模糊控制电磁电饭煲控制系统的设计.doc

天津工业大学毕业设计（论文）题目：模糊控制电磁电饭煲控制系统的设计姓 名 学 院 机械工程学院 专 业 测控技术与仪器 指导教师 职 称 讲 师 2011年6月8日本科毕业设计（论文）中期检查表题目模糊控制电磁电饭煲控制系统的设计学生姓名学生班级测控072指导教师填写任务书下达时间3月1号学生调研及查阅文献情况良好毕业设计（论文）原计划有无调整无学生是否按计划执行工作进度是学生是否能独立完成工作任务是学生的出勤情况及出勤考核办法出勤良好学生每周接受指导的次数及时间两次，每次一小时毕业设计（论文）指导记录是否齐全是学生的工作态度在相应选项划“”认真一般较差尚存在的问题及采取的措施：指导教师签字： 2011 年 4 月 27 日系（教研室）意见： 负责人签字：天津工业大学毕业设计（论文）进度检查记录题目模糊控制电磁电饭煲控制系统的设计学生姓名学院名称机械工程学院专业班级测控072指导教师姓名指导教师职称讲师日 期指 导 记 录3.9电磁电饭煲电磁感应加热电路3.16米量测定模糊推理3.23温度控制模糊推理3.30显示电路和键盘扫描电路的设计4.6开关电源和同步电路的设计4.13侧面和顶盖加热电路的设计4.20浪涌保护电路的设计4.27锅底、顶盖和 IGBT 温度检测电路的设计5.4风扇驱动控制电路的设计5.11IGBT 控制电路的设计5.18液晶显示子程序流程图5.25按键扫描程序流程图6.1毕业论文定稿及装订指导6.7毕业设计答辩指导天津工业大学毕业设计（论文）任务书 题目模糊控制电磁电饭煲控制系统的设计学生姓名学院名称机械工程学院专业班级测控072课题类型毕业设计课题意义目的是利用电磁感应加热原理,通过交变的电磁场直接作用于被加热的锅底产生涡流,导体的热效应使锅底迅速发热,由于不需要热传递其热效率高达90%以上,并且发热速度快。电磁感应加热与传统的加热技术相比，起环境保护、使用寿命、安全性能等方面有独特的优势。而且既节约了电能，有节省了时间。任务与进度要求第1-2周 调研、收集资料，熟悉课题内容，完成开题报告。第3-8周 了解电磁感应加热原理及其在电磁电饭煲中的应用。第9-10周 了解模糊控制理论及其在电磁电饭煲中的应用。第11-13周 完成电磁电饭煲控制系统的硬件电路的设计。第14-15周 完成电磁电饭煲控制系统的软件设计。主要参考文献1 余永权.模糊控制技术与模糊家用电器：北京航空航天大学出版社，20012 雷银照、吴静.工程电磁场基础：科学出版社，2002 3 肖新棉.感应加热线圈中的电磁场：武汉水利电力大学学报，19964 王春生.电路分析及磁路：重庆大学出版社，19975 李树雄.电路基础与模拟电子技术：北京航空航天大学出版社，20006 张超.智能型宽电压电磁炉的研制：浙江大学硕士学位论文，20057 李士勇.模糊控制.神经控制和智能控制论：哈尔滨工业大学出版社，20048 何建雄、廖炯峰.单片机模糊控制在电饭煲中的应用：现在电子技术，20039 钱照明.电磁兼容设计基础及干扰抑制技术：浙江大学出版社，2000 10 李晶皎、刘天华、丁言镁.液晶显示器的C语言程序设计-Freescale8位微控制器：科学出版社，2005起止日期20113-2011.6备注院长 教研室主任 指导教师 毕业设计（论文）开题报告表 2011 年 3月 17日姓名学院机械工程学院专业测控技术与仪器班级072题目模糊控制电磁电饭煲控制系统的设计指导教师一、 课题研究的主要内容、目的和意义：目的是利用电磁感应加热原理,通过交变的电磁场直接作用于被加热的锅底产生涡流,导体的热效应使锅底迅速发热,由于不需要热传递其热效率高达90%以上,并且发热速度快。电磁感应加热与传统的加热技术相比，起环境保护、使用寿命、安全性能等方面有独特的优势。而且既节约了电能，有节省了时间。主要研究内容有以下几个方面：(1) 理论上分析电磁感应加热原理，推导出影响电磁感应加热功率的因素。(2) 理论上分析模糊控制理论及其在电磁电饭煲控制系统中的应用。(3) 进行电磁电饭煲控制系统的硬件设计(4) 进行电磁电饭煲控制系统的软件设计，完成电磁电饭煲控制系统功能的程序开发。(5) 分析电磁电饭煲控制系统的电磁兼容问题，提出解决电磁干扰的具体措施并进行验证。二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果第1-2周调研、收集资料，熟悉课题内容，完成开题报告。整体了解设计要求并完成开题报告第3-5周了解电磁感应加热原理及其在电磁电饭煲中的应用。了解电磁感应加热原理第6-8周了解模糊控制理论及其在电磁电饭煲中的应用。了解模糊控制理论第9-10周完成电磁电饭煲控制系统的硬件电路的设计。完成控制系统的硬件设计第11-13周完成电磁电饭煲控制系统的软件设计。完成控制系统的设计第14-15周编写毕业设计说明书，总结并整理整个设计过程。修改设计第16周毕业答辩。