
(3)可以生产具有通用性、仪表化的模糊控制器。
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模糊控制的广泛应用表明了模糊控制的优越性和广泛生命力,也为模糊控制的研究提供了更多
领域。工业自动化领域中,过程自动化进展较缓慢,其原因在于连续生产过程中,
运动形式取较高级的形态,由于内部作用的非均匀、迭加、交互和耦合作用较强
烈,同时由于大生产随机干扰大,过程机理错综复杂等原因,致使过程控制在线
应用的数学模型难以准确完整地获得,因而难以实现自动控制。基本模糊控制器
无法适应时变的大过程,自组织模糊控制器虽能部分地解决时问题,但其适应性
往往是有限的,允许调整的范围往往不是很大。因此,为了使复杂生产过程能进
行控制,就必须不断发展模糊控制理论,寻求新的控制方法,真正实现智能控制,
使系统具有非常高度的智能,不仅能自动进行控制,还具有直感、联想、想象、
意识等各种功能,能够很方便地实现人机友好对话,按照人们的意志去进行操作。
60年代查德提出的模糊集合论实际是一项“工程”。但是,真正致力于利用
模糊逻辑的人机友好系统的研究,是90年代日本成立了一个名叫“国际模糊工程
研究所”,进行了一系列长期研究项目之后,他们称之为“模糊控制工程”。随
着新技术发展日新月异,机电设备性能更加完善与提高,但往往不能很