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1、基于MATLAB的洗衣機(jī)模糊控制設(shè)計(jì)摘 要:模糊洗衣機(jī)是一種智能型的洗衣機(jī),它和傳統(tǒng)的洗衣機(jī)相比,是一種全新的家用電器。傳統(tǒng)的全自動(dòng)化洗衣機(jī)有兩種,一種是機(jī)械控制式,一種是單片機(jī)控制式。無(wú)論采用什么方式,它們都需要進(jìn)行人為的洗滌程序選擇,衣質(zhì)和衣量選擇,然后才能投入工作。在本質(zhì)上講,這種洗衣機(jī)還稱(chēng)不上是全自動(dòng)的,最多只能稱(chēng)為半自動(dòng)的。 用單片機(jī)控制的模糊洗衣機(jī)和傳統(tǒng)的洗衣機(jī)有很大的區(qū)別,它能自動(dòng)化識(shí)別衣質(zhì)、衣量、自動(dòng)識(shí)別骯臟程度、自動(dòng)化決定水量、自動(dòng)投入恰當(dāng)?shù)南礈靹?,從而全部自?dòng)地完成整個(gè)洗染過(guò)程。由于洗滌程序是通過(guò)模糊推理而決定的,有著極高的洗滌效能,從而不但大大提高洗衣機(jī)的全自
2、動(dòng)化程度,也大大提高了洗衣的質(zhì)量。 用單片機(jī)控制的模糊洗衣機(jī)可以說(shuō)是真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)。在整個(gè)控制過(guò)程中,單片機(jī)和模糊控制軟件起了決定作用。關(guān)鍵詞:洗衣機(jī)、智能型、模糊控制、自動(dòng)化 1 課題背景及意義洗衣機(jī)自問(wèn)世以來(lái),經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,現(xiàn)正呈現(xiàn)出全自動(dòng)、多功能、大容量、高智能、省時(shí)節(jié)能的發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái),電子技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)的不斷完善、成熟,為上述發(fā)展趨勢(shì)提供了堅(jiān)強(qiáng)的技術(shù)保障。L·A·Zadeh教授最早提出了模糊集合理論,由此產(chǎn)生了模糊控制技術(shù),其突出的優(yōu)點(diǎn)是:不需要對(duì)被控對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于復(fù)雜的、非線性的、大滯后的、時(shí)變的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),建立數(shù)學(xué)
3、模型是非常困難的。全自動(dòng)滾筒洗衣干衣機(jī)的自動(dòng)化、智能化控制正是一種難以建立精確數(shù)學(xué)模型的控制問(wèn)題,采用模糊控制技術(shù),可以很方便的控制洗衣干衣過(guò)程。模糊控制全自動(dòng)滾筒洗衣干衣機(jī)是通過(guò)模糊推理找出最佳洗滌烘干方案,以?xún)?yōu)化洗滌烘干時(shí)間、洗凈程度、烘干效果,最終達(dá)到提高效率,簡(jiǎn)化操作,節(jié)水節(jié)電省時(shí)的效果。模糊控制全自動(dòng)滾筒洗衣干衣機(jī)屬于創(chuàng)新項(xiàng)目,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白,達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。它的研制成功,必將大大推動(dòng)我國(guó)乃至世界洗衣機(jī)行業(yè)的發(fā)展。 模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法,它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過(guò)程的一種智能控制方法。該方法首先將操作人員或?qū)<?/p>
4、經(jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則,然后將來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化,將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入,完成模糊推理,將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。2 模糊控制洗衣機(jī)的研究現(xiàn)狀2.1 國(guó)外洗衣機(jī)的研究現(xiàn)狀80年代以來(lái),家用洗衣機(jī)得到了迅速的發(fā)展,世界洗衣機(jī)總產(chǎn)量已經(jīng)約為3000萬(wàn)臺(tái)/年,日本年產(chǎn)約為465萬(wàn)臺(tái),美國(guó)的年產(chǎn)量約為625萬(wàn)臺(tái)。在這些發(fā)達(dá)國(guó)家洗衣機(jī)的普及率已經(jīng)非常高,在當(dāng)時(shí)日本的普及率約為99%,美國(guó)也達(dá)到了72%,西德89%,法國(guó)75%。國(guó)外的洗衣機(jī),美國(guó)的一般采用攪拌式,歐洲一般用滾筒式,而日本一般采用波輪式,除此之外,其他國(guó)家還有一些噴流式、震動(dòng)式。早在1965年模糊數(shù)學(xué)的奠基人美國(guó)的理&