完成答辩完成课题的现有条件图书馆以及网上相关方面的资料，指导教师的指导。审查意见指导教师： 年 月 日学院意见主管领导： 年 月 日天津工业大学毕业设计（论文）答辩记录表 机械工程 学院 测控技术与仪器 专业 07 年级 学生 课题名称模糊控制电磁电饭煲控制系统的设计答辩委员会主席（或组长）职 称副教授答辩委员会秘书答辩委员会成 员答辩记录（包含答辩委员提出的问题，学生回答情况等）答辩委员会秘书（签字）：年 月 日天津工业大学本科毕业设计（论文）评阅表（设计类）毕业设计题目模糊控制电磁电饭煲控制系统的设计学生姓名学生班级测控072指导教师姓名评审项目指标满分评分选题能体现本专业培养目标，题目大小、难度适中；学生工作量饱满，能得到较全面训练。10题目与生产、科研等实际问题结合紧密。10课题调研文献检索能独立查阅文献以及从事其它形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息从中获取新知识的能力。15外文应用能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。5设计说明书（论文）设计图纸（插图）简洁、规范、无差错，设计栏目齐全合理，能正确使用国家标准单位。15设计说明书（论文）结构严谨，表达清楚，文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，书写格式符合规范。15能根据毕业设计目标进行实验设计，对数据的运算及处理正确无差错，对实验结果的分析准确。20设计具有创新性或实用价值。10合计100意见及建议评阅人签名：年 月 日天津工业大学毕业设计（论文）成绩考核表学生姓名学院名称机械工程学院专业班级题目模糊控制电磁电饭煲控制系统的设计1毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：成绩： 指导教师签字： 年 月 日2毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：成绩：答辩主席（或组长）签字： 年 月 日3毕业设计（论文）总成绩：a.指导教师给定成绩b.评阅教师给定成绩c.毕业答辩成绩总成绩(a0.5+b0.2+c0.3)摘 要本课题所研究的是模糊控制电磁加热电饭煲的智能控制系统的设计与实现。主要着眼于电磁电饭煲具有智能、安全、高效、节能等优越性能，并且日益成为现代化的厨房中不可缺少的厨具，蕴藏着巨大的市场商机。本课题从理论分析的角度出发，对电磁感应加热原理和模糊控制理论进行了探讨。课题以电磁感应加热原理和模糊控制理论为基础，研究了电磁电饭煲的控制系统的设计，主要包括硬件电路设计及其各部分电路的工作原理、软件设计及模糊控制理论的应用和电磁兼容性设计。硬件电路的设计主要包括单片机系统、开关电源、主谐振电路、IGBT控制电路、传感器检测电路、按键检测电路、液晶和LED显示电路以及各种报警保护电路等，并且具体分析了各部分电路的功能和工作原理。软件设计部分以模糊控制理论为基础设计了模糊控制器，实现了米量判断和温度模糊控制。根据煮饭专家提出的最佳煮饭的工艺过程曲线，首先通过模糊控制器来判断米量，然后根据米量来设定相应的煮饭加热工艺过程。在软件设计中，先论述了程序总体构架，然后具体分析了主程序、各个子程序以及中断服务程序的设计方法。电磁兼容性设计中，首先分析了电磁干扰的来源，并且提出了客服电磁干扰的具体方法，改善了电磁电饭煲的电磁兼容性。电磁电饭煲控制系统的设计涉及智能控制理论、电力电子、电磁感应加热、传感器测量等多个领域，与传统的电饭煲采用电热盘加热的方法相比有很多的优越性能，具有较高的研究价值和社会意义。关键词:电磁感应加热；模糊控制；开关电源；电磁电饭煲；电磁兼容Abstract This thesis focuses on the design and realization of the induction heating rice cooker control system using fuzzy control algorithm. It has increasingly become one of indispensable kitchen wares in a modern kitchen and the market opportunities are huge. From the perspective of theoretical analysis, this thesis does an in-depth discussion on the principle of electromagnetic induction heating and fuzzy control theory. Based on the principle of electromagnetic induction heating and