洗衣機(jī)模糊控制

1、工業(yè)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)技術(shù)策略及實(shí)現(xiàn)摘 要介紹了模糊控制這一被稱為“ 21世紀(jì)的核心技術(shù)”的研究背景 ; 提出了 工業(yè)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)開 發(fā)的技術(shù)策略和設(shè)計(jì)框架 ; 綜述了模糊控制知識(shí)庫的建立和模糊控制器的設(shè)計(jì)以 及系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件 設(shè)計(jì). 關(guān)鍵詞 工業(yè)洗衣機(jī) ; 模糊控制 ; 模塊化設(shè)計(jì) ; 多任務(wù)編程1 研究的背景和意義 模糊數(shù)學(xué)和模糊控制的概念是加利福尼亞大學(xué) 教授扎德 (L A Zadeb) 在他的 Fuzzy Sets 、 Algorithm 和 A Rationale For Fuzzy Control 等論著 中首先提出 1.1974 年英國倫敦大學(xué)教授 E H Manid

2、ani 首先應(yīng)用模糊控制邏輯研制成功模糊控 制器.1979 年,英國 I J Procyk 和 E H Manidani 研 制成功自組織模糊控制器 , 標(biāo)志著模糊控制器“智能 化”程度的進(jìn)一步提高 .1984 年年底國際模糊系統(tǒng) 學(xué)會(huì)成立 . 模糊控制理論從提出至今雖然只有 20 多年 , 但是無論在模糊理論的算法、模糊推理決策、 工業(yè)控制應(yīng)用、模糊系統(tǒng)集成 , 以及自學(xué)習(xí)、自適應(yīng) 和工程應(yīng)用方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步 2. 模糊控制是智能控制領(lǐng)域的重要發(fā)展方向 , 模 糊控制技術(shù)被稱為“ 21 世紀(jì)的核心技術(shù)” .模糊控制 技術(shù)進(jìn)入商品化 , 使產(chǎn)品的自動(dòng)化和智能化水平不 斷提高 .工業(yè)洗衣機(jī)

3、廣泛應(yīng)用于賓館、飯店、醫(yī)院、部隊(duì)、 學(xué)校、車站、客運(yùn)碼頭等洗滌衣物量大的場(chǎng)所 , 由于 洗滌容量大、洗滌效率高以及洗凈度高等特點(diǎn) , 贏得 了越來越大的市場(chǎng) .對(duì)工業(yè)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的研制與開發(fā) , 旨 在進(jìn)一步提高其自動(dòng)化、智能化程度 , 將給工業(yè)洗衣 機(jī)以更強(qiáng)大的生命力 . 系統(tǒng)的研制開發(fā)是以 XGQ- 25型全自動(dòng)洗滌脫水機(jī)為原型機(jī) , 實(shí)現(xiàn)洗滌過程的 模糊控制 .原型機(jī)是程序控制洗滌脫水機(jī) , 用戶根 據(jù)不同洗滌物的布質(zhì)、布量、臟污狀況憑經(jīng)驗(yàn)選擇多 個(gè)功能鍵 ,決策因人而異 , 洗滌效果自然有差別 .采 用模糊控制技術(shù)的全自動(dòng)洗滌脫水機(jī) , 用電腦全部 或部分代替人腦進(jìn)行洗滌過程的決

4、策 , 由計(jì)算機(jī)進(jìn) 行模糊判斷、推理和決策 , 并自動(dòng)生成優(yōu)化的洗滌方 案, 使整個(gè)洗滌過程在無需人工干預(yù)的情況下自動(dòng) 完成, 而且可以節(jié)水、節(jié)電、省時(shí)、省心 . 經(jīng)文獻(xiàn)檢索 確認(rèn), 迄今, 模糊控制工業(yè)洗衣機(jī)研制在國內(nèi)外尚屬 空白. 因此, 筆者的研制成果不僅具有重大的科學(xué) 意義, 而且可以增強(qiáng)國產(chǎn)工業(yè)洗衣機(jī)的國內(nèi)外市場(chǎng) 競(jìng)爭(zhēng)力.2工業(yè)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)框架本系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出的控制系統(tǒng)主要 輸入量（模糊量）有洗滌物的布質(zhì)、布量、臟污程度、 臟污性質(zhì)等.系統(tǒng)的輸出量有電機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)水量、水 位、洗滌時(shí)間（包括過清和脫水時(shí)間）和洗滌劑投放 量等.總的設(shè)計(jì)思路是利用相應(yīng)的傳感器檢測(cè)各

