电饭锅温度控制系统

电饭锅温度控制系统设计

姬红富邹清洋

(大庆师范学院)

摘要：通过介绍电饭煲温度控制系统特征，建立其数学模型，分析受控对象特点，指出了传统电饭煲在温度控制方面的不足；从营养学角度设计了电饭煲的期望升温曲线，并对电饭煲温度控制系统的硬件电路进行了设计；在控制方法里引入了模型偏差补偿的思想，阐述了模型偏差补偿的算法原理和特点，并以电饭煲为被控对象进行了Matlab仿真。仿真结果表明系统误差完全在可以接受的范围内，证明模型偏差补偿的方法在电饭煲温控系统中具有精度高、可靠性强等优点。

关键词：期望曲线；加热底盘；电饭煲内胆；模型偏差补偿

Research on the temperature control system of electric cooker

Ji Hongfu Zou Qingyang

(Daqing Normal University)

Abstract:The features of temperature control system in electric cooker are introduced，and the math model of it is built.The draw backs of temperature control in the conventional electric cooker are pointed out.In view of nutrition，the expected calefactive curve is suggested and the hardware circuit of temperature control system is designed.A control scheme of model deviation compensation is proposed.And，the principles and characters of this method are explained. Through the result of simulation in Matlab while taking electric cooker as controlled object，the method of model deviation compensation is p roved to be reliable and precise in the application of the electric cooker’s temperature control system.And the sys tem errors are acceptable.

Key words:expected curve;heat chassis;gallbladder of electric cooker;model deviation compensation

引言：电饭锅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。传统的电饭锅在温度控制方面采用了简单的双金属片检测电路，当温度超过设定值时加热电路断开，温度下降后加热电路重新闭合，这样造成底盘加热升温变化波动较大，且加热底盘、锅内胆以及温度检测电路的惯性特性造成了温度控制反应的滞后，以致加热底盘的温度容易出现比较大的超调量，对电路中元器件的可靠性和寿命造成了负面影响[1]。本文从倡导食品营养科学的角度引入期望曲线，运用模型偏差补偿控制方法[2-5]，消除了加热底盘升温的异常波动和超调量，保证了元器件的稳定性和可靠性，从而提高了能源的利用率和系统的控制精度。本文通过用Matlab对温度控制系统进行仿真，证明了模型偏差补偿是一种合适、可靠、性价比高的控制方法。

1.电饭锅温度控制系统

1.1电饭锅系统的期望升温曲线

以电饭锅煮饭为例，从食品营养的角度来分析，电饭锅煮饭过程可分为吸水、加热、沸腾、焖饭、膨胀和保温六个阶段。

根据对900W输入功率的电饭煲实际参数的测量，综合各种期望指标，绘制出如图1所示

的期望升温曲线。各阶段持续时间如表1所示。

图1电饭锅升温曲线表1各阶段持续时间表

如图1所示，六个阶段依次为：

1)吸水阶段：t

0～t

2

，持续8min，作用是在一定温度下进行吸水，大米含水率从大约

15%上升到25%以上，使后面的大米加热更均匀；这个阶段本文设计温度上限取52～55℃。

2)加热阶段：t

1～t

2

，对电饭煲进行持续的加热，使水温不断升高，温度均匀上升，大

米继续吸收水分并开始淀粉α化。从营养学角度考虑，加热阶段的时间对米饭的质量有极大影响，综合米饭α化程度、还原糖量、硬度、粘结力和人们品尝后的味道评价等指标，本文设计加热时间为10min。

3)沸腾阶段：t2～t3，首先在100℃左右维持一段时间，使大米深度吸水，并在较高的温度作用下促进淀粉的α化。本文设计温度将升高到125℃。

4)焖饭阶段：t3～t4，持续10～12m in，这个阶段的作用是使能量透入到米饭的芯部，使米粒充分受热，并蒸发掉多余的水分。营养学及现有经验表明：焖饭阶段的温度保持在105～110℃，且焖饭之后的米饭含水率若在65%～70%左右时食用口感最好。

5)膨胀阶段：t4～t5，此阶段的作用是使米饭松化。这个过程在焖饭温度下降到一定程度时(本文设计取值103℃)马上进行加热。这次加热会使米饭的水分进一步蒸发，米饭进一步变得松软；当温度升高到一定程度(本文设计取值113℃)停止加热，米饭转而进一步放热；处于这种放热状态的米饭，就可以变得充分松软。

6)保温阶段：t5以后，在电饭煲的温度下降到70℃时开始，根据需要，若使米饭维持在70℃恒温，能保证米饭最优质量的存放时间不低于8h。

综上所述，本文设计的整个煮饭过程历时大约2580s，合43m in。

1.2控制对象数学建模

本文的设计中，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。电饭锅系统模型如图2所示。

图2电饭锅温度控制系统的模型

在数学建模中，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

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

控制系统温度传感器数学模型的传递函数为

1.3电饭煲硬件系统设计

控制系统由电源稳压电路、过零检测电路、键盘输入电路、蜂鸣报警电路、单片机、L ED 显示、功率驱动电路，信号检测电路以及锅底温度传感器等组成，如图3所示。