fuzzy control theory, this thesis studies the control system design of the induction rice cooker, mainly including hardware circuit design and function principles of every part, software design and application of fuzzy control theory, and the design of electromagnetic compatibility. Hardware circuit design mainly includes MCU system, switching power supply, main resonant circuit, IGBT control circuit, sensor detection circuit, key detection circuit, LCD and LED display circuit, and all kinds of protection and alarm circuits. Functions and working principles of every part are described in detail. In the part of software design, fuzzy controller is designed based on fuzzy control theory to realize rice-quantity deduction, temperature control, and power control. According to the rice cooking process curve advised by expert, rice-quantity is first deduced by fuzzy controller, then the corresponding rice heating process is set according to the rice quantity. In electromagnetic compatibility design, the sources of electromagnetic interference are analyzed. Measures are proposed to overcome electromagnetic interference and the electromagnetic compatibility characteristics of the induction cooker are improved. Design on the control system of the induction rice cooker covers many fields such as intelligent control theory, power electronics, electromagnetic induction heating and sensors etc. Compared with traditional rice cooker that adopts resistance heating, induction rice cooker has many superior advantages and thus has high research values and social significance. After a long period running test, the control system functions well and runs stably and reliably.Keywords: electromagnetic induction heating, fuzzy control, switching power supply, induction rice cooker, electromagnetic compatibility 目 录第一章 绪论11.1课题背景及研究的意义11.1.1 课题背景11.1.2 课题研究的目的及意义11.2 国内外电磁感应加热技术应用现状及发展趋势21.2.1 国内外电磁感应加热技术的应用现状21.2.2 电磁感应加热技术的发展趋势31.3 课题来源与研究的主要内容4第二章 电磁感应加热原理及其在电饭煲中的应用52.1 电磁感应加热原理52.1.1 电磁感应加热原理52.1.2电磁感应的三个效应62.2 电磁电饭煲电磁感应加热电路的组成72.3 电磁电饭煲主加热电路及电压逆变电路工作过程分析8第三章 