5、#183;查德教授首先提出了模糊集合的概念,經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展,模糊數(shù)學(xué)以其強(qiáng)大的生命力,經(jīng)歷了創(chuàng)建,完善,到逐步應(yīng)用的歷程。同時(shí)借助于數(shù)理統(tǒng)計(jì)、邏輯運(yùn)算及電子計(jì)算機(jī)的綜合能力,已將模糊化推進(jìn)到使用階段,于是基于模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論及計(jì)算機(jī)控制產(chǎn)生了高新科技產(chǎn)品電腦模糊化控制洗衣機(jī)。它的出現(xiàn),為洗衣機(jī)的發(fā)展開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)嶄新的時(shí)代。2.2 國(guó)內(nèi)洗衣機(jī)的研究現(xiàn)狀我國(guó)洗衣機(jī)的生產(chǎn)二十年來(lái)大致經(jīng)過(guò)了從仿造單桶、雙桶到后來(lái)的新水流、半自動(dòng)、全自動(dòng)洗衣機(jī),再到當(dāng)今智能洗衣機(jī)的發(fā)展。在1985年,我國(guó)洗衣機(jī)產(chǎn)量在900萬(wàn)臺(tái),普及率為37%;到1990年,全國(guó)擁有洗衣機(jī)的總數(shù)約為800萬(wàn)臺(tái),普及率達(dá)到了76%。在當(dāng)
6、時(shí)我國(guó)以經(jīng)成為了洗衣機(jī)年產(chǎn)量居世界首位的國(guó)家,但是基本上是復(fù)制或翻版日本波輪式,生產(chǎn)套筒全自動(dòng)洗衣機(jī)不足十家,在當(dāng)時(shí)無(wú)論是從款式、功能、質(zhì)量、自動(dòng)化程度上均與日、美等發(fā)達(dá)國(guó)家都有很大的差距。但是中國(guó)洗衣機(jī)行業(yè)發(fā)展的相當(dāng)?shù)目?,目前無(wú)論從規(guī)模、體系、品種和數(shù)量上均創(chuàng)造了全球之最,現(xiàn)在我國(guó)洗衣機(jī)應(yīng)用國(guó)際先進(jìn)技術(shù)范圍還在不斷在擴(kuò)大,模糊洗衣機(jī)已經(jīng)問(wèn)世好多年,繼小天鵝推出了“神經(jīng)模糊”技術(shù)控制的全自動(dòng)洗衣機(jī)后,其他一些廠家的模糊洗衣機(jī)也跟蹤而上。由此可見(jiàn),我國(guó)洗衣機(jī)技術(shù)正不斷的追趕世界一流水平,不過(guò)要追上美英等發(fā)達(dá)國(guó)家尚需一段時(shí)間。3 模糊洗衣機(jī)的基本原理在洗滌衣物過(guò)程中,衣物的多少,面料的軟硬等都是模
7、糊量,所以首先做大量的實(shí)驗(yàn),總結(jié)出人為洗滌方式,從而形成模糊控制規(guī)則。根據(jù)傳感器接收的信息,洗衣機(jī)判斷出衣物多少,面料軟硬和臟污程度、臟污性質(zhì),推理作出模糊決策。從而完成注水量、洗滌時(shí)間、水流強(qiáng)弱、洗滌方式、脫水時(shí)間、排水等所有功能。模糊洗衣機(jī)的模糊推理原理圖如圖1-1所示:圖1-1 模糊洗衣機(jī)的模糊推理分析洗衣機(jī)的運(yùn)行過(guò)程可以看出,其主要被控參量是洗滌時(shí)間和水流強(qiáng)度(即電機(jī)轉(zhuǎn)速),影響這一輸出參量的主要因素是被洗衣物的臟污程度和臟污性質(zhì),這兩個(gè)量可以用水的泥性骯臟度和油性骯臟度來(lái)表示(即渾濁性質(zhì)),在洗滌過(guò)程中,油性臟污的渾濁度變化率小,泥性臟污的渾濁度變化率大。實(shí)際分析證明:輸入和輸出之間
8、很難用一定的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述,系統(tǒng)的具體條件具有較大的不確定性,其控制過(guò)程在很大程度上依賴(lài)于操作者的經(jīng)驗(yàn),用常規(guī)的控制方法難以達(dá)到理想的效果。應(yīng)用模糊控制技術(shù)就能容易解決這個(gè)問(wèn)題。本文將重點(diǎn)闡述由泥性骯臟度和油性骯臟度確定洗滌時(shí)間的模糊控制過(guò)程。4 模糊控制器4.1 模糊控制理論和技術(shù)基礎(chǔ)模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法,它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過(guò)程的一種智能控制方法。該方法首先將操作人員或?qū)<医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則,然后將來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化,將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入,完成模糊推理,將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。模糊控制原理圖如