5、種 輸入量,通過轉(zhuǎn)換和處理，運(yùn)用各種控制模塊和模糊 控制規(guī)則，經(jīng)模糊計(jì)算和推理決策，確定洗滌程序和 洗滌過程中的輸出量.2.1模糊控制器設(shè)計(jì)的框架構(gòu)思模糊控制器設(shè)計(jì)利用主要因素推理和間接推理 等方法.主要因素推理即是抓住主要因果關(guān)系，放 棄次要因果關(guān)系.例如,用布質(zhì)、布量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來 推理決策水位、轉(zhuǎn)速、洗滌時(shí)間等工作參數(shù).間接推 理亦稱順序推理，即將前一種推理作為本次推理的 前提,從而引申出新的結(jié)果.例如,若洗滌劑投放量 大時(shí),洗滌時(shí)間會(huì)相應(yīng)延長(zhǎng).本系統(tǒng)對(duì)以上兩種推 理方法進(jìn)行綜合應(yīng)用而得出模糊控制規(guī)則，配以模 糊計(jì)算和推理，根據(jù)輸入信息而自動(dòng)生成受控的輸 出量,通過正交法對(duì)原型機(jī)進(jìn)行反復(fù)試

6、驗(yàn)，建立和完 善知識(shí)庫（包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫），確立理想的模糊 控制模型.模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.模糊 控制器的控制過程分三個(gè)步驟：模糊化、模糊邏輯推 理、解模糊化判決.以上三個(gè)步驟分別在模糊控制 器狀態(tài)接口（模糊化器）、模糊推理機(jī)和控制接口（解 模糊化判決）完成,從而在專家的經(jīng)驗(yàn)或在大量實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立被控對(duì)象的模糊控制模型.猊河程度解樓茯IW-Mltfl豪m(xù)lwl和rra rH電機(jī)特速：十余也嚴(yán)&而1 耳熱反傳春I榭攜結(jié)束 碩i麗蜀圖1樓需理刪侍羞*席抽杞圖2.2工業(yè)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)方案 硬件設(shè)計(jì)方案采用主從雙 CPU控制方式，由 兩個(gè)CPU分別進(jìn)行合理的功能分

7、配.主機(jī)負(fù)責(zé)管 理顯示模塊（LED/LCD）、鍵盤（面板）、信號(hào)輸入/輸 出模塊、變頻器；從機(jī)負(fù)責(zé)管理溫度傳感器、水位傳 感器、混濁度傳感器.采用主從雙CPU控制方式, 有利于系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠并保證響應(yīng)實(shí)時(shí)性及實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)功能.硬件設(shè)計(jì)遵循“模塊化設(shè)計(jì)”思想，每個(gè)功能模 塊在定型前都必須進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，方案可行后再 實(shí)施,然后將各個(gè)功能模塊有機(jī)地合并起來.在硬 件設(shè)計(jì)中充分考慮內(nèi)外環(huán)境的干擾，采用多種抗干 擾的技術(shù)處理,保證系統(tǒng)的可靠性3.如圖2所示，該系統(tǒng)由一塊主控制板和一塊信 號(hào)輸入輸出(I/O)板組成.其中主控制板由主CPU EPRO、NVRAM鍵盤、指示燈和大屏液晶 顯示模板組成；信號(hào)輸