模糊控制理论及其在电磁电饭煲中的应用113.1模糊控制理论113.1.1模糊控制系统的基本组成113.1.2模糊控制器的结构123.2模糊控制理论在电磁电饭煲中的应用123.2.1煮饭的加热温度工艺曲线133.2.2米量测定模糊推理143.2.3温度控制模糊推理17第四章 电磁电饭煲控制系统的硬件电路的设计194.1 电磁电饭煲控制系统硬件电路整体性设计194.2 MCU 系统设计204.2.1 单片机 MC9S08AW32 简介204.2.2 单片机 I/O 口资源分配204.2.3 单片机电源、复位、晶振电路214.3 显示电路和键盘扫描电路的设计214.4 开关电源的设计234.5 同步电路的设计244.6 侧面和顶盖加热电路的设计254.7 浪涌保护电路的设计264.8 锅底、顶盖和 IGBT 温度检测电路的设计264.9 风扇驱动控制电路的设计274.10 IGBT 控制电路的设计28第五章 电磁电饭煲控制系统的软件设计295.1 程序总体架构设计295.2 液晶显示子程序流程图305.3 按键扫描程序流程图315.4 软件抗干扰设计32参考文献34附录136附录251致谢63天津工业大学2011届本科毕业论文（设计）第一章 绪论1.1课题背景及研究的意义1.1.1 课题背景电磁感应现象是电磁学中最重大的发现之一，它显示了电、磁现象之间的相互联系和转化，对其本质的深入研究所揭示的电、磁场之间的联系，对麦克斯韦电磁场理论的建立具有重大意义。电磁感应定律是1831年英国物理学家法拉第根据电磁感应现象提出的，即当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果闭合就会产生感应电流。电磁感应定律为人们进行电、磁能量转化的应用奠定了理论基础。电磁感应加热来源于法拉第发现的电磁感应现象。根据焦耳定律，当导体中存在感应电流时，导体会发热。长期以来，科学技术人员都对这一现象有较好地了解，并且在各种场合尽量抑止这种发热现象，来减少损耗。比较常见的如开关电源中的变压器设计，通常设计人员会用各种方法来减小涡流损耗，来提高效率。然而在19世纪末期，科学技术人员又发现这一现象的有利面，就是可以将之利用到加热场合，来取代一些传统的加热方法。国内的电力电子技术起步比较晚，所以电磁感应加热技术也落后于国外很多。但是由于市场前景广阔，所以研究电磁感应加热的科学技术人员逐渐增加。国内在此领域处于领先地位的为浙江大学，但是离国外先进技术还有相当距离。1.1.2 课题研究的目的及意义 传统的加热方式，多以煤、油、气为能源或箱式电炉加热，不仅造成有限资源的浪费、环境污染，而且工作效率低。据研究资料显示，煤的热效率约为1220%，液体燃料的热效率约为2040%，气体燃料的热效率约为5060%,而电磁加热产品由于其电磁感应加热原理，通过交变的电磁场直接作用于被加热的锅底产生涡流，导体的热效应使锅底迅速发热，由于不需要热传递其热效率高达90%以上，并且发热速度快。同时，运用电磁感应加热技术与传统的煤、油、气以及使用电热管的用电设备相比，在环境保护、使用寿命、安全性能等方面都具有独特优势。电磁感应加热方式既节约了电能，又节省了时间。 电磁感应加热技术相对于传统的加热技术来讲，主要有以下的优点：(1)非接触式加热，热源和受热物件可以不直接接触。(2)加热效率高，速度快，可以减少表面氧化现象。(3)容易控制温度，提高加工精度。(4)可实现局部加热。(5)可实现自动化控制。(6)可减少占地、热辐射、噪音和灰尘。由于电磁感应加热具有以上的优点，电磁加热技术得到国内外学术界、产业界极大的关注，大量的学者和工程技术人员对此进行了研究，使电磁加热技术在家电产品中的应用日益广泛，如电磁炉等已经在现代厨房中得到普及。而电磁电饭煲是一种新型的厨房电器，由于采用了电磁感应加热方式，煮饭速度快，米饭口感好，正在逐步得到人们的青睐。然而，由于采用模糊控制的电磁感应加热电饭煲存在检测困难、控制复杂的特点，国内只有少数大型家电公司能够研制、生产电磁电饭煲。市场上可供选择的电磁电饭煲品种较少，价格昂贵，市场份额还相对来说还比较小。当前，虽然电磁电饭煲市场容量发展速度比较快，但国内市场上电磁电饭煲的产品种类还较少，市场占有率不高，电磁感应加热技术的应用还处于初级阶段，特点是：价格高，产品功率不大，连续功率调节范围窄。国内市场上只有少数知名厂商能够生产电磁电饭煲，但其控制系统基本上是以进口为主，而且价格高昂，不进行电磁加热技术的研究和产品的开发，就必然在日益激烈的家电厨具市场竞争中被淘汰。应用电磁加热技术的家电产品的发展具有巨大的社会经济效益，而且清洁环保，节约能源。伴随着国家应对能源紧缺和环境保护问题的呼声越来越高，同时电磁技术、电力电子技术、微电子技术的进一步发展为电磁加热技术的应用提供了硬件基础，应用电磁技术的家电产品必将走向更加广阔的市场。因此，本课题采用电磁感应加热原理和模糊控制技术开发一款性价比较高的电磁感应加热电饭煲，具有较高的研究意义和很高的实际应用价值。