电饭煲温度控制系统

电饭煲温度控制系统系统介绍：电饭煲是一种应用极为广泛的家用电器,它为人们的日常生活提供了便捷的服务.传统的电饭煲在温度控制方面采用了简单的双金属片检测电路。温电饭煲主要由锅盖、外壳、内胆、开关、发热板和温度控制装置组成。其中：发热板是将环形金属管状电热元件铸造在铝合金体中，再经加工而成，它具有较好的热传导性能和较大的机械强度，板面形状要求与锅底相吻合，在其中心处装有温度控制元件。温度控制装置：电饭锅所以能够自动限温和保温，是因为它内部装有磁钢限温器和双金属片恒温器两个自动装置。磁钢限温器是利用感温磁钢(软磁体)的磁性随温度的高低而变化的特性来设计的。当低温时，感温磁是顺磁性物质，具有磁性；当温度升到某一界限时，感温磁钢变成逆磁性物质，因而失去磁性。这个温度界限，叫做居里点。通常，居里点的温度略高于103℃。在饭煮熟前，锅内有水，所以电饭锅的内胆温度不会超过100℃，感温磁钢仍然具有磁性。当饭熟后，内胆没有水，温度便会上升超过100℃。此时，紧贴于内胆底面的感温磁钢温度，也随之上升到居里点而失去磁性。这样，永磁体在重力和弹簧弹力的作用下，使感温磁钢不能继续吸住它而跌落。下跌时，永磁体通过连杆作用把触点分离，于是电饭锅断电，表明米饭已经煮熟。双金属片恒温器由两种膨胀系数不同的金属片制作，安装在发热板上，感受发热盘的温度。当电饭锅的温度升向时，热双金属片受热，使它向膨胀系数小的一面弯曲。弯曲时，它把两个触点分离，于是电饭锅断电，温度下降。而当温度下降到一定程度时，双金属片就收缩回复原状，两个触点重新闭合通电，如此反复作用，使电饭锅的温度，能够自动维持在65±5℃的范围。普通电饭煲的工作原理示意图和电路简图简图如下：系统分解：从上面的做饭过程描述可以看出，普通电饭锅做饭过程的控制是一个以温度为变量按时间顺序变化的时序控制。其基本时序为：加温（其中包括100度时的蒸发过程）、限温、降温和保温。这个时序完成，做饭过程也就结束，因而，它是一个开环自动控制系统。控制对象是电饭锅的内锅，输出量是内锅温度按时间变化的规律。输入量是“做饭指令”，这个指令的核心是：（1）内锅温度低于限制温度（103度），电热盘工作，内锅温度达到限制温度，电热盘停止工作；（2）内锅温度下降到保温点（65度）时，实施保温控制。在具体操作上是由做饭按钮来体现的。也就是说，当你按下了“做饭按钮”时，就输入了上述指令。电饭煲就将按给定的时序运行。不会反复。系统的执行器是由温控装置控制的触点开关，系统的是由双金属片保温控制器和磁钢限温器组成的。其参考控制器框图如下：由于在限温控制中存在对被控量是检测和比较，因此它应该是一个闭环控制。控制对象是内锅，被控量是锅内的温度。承担温度检测、反馈和控制的都是磁钢发热盘，执行装置应该杠杆和触点开关。不过，这种控制不是反复调整，而是停止加热。参考框图如下：构建系统方框图，确定传递函数建立模型：传递函数,温度控制器可以输出连续的控制信号,对加热底盘的输出功率进行控制,进而控制盛放待加热米饭的锅内胆的加热;而温度反馈检测电路及时将锅内胆的温度数据返回给温度控制器,以便及时做出调整,选择最合适的加热方式.电饭煲系统模型如图所示.电饭煲的系统模型可近似认为是惯性系统,通过对已有电热系统模型以及功率消耗值的计算,电饭煲的核心部件之一加热底盘的数学模型的传递函数为G1=1/(2.8s+1.037)(1)电饭煲内胆在装入2L大米和相应的煮饭水后,数学模型的传递函数为G2=1/(13.8s+188.7)(2)控制系统温度传感器数学模型的传递函数为F=1/(0.18s+1)3电饭煲PID控制方法的仿真在Matlab中进行仿真,首先在Simulink工具箱中建立系统框图,编写期望曲线的函数程序,调用Mat2labFunction模块[10]产生期望曲线.系统结构如图4所示.系统T取100ms,仿真步长设置为100ms,c取10,即P参数为200,I参数为1000,D参数为10时,将图1所示的期望信号输至带PID算法的温度控制系统后,系统响应曲线如图5所示.图4电饭煲温度控制系统PID仿真框图结果显示,PID控制曲线对期望曲线的跟踪比较精确,能令人满意地跟踪期望曲线的各个阶段,跟踪过程误差如图6所示.由模型偏差补偿原理可知,追踪曲线和期望曲线的误差是由期望曲线各拐点处曲线斜率突变造成的;Matlab的求误差命令显示此时最大误差是012632℃,完全符合电饭煲实际需求.在现实应用中,考虑到电饭煲温度控制系统的实际需求,建议C取1～10,且鉴于工程经验,PID参数取值时通常在参数KP前乘以系数012～015,在参数Ki前乘以系数0105～011.参考文献[1]LiZhengxi,LiuJie,SunDehui.AcomplexcontrolsystembasedonthefuzzyPIDcontrolandstatepredictorfeedbackcontrol[J].JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing,2004,11(1):90294.[2]ZhaoCunsheng,ZhuShijian,HeQiwei.Fuzzy2PIDcontrolmethodfortwo2stagevibrationisolationsystem[J].JournalofTheoreticalandAppliedMechanics,2007,45(1):1712177.[3]LiChaoyong,JingWuxing.ApplicationofPIDcontrollerto2Ddifferentialgeometricguidanceproblem[J].JournalofControlTheoryandApplications,2007,5(3):2852290.[4]AlfaroVictorM.PIDcontrollers’fragility[J].ISATransactions,2007,46(4):5552559.[5]叶桦,冯纯伯.一类时变非线性系统的模型偏差补偿控制[J].信息与控制,1991(5):22226.YeHua,FengChunbo.Model2deviationcompensationcontrolforaclassoftime2varyingnonlinearsystems[J].Informa2tionandControl,1991(5):22226.(inChinese)[6]DasT,ChakkaravarthiR,SubramanianA.Energyconservationindomesticricecooking[J].JournalofFoodEngineering,2006,75(2):1562166.[7]MichaudPatricia,CondraskyMargaret,GriffinSarahF.Reviewandapplicationofcurrentliteraturerelatedtoculinarypro2gramsfornutritioneducators[J].TopicsinClinicalNutrition,2007,22(4):3362348.[8]陈卿,侯薇.家电控制与检测用集成电路[M].北京:中国计量出版社,2005:83291.[9](德)吉多楚伦那,安德烈亚斯拉曼.家电传感器[M].马永成,李晶,译.北京:化学工业出版社,2004:1452189.[10]闫沫,卢贵主.Matlab软件在电路设计中的应用[J].厦门大学学报:自然科学版,2006,45(4):4922495.YanMo,LuGuizhu.ApplicationofMatlabsoftwareincircuitdesign[J].JournalofXiamenUniversity:NaturalScience,2006,45(4):4922495.(inChinese)