9、圖2-1所示:圖2-1 模糊控制原理框圖4.2 定義輸入輸出量的模糊分布因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)闡述由泥性骯臟度和油性骯臟度確定洗滌時(shí)間的模糊控制過(guò)程,所以定義了以下三個(gè)語(yǔ)言變量:1、泥性骯臟度:SD(污泥少)、MD(污泥中)、LD(污泥多)。隸屬函數(shù)如下所示(為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),所有的模糊子集都選取三角形隸屬度函數(shù)):2、油性骯臟度:NG(油污少)、MG(油污中)、LG(油污多),隸屬函數(shù)如下所示:3、洗滌時(shí)間:VS(很短)、S(短)、M(中等)L(長(zhǎng))、VL(很長(zhǎng))。隸屬函數(shù)如下所示:4.3 建立模糊控制規(guī)則 根據(jù)人的操作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊規(guī)則,模糊規(guī)則設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)為:“污泥越多,油脂越多,洗滌時(shí)間越長(zhǎng)”;“污泥適
10、中,油脂適中,洗滌時(shí)間適中”; “污泥越少,油脂越少,洗滌時(shí)將越短”。 污泥和油脂各分為三檔,進(jìn)行組合搭配后,可設(shè)立九條模糊控制規(guī)則,如表1所示。表1 模糊洗衣機(jī)的洗滌控制規(guī)則表4.4 模糊推理和清晰化處理由于篇幅限制,模糊推理就不贅述了。本文采用最大隸屬度法計(jì)算模糊量清晰化后的數(shù)值。5 實(shí)驗(yàn)仿真用一個(gè)二維Mamdani型模糊控制器實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)的模糊控制,建立一個(gè)FIS編輯器界面,其中包含兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出,分別為D(泥性骯臟度)、G(油性骯臟度)和T(洗滌時(shí)間),F(xiàn)IS編輯器如圖3-11所示:圖 洗衣機(jī)的FIS編輯器洗衣機(jī)FIS編輯器輸入、輸出變量隸屬度函數(shù)編輯:圖 輸入量
11、D的MF編輯器圖 輸入量G的MF編輯器圖 輸出量T的MF編輯器 圖 洗衣機(jī)的Rule編譯器至此,洗衣機(jī)的FIS設(shè)計(jì)、編輯工作全部完成。下面來(lái)觀測(cè)模糊推理的過(guò)程: 圖 洗衣機(jī)Rule觀測(cè)窗輸入、輸出變量之間的整體相關(guān)情況如圖3-14所示:圖 洗衣機(jī)輸出曲面觀測(cè)窗 可以看出,輸出t是和兩個(gè)輸入變量的函數(shù),由于只有兩個(gè)輸入,控制器的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,曲面比較光滑,不過(guò)控制器的設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步改進(jìn),但是基本的設(shè)計(jì)思路和方法都已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)了。5. 系統(tǒng)仿真設(shè)被控對(duì)象為6 總結(jié)模糊控制是一種非線性的控制方法,主要針對(duì)那些無(wú)法取得數(shù)學(xué)模型或數(shù)學(xué)模型相當(dāng)粗糙的系統(tǒng)。首先要對(duì)被控對(duì)象按照人們的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出模糊規(guī)則,采用模糊量,借助單片機(jī)對(duì)這些信息按照模糊規(guī)則轉(zhuǎn)換為控制量,來(lái)完成自動(dòng)控制。近年來(lái),模糊控制在家用電器控制中得到較廣泛的應(yīng)用,采用模糊控制的洗衣機(jī),可具有自動(dòng)識(shí)別衣質(zhì)、衣量、臟污程度、臟污性質(zhì)、自動(dòng)決定水量、自動(dòng)投入恰當(dāng)?shù)南礈靹┑裙δ?,不僅實(shí)現(xiàn)了洗衣機(jī)的全面自動(dòng)化,也大大提高了洗衣的質(zhì)量,具有很強(qiáng)的
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