1.2 国内外电磁感应加热技术应用现状及发展趋势1.2.1 国内外电磁感应加热技术的应用现状当前电磁感应加热技术在家电领域的广泛应用充分体现在电磁炉产品的快速发展过程中，2003年电磁炉的市场拥有量为600万台，2004年已经发展到1200万台以上，到2007年已超过3000万台的市场规模，据多家企业和机构预测，未来三年左右市场总的保有量将超过一亿台，市场将逐步趋向饱和，年销售量将稳定在3500万台左右。目前国内市场电磁产品的现状是在民用领域的小家电行业中应用发展迅速，在厨房炊具及其他领域大有可为，但电磁加热家电产品无论从品种还是电磁感应技术的应用都还是处于产品单一而且技术上同质化的时期。从技术的角度分析，现在市场上的电磁炉产品，虽然发展速度很快，但还处于电磁感应加热技术应用的初级阶段，特点是：电路形式简单，产品功率不大，连续功率调节范围窄(特别是低功率时)以及外形和内部结构(特别是风道设计)大同小异等。近些年来，国外通过对电磁感应加热技术的研究不断深入和发展，应用电磁技术的产品种类繁多，新兴的专利和产品不断出现，如松下公司推出“W.IH”电磁电饭煲的第二代产品，即所谓双电磁感应加热电饭煲，它是分别在锅底部和锅盖上设有各自独立工作的电磁感应线圈，火力大小均可调节(自动)，上部的感应加热线圈使上加热器向下辐射热量，好像电烤箱一样。由于煮出来的饭松软可口，所以又称之为煮饭效果均匀的电饭煲。电磁感应加热技术在其他方面的应用也如雨后春笋般出现。电磁热水器的热效率在95%以上，体积小、重量轻，工作时无任何噪音，自动化控制程度非常高并能实现远距离遥控。电磁感应技术与当前最流行的纳米技术相结合，用在医疗上可以开发出治疗关节、骨骼方面的特种设备，对人体可以有加热和磁疗的同步效果；用在装饰材料上可以开发出新一代采暖系统，替换当前高能耗的水暖装置，响应国家节能号召；用在冶炼行业可以开发出新型超高功率炼钢炼铁装置，取代当前低效率高消耗的冶炼过程。铝箔封口机，电子高压灭菌器，热装式夹紧系统都在不同程度上使用了感应加热技术，不仅安全，而且提高了工作效率。目前我国整体厨房概念逐步推广，电磁家电产品的种类将增加，除了适合厨房应用的大功率电磁炉、电磁电饭煲之外，小功率的电磁感应技术结合活实时的单片机控制和相关传感器技术将被广泛应用于电压力煲、洗碗机、电水壶、饮水机、咖啡机等小家电上，给我们的生活带来更多便利。随着市场对电磁感应加热技术的深入研究，它必将会对我们的生产，生活等诸方面产生深远而积极的影响。1.2.2 电磁感应加热技术的发展趋势电磁感应加热技术的发展与功率半导体器件的发展密切相关。随着功率器件的大容量化和高频化，电磁感应加热技术也向大容量化和高频化发展。时，电磁感应加热技术在应用上从工业向家用电器方向发展，在技术上主要是向大功率和高频率方向发展，在控制上主要向智能化方向发展。综合起来，今后电磁感应加热技术在家电领域的应用将带有鲜明的时代特征，具有以下三大特点：智能化、低成本、环保型。电磁感应加热技术在家电应用中的一个重要发展方向是智能化控制。智能技术实质上是集现代微电子技术、信息技术、先进控制技术和传感技术等科学理论于一身的高自动化技术。电磁家电产品作为家电产品的一族，也必然向着智能化的方向发展，例如采用具有学习能力的自适应模糊控制、神经网络模糊控制技术等多种模拟人类智能的电磁家电产品以及采用触摸技术和大屏幕液晶显示的电磁家电产品均已开始出现。随着电力电子技术、高性能半导体和先进控制技术的发展，电磁感应加热技术的应用日趋成熟并且其应用范围从工业领域向家电领域迅速扩展。电磁家电产品作为家电产品领域中的新兴产品，产品已由导入期进入上升期，尚有巨大的市场发展空间，并且可派生一系列相关的新产品。可以预料，电磁感应加热技术的应用将如制冷技术(冰箱、空调)等一样发展成为一个巨大的产业，具有广阔的发展前景。1.3 课题来源与研究的主要内容 电磁电饭煲是现代厨房中比较高端的厨具，与传统的电饭煲相比有很多优点，具有广阔的市场空间。与电磁炉使用频率低(消费者常用来烧水或者打火锅)、只能作为辅助炊具相比，多功能电磁电饭煲完全可以代替电饭煲和燃气灶，由辅助饮具向主导饮具发展，成为现代化的厨房中不可缺少的炊具。目前我国国内市场上的电磁电饭煲产品种类非常单一，能够研发电磁电饭煲控制系统并且拥有自主知识产权的厂商非常少，市场上所卖电磁电饭煲产品多为国外品牌且产品价格昂贵，与市场的需求相矛盾。因此，研发拥有自主知识产权的电磁电饭煲控制系统具有较高的理论意义和很高的实际应用价值。本课题根据电磁感应加热原理和模糊控制理论，进行电磁电饭煲的控制系统的研究与设计。本课题的主要研究内容有以下几个方面： (1)理论上分析电磁感应加热原理，推导出影响电磁感应加热功率的因素。讨论串联谐振和并联谐振电路，并根据并联谐振电路设计主加热电路并进行电压谐振逆变电路工作过程的分析。(2)理论上分析模糊控制理论及其在电磁电饭煲控制系统中的应用。根据模糊控制理论设计模糊控制器，分别完成米量测定模糊推理和温度模糊控制。