8、入輸出接口控制板則由電源 模塊、從CPU溫度轉(zhuǎn)速模塊、布質(zhì)布量處理模塊、 水位采樣處理模塊、混濁度采樣模塊、變頻器通訊和 各種狀態(tài)信號(hào)輸入及繼電器信號(hào)輸出模塊組成I電機(jī)特命瞰沖h熱片AD7705麗祈時(shí)IH時(shí)JhLED州示燈a2?9r科關(guān)o#凰示藩I主機(jī)賂2 Kttff件潔構(gòu)原現(xiàn)腳2.3系統(tǒng)軟件的編程思想2.3.1在單片機(jī)控制系統(tǒng)中引入基于消息的多任 務(wù)編程機(jī)制由于米用傳統(tǒng)的單任務(wù)編程方法不能 滿足穩(wěn)定性和系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求，筆者借鑒 Windows環(huán)境下基于對(duì)象的多任務(wù)編程思想,在單 片機(jī)控制系統(tǒng)中引入基于消息的多任務(wù)機(jī)制(如圖 3所示),應(yīng)用多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行原理及消息驅(qū)動(dòng)、響 應(yīng)機(jī)制來解決單

9、片機(jī)控制系統(tǒng)中基于消息的多任務(wù) 編程4.系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)工業(yè)洗衣機(jī)的各種洗滌程 序、操作功能和洗滌性能，并具有良好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn) 定性和強(qiáng)的抗干擾能力.2.3.2單片機(jī)軟件抗干擾技術(shù)對(duì)策工業(yè)洗衣機(jī) 的工作環(huán)境復(fù)雜.有來自系統(tǒng)內(nèi)部、外部的各種干 擾,使微機(jī)系統(tǒng)常常不能正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成硬件系統(tǒng)的損壞，釀成事故.在提高硬件系統(tǒng)抗干擾圖3多桂務(wù)程序流程圈的同時(shí),必須強(qiáng)化軟件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)，充分保障 系統(tǒng)的可靠性.軟件抗干擾方面的措施主要有：1） 當(dāng)程序運(yùn)行混亂時(shí)可使程序重入正軌的方法；2）消 除模擬輸入信號(hào)的噪音（如數(shù)字濾波技術(shù)）；3）數(shù)據(jù) 的保存與恢復(fù)技術(shù).工作重點(diǎn)放在重入正軌的研究 和實(shí)現(xiàn)上,在

10、諸如指令冗余技術(shù)、攔截技術(shù)、軟件“看 門狗”技術(shù)等方面加強(qiáng)研究和實(shí)施.著重防止程序“跑飛”，并解決好系統(tǒng)非法復(fù)位的自恢復(fù)問題，使系 統(tǒng)具有故障診斷功能.2.4其他技術(shù)框架2.4.1實(shí)驗(yàn)分析與模糊規(guī)則的建立洗衣機(jī)的洗 滌過程包括初洗、主洗、過清、處理等工藝程序.洗滌的全過程為3輸入5輸出的控制過程，輸入量為 布質(zhì)、布量、臟污程度和臟污性質(zhì)；輸出量為水位、轉(zhuǎn) 速、時(shí)間、溫度.顯然，這是面向多因素的工程實(shí)驗(yàn)， 正交實(shí)驗(yàn)可從多因素水平交叉搭配的全組合中優(yōu)選 少數(shù)有序組，再從有限組的實(shí)驗(yàn)條件中獲取信息，運(yùn) 用方差分析以有限的信息容量來反映實(shí)驗(yàn)的全貌. 工業(yè)洗衣機(jī)模糊規(guī)則庫是模糊控制系統(tǒng)研制的 關(guān)鍵.利用