(3)进行电磁电饭煲控制系统的硬件设计，包括MCU系统、主加热电路、显示电路和按键扫描电路、开关电源电路、同步电路和各种保护电路等并且对各电路进行功能及工作过程分析。完成原理图的绘制、元器件的选型、印制电路板的设计、样机制作、硬件调试等工作。(4)进行电磁电饭煲控制系统的软件设计，完成电磁电饭煲控制系统功能的程序开发。完成电磁电饭煲控制系统实际煮饭效果测试，对实验结果进行分析。(5)分析电磁电饭煲控制系统的电磁兼容问题，提出解决电磁干扰的具体措施并进行验证。第二章 电磁感应加热原理及其在电饭煲中的应用2.1 电磁感应加热原理1831年，英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象，并且提出了相应的解释理论即电磁感应定律，其内容为，当电路围绕的区域内存在交变的磁场时，电路两端就会感应出电动势，如果电路闭合就会产生感应电流。电磁感应加热是法拉第电磁感应定律的应用。电磁感应加热方式与传统的加热方式相比有很多优点，如非接触式加热、无明火、无污染、速度快、效率高等，因此电磁家电产品吸引了越来越多的消费者。2.1.1 电磁感应加热原理电磁感应加热包含两方面的要素：焦耳定律和电磁感应原理及其三个效应，包括集肤效应、邻近效应和圆环效应。电磁感应加热的过程是：根据安培定则，当线圈中通过交变的电流时会在其周围产生交变的磁场，当金属工件置于这个交变的磁场中的时候，根据法拉第电磁感应定律及其三个效应，在金属工件的表面会产生涡流电流。金属工件具有电阻值，根据焦耳定律，涡流在金属工件上产生大量的热量，从而使金属工件迅速发热。这就是电磁感应加热技术的基本原理，与变压器的原理相似。图2-1是变压器的基本形式，次级线圈电流值I2与初级线圈电流值I1之比等于初级线圈与次级线圈的匝数之比。当次级线圈匝数为1且短路时，次级线圈电路会显著增加，因此会在负载ZL上产生明显的热损耗如图2-2所示。图2-3是一个基本的电磁感应加热系统的示意图，包括电磁感应初级线圈，次级负载和交变的电源。当初级线圈中通以交变的电流时，初级线圈会产生交变的磁场，次级负载位于交变的磁场中会产生涡流从而发热。图3中，初级线圈为一长直螺线管，在长直螺线管的内部放置有一根圆柱形的导体。如图所示，在长直螺线管中通以交变的电流，螺线管的周围会产生交变的磁场。圆柱形导体位于螺线管的中心部位，在其内部感应出涡流，并且涡流在导体的表面聚集，电流密度随离表面的深度增加而变小。图3右侧的为综切面，外部环流代表螺线管中的电流，内部电流代表在圆柱形导体内部感应出的涡流。 图2-1 变压器等效电路 图2-2 次级短路图2-3 电磁感应加热示意图在电磁电饭煲中，采用铜线特制的圆形线盘作为感应线圈。根据安培定则，当感应线圈中通以交变电流I时，在感应线圈的周围，会产生与交变电流同频率的交变磁通，交变磁通又会在金属工件中产生感应电动势e。根据MAXWELL电磁方程式，交变磁通量和感应电动势e的大小为：?=BS(2-1)dedt?=?(2-2)式中总磁通量；B磁感应强度；S线圈截面面积；e感应电动势(V)；d通过感应线圈磁通量的变化率(Wb/s)由于整个圆形线圈产生的磁感应强度可以看成是若干个不同半径的通电感应线圈产生的磁感应强度之和，以上分析得到的半径为R的感应线圈在锅底底部产生的加热功率的规律同样适用于整个圆形线圈。由此可知，电磁感应加热所产生热量的功率分别与锅底材料磁导率的平方、感应线圈中的交变电流的平方以及交变电流的频率的平方成正比。因此，增大电磁电饭煲功率方法除了使用高导磁率的锅具外，可以提高感应线圈中交变电流的电流值及其频率。2.1.2电磁感应的三个效应 (1)集肤效应 当交流电流流过导体的时候，会在导体中产生感应电流如图2-4所示，从而导致电流向导体表面扩散，电流沿导体截面上的分布是不均匀的。导体表面的电流密度会大于中心的电流密度，最大的电流密度出现在导体的表面层，这种电流聚集于表面的现象叫做集肤效应。从这个规律可知，由电能转换成热能主要集中在负载的表面。 图2-4 集肤效应示意图 当交流电流通过导体时，在导体的外部和内部都建立了磁场，磁力线的形状是导体的中心为圆的同心圆，因为电流是交变的，磁场也是交变的，显然与导体表面部分相交的磁力线，比与导体内部所交连的磁力线要少，于是导体中心部分的自感电动势，或者说，中心部分的电感和阻抗大于表面部分的电感和阻抗。电流总是沿着阻抗最小的路径流动，所以电流会聚集到导体的表面。电流频率越高，自感电动势的作用越强，集肤效应也越显著。另一种情形是导体放在交变电磁场中，也就是感应加热工件的情形，工件中的涡流也是交变电流，它沿着截面的分布也是聚集在表面一层。 (2)邻近效应 相邻两导体通以交流电流时，在相互影响下导体中的电流要重新分配，当两电流方向相反时，电流聚于导体内侧；当两电流方向相同时，电流聚于导体外侧。假如在任何瞬间两平行导体中的电流方向相反时，在导体之间由两电流所建立的磁场方向相同，总磁场增大，而两导体外侧的磁场却减弱。两导体之间的磁通不仅通过空气，而且也通过导体内部，显然到体外侧比内侧流密度较内侧为小。当平行导体中的电流方向相同时，用同样的方法可得出到体外侧电流密度较内侧为大。(3)圆环效应 若将交流电流通过圆环形螺管时，则最大电流密度出现在线圈导体的内侧，这种现象叫做圆环效应。导体的径向厚度与圆环直径之比越大，这种效应就越显著。2.2 电磁电饭煲电磁感应加热电路的组成电磁电饭煲电磁感应加热电路是主要由交流电源、桥式整流电路、高频电压转换器和感应线圈等构成的交流-直流-交流转换电路。如图2-5所示为电磁感应加热电路的组成图，图中方框上方表示的是与方框功能相对应的的关键器件。市电的交流电源经过桥式整流器整流和滤波电路滤波后，变换为直流电，再经高频电压逆变电路转换为频率为25KHz左右的高频交流电送入感应线圈中。根据安培定则，在感应线圈周围会产生高频交变的磁场。电磁电饭煲锅具置于高频交变的磁场中，根据法拉第电磁感应定律及其三个效应，在电饭煲锅具底部表面产生大量涡流。根据焦耳定律和电流的热效应，锅底温度迅速上升从而加热锅内食物。图2-5 电磁感应加热电路的组成2.3 电磁电饭煲主加热电路及电压逆变电路工作过程分析根据选定的并联谐振电路结构方案，设计电磁电饭煲的主加热电路结构如图2-6所示。220V/50H交流电经过保险管FUSE1，再通过安稳电容C1和压敏电阻CNR1加在整流桥BRIDGE1的两个输入端，整流桥输出的脉动直流电压经滤波电容C3后变为比较平滑的直流电压Ud，直流电压Ud直接加在由Rs和Ls串联代表的感应线圈和补偿电容C2组成的并联谐振电路的输入端。通过脉宽调制方波控制功率开关管IGBT1按一定的频率进行开合而使并联谐振电路工作，通过感应线圈的高频、高压的交变电流在感应线圈的周围感应出高频交变的磁场，使位于磁场内的电磁电饭煲锅具底部感应出涡流而发热。图2-6 电磁电饭煲主加热电路结构图电磁电饭煲电压逆变电路的工作过程可以分为四个阶段，各阶段等效电路的动态分析如图2-7所示。图中，Rs和Ls分别是感应线圈的串联等效模型的电阻值和电感值，C2是补偿电容，Ud是交流电压经整流、滤波后的直流电压，功率开关管IGBT1内部含有1个快速恢复二极管。功率开关管具有输入阻抗高,栅驱动功率极小,开关速度快，关断时间短，驱动电路简单等优点，是极佳的高速高压半导体功率器件。IGBT1采用Infineon公司的IHW30N120R2型号，其集电极和发射极耐压值UCE达1200V，集电极可通过电流30A，可以满足控制系统的需要。图2-7 电压逆变电路工作过程图如图2-8所示为电压逆变电路工作过程电压、电流波形图。电压逆变电路将经整流、滤波后的直流电压变换为流经感应线圈的高频振荡的交流电，从而在感应线圈的周围感应出与振荡电流同频率的磁场。图2-13中，Ug为IGBT1驱动电压即脉宽调制方波(PWM，Pulse Width Modulation），Uc为IGBT1集电极C的电压，IL为流经感应线圈的电流。当时间t1t2时，当脉宽调制方波PWM的高电平加至IGBT1的G极时，IGBT1饱和导通，电流i1从电源流过Ls。由于感应线圈具有感抗作用不允许电流发生突变，所以在t1t2时间i1随线性上升，在t2时脉冲结束,IGBT1截止。同样，由于感应线圈的感抗作用，i1不能立即变0，于是向补偿电容C2充电，产生充电电流i2。在t3时间，C2电荷充满，电流减小到0，这时感应线圈的电感量Ls的磁场能量全部转为C2的电场能量，在电容两端的电压出现左负右正，幅度达到峰值电压。此时，在IGBT1的C、E极间出现的电压实际为逆程脉冲电压加上电源电压，其值可达1100V。在t3t4时间，C2通过Ls放电完毕，i3达到最大值，电容两端电压消失，这时电容中的电能又全部转为Ls中的磁场能量。因感应线圈具有感抗作用，i3不能立即变为0，于是Ls两端电动势反向，即Ls两端电位左正右负。由于IGBT1内部阻尼管的存在，C2不能继续反向充电，而是经过IGBT1内部阻尼管回流，形成电流i4。在t4到t5时间内，第二个脉冲开始到来，但这时IGBT1的Ue为正，Uc为负，处于反偏激状态，所以IGBT1不能导通。待i4减小到0，Ls中的磁能放完即到t5时IGBT1才开始第二次导通，产生i5以后又不断重复i1i4的过程。因此在感应线圈上就产生了和开关脉冲频率f(20KHz30KHz)相同的交流电流。在t4t5阶段，i4是IGBT1内部阻尼管的导通电流。图2-8 电压逆变电路波形示意图第三章 模糊控制理论及其在电磁电饭煲中的应用3.1模糊控制理论经过长期研究和实践形成的经典控制理论，对于解决线性定常系统的控制问题是很有效的，而对于非线性时变系统难以奏效。随着计算机的发展及应用，基于状态变量描述的现代控制理论对解决线性或非线性、定常或时变的多输入多输出系统问题，获得了广泛的应用。