11、原型機(jī)對(duì)典型被洗衣物進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)， 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析來確定模糊規(guī)則庫， 它直接反映典型洗滌物的布質(zhì)、布量與洗滌轉(zhuǎn)速和 水位的對(duì)應(yīng)關(guān)系.根據(jù)模糊規(guī)則，通過模糊推理與 計(jì)算,采用最佳策略針對(duì)洗滌程序和洗滌參數(shù)進(jìn)行 優(yōu)化.2.4.2傳感方法的擬定和傳感器的選型用以描 述洗滌狀態(tài)的各種傳感器的選型或自行研制，亦是 涉及開發(fā)工作成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一.利用傳感器進(jìn) 行信號(hào)采集，準(zhǔn)確地檢測(cè)出洗滌物的布質(zhì)、布量、臟 污程度、臟污性質(zhì)是進(jìn)行正確的模糊推理的前提 . 布質(zhì)、布量的檢測(cè)是利用洗滌物浸濕后對(duì)滾筒 產(chǎn)生不同的阻抗和吸水量 . 阻抗值并不能直接檢 測(cè), 而是通過一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量與滾筒相連的皮 帶

12、輪的轉(zhuǎn)速變化來間接取得 . 吸水量也需間接測(cè) 量.它是在洗衣機(jī)的進(jìn)水管上安裝流量傳感器 , 控 制加入一定量的水 , 用水位傳感器測(cè)量洗滌物充分 浸透后的水位值間接推算吸水量 . 由于阻抗與吸水 量同時(shí)受布質(zhì)、布量的影響 , 因此需對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行 專門的處理 , 以解開互相之間的干擾 .臟污程度、臟 污性質(zhì)的檢測(cè)利用初洗時(shí)滾筒內(nèi)水的混濁度的變化 實(shí)現(xiàn), 通常使用光傳感器測(cè)量水的透光度得到 . 本 系統(tǒng)中采用了美國霍尼韋爾公司專用的混濁度傳感 器.這是一種自帶處理器的一體化傳感器 , 可以通 過串行接口與單片機(jī)直接通信 . 傳感方法和傳感器確定后 , 為了確定最佳的實(shí) 驗(yàn)參數(shù), 需要做大量的實(shí)驗(yàn)

13、并進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理 , 以便確定最佳算法 5.3 結(jié)論 運(yùn)用上述的技術(shù)策略研制完成的工業(yè)洗衣機(jī)模 糊控制系統(tǒng)、經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的性能驗(yàn)證和在原型機(jī)上 裝機(jī)聯(lián)調(diào) , 并經(jīng)過湖北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督總站的全面 性能檢測(cè) , 證明本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn) .1) 既可實(shí)現(xiàn)模糊控制全自動(dòng)的洗滌程序 , 又 可執(zhí)行手動(dòng)控制程序 . 在執(zhí)行模糊控制程序時(shí)置入 衣物, 只需按一個(gè)操作鍵便可自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)生成優(yōu) 化的洗衣程序和洗滌參數(shù) ,十分便捷 .2) 界面友好 . 用漢化大屏幕液晶顯示器示出 洗滌過程中的每個(gè)程序名稱及各個(gè)程序的模糊推理 參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù) .3) 系統(tǒng)故障檢測(cè)功能完備 , 能實(shí)時(shí)提示各種 故障, 如: 水壓過低、蒸汽閥故障、電機(jī)過載、排水閥 故障等 .4) 研制樣機(jī)的洗凈率、各項(xiàng)傳感特性、各種模 糊輸出量、各種洗滌功能均達(dá)到了我國相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn) 和合同約定的技術(shù)要求 .5) 經(jīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和施加強(qiáng)電磁干擾 , 證明系統(tǒng) 健壯性好、抗干擾能力強(qiáng) .6) 實(shí)現(xiàn)模糊控制后 , 樣機(jī)節(jié)水 12%18%, 節(jié)電 7%12%節(jié). 水、節(jié)電、省時(shí)效果良好 . 今后,在此基礎(chǔ)上 ,將引入人工智能專家系統(tǒng)和 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行進(jìn)一步的深入開發(fā) , 使系統(tǒng)具備 自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能 , 以實(shí)現(xiàn)洗滌全過程中的實(shí)時(shí)檢 測(cè)和實(shí)時(shí)控制 , 使工業(yè)洗衣機(jī)的使用性能更趨于完善. 參 考 文 獻(xiàn)