但是，无论采用经典控制理论还是现代控制理论设计一个控制系统，都需要事先知道被控对象精确的数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律进行控制系统的设计。然而，在许多情况下被控对象由于影响因素很多、具有时变性和非线性的特点而且相互之间又有交叉耦合，其模型十分复杂且难以求解，因此建立精确的数学模型困难很大甚至难以建立。与此相反，对于许多难以建立精确模型实现自动控制的被控对象，富有经验的操作人员根据经验和知识进行模糊推理、判断和调节来控制，可以得到满意的效果。这样的事实让学者们思考对于无法构造数学模型的对象，能否让计算机模拟人的思维方式进行智能化控制决策，这就导致了模糊控制理论的诞生。1965年，著名的控制论专家美国加州大学扎德教授创立了模糊集合论，提出用“隶属函数”的概念来描述现象差异中的中间过渡，并指出一个模糊变量不能唯一赋值，而是应包含多个取值成分，且可用一个模糊集合来完整地表征。这一开创性的工作标志着模糊数学的诞生，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具。模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量以及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制从最初到现在，经历了两个阶段，即简单模糊控制阶段和自我完善模糊控制阶段。简单模糊控制阶段指在计算机系统上把控制器上的推理过程处理成模糊控制表，这种模糊控制器结构简单并且容易实现，与传统的PID控制相比不仅反应速度更快、对被控对象参数变化适应能力强，而且在对象模型结构发生较大变化时也能获得较好的控制效果。但由于结构的简单性，对受影响因素多的复杂的被控对象控制精度不高，鲁棒性有限。3.1.1模糊控制系统的基本组成模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，其系统组成类同于一般的数字控制系统，只是以模糊控制器取代了传统的数字控制器，其结构框图如图3-1所示。图3-1 模糊控制系统结构框图模糊控制系统一般包括四个组成部分：(1)模糊控制器实际上是一台微计算机，根据控制系统的需要可以选用系统机，也可选用单板机或单片机。(2)输入/输出接口装置输入/输出接口将从主控单片、被控对象处获得的模拟信号量转换成数字信号量，并输出到模糊控制器。模糊控制器获得数字信号量后，将推理决策后得到的数字信号量输出到输入/输出接口。输入/输出接口将获得的数字控制信号量转换为模拟信号后送到执行机构去控制被控对象。(3)广义对象包扩执行机构和被控对象。被控对象可以是缺乏精确的数学模型的，也可以是有比较精确的数学模型的对象。(4)传感装置用来将被控对象的被控制量转换为电信号。被控制量往往是非电量，如位移、速度、加速度、温度、压力、流量、浓度、湿度等。传感装置在模糊控制系统中十分重要，它的精度直接影响整个控制系统的精度。因此，在选择传感器时应选择精度高且稳定性好的传感器。3.1.2模糊控制器的结构模糊控制器是模糊控制系统的核心部分，其控制规律来自于人们在生产实践中掌握的对被控对象的控制经验并由计算机或单板机的程序实现。这种程序一般包括两个部分，一个是计算机或单板机离线计算查询表的程序，属于模糊矩阵运算。另一个是计算机或单板机在模糊控制过程中在线计算输入量，并将它们模糊量化处理，查找查询表后再作输出处理的程序。模糊控制器的基本结构如图3-2所示。图3-2 模糊控制器的基本组成结构通常将模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制的维数。以单输入、单输出为例。一维模糊控制器常用于一阶被控对象，由于其输入变量只选误差一个，它的动态控制性能不佳。二维模糊控制器在目前被广泛采用，这种控制器以误差和误差的变化为输入变量，以控制量的变化为输出变量。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但维数过高，模糊控制规则变得过于复杂,控制算法的实现相当困难。3.2模糊控制理论在电磁电饭煲中的应用家用电器是模糊控制理论应用最多的领域之一，它们的控制过程一般很难用精确的数学模型来描述，而传统的PID控制是基于对象的精确的模型的来整定控制参数，所以对家用电器的控制往往要基于模糊控制，如电饭煲、冰箱、洗衣机等。模糊控制较之传统的PID控制不仅有较强的鲁棒性，而且在对象的结构发生较大改变下仍能取得较好的控制效果。在本文着重分析在电磁电饭煲的控制系统的设计中，如何利用模糊控制原理来推断锅中的米量及进行加热温度控制。在推断出锅中的米量的基础上，根据煮饭专家提出的煮饭工艺曲线，通过模糊推理制定最佳的加热温度、时间控制策略。电磁电饭煲在锅底和顶盖排气口分别放置了热敏电阻温度传感器，用于检测锅具底部温度和锅内的水蒸气温度。电磁电饭煲加热输出功率模糊推理过程结