【文章內容簡介】 腦與傳感器系統(tǒng)的結合，足 以實現(xiàn)上述功能 ； 另外，人們對洗衣機使用方便的要求使得洗衣機的全自動化成為另一個發(fā)展方向 .因此，從世界范圍內來說，洗衣機總的發(fā)展趨勢是向微電腦，傳感系統(tǒng)，智能化、全自動化的方向發(fā)展。 控制理論發(fā)展 控制理論是與人類社會發(fā)展密切聯(lián)系的一門學科，是控制科學的核心?？刂评碚撟鳛橐婚T科學，它的產生可追溯到 18 世紀中葉英國的第一次技術革命。現(xiàn)在，隨著通訊技術及信息處理技術的迅速發(fā)展，更加推動了控制理論不斷地向前發(fā)展?？刂评碚摰陌l(fā)展過程一般可以分為三個階段 [1]。 第一階段二十世紀 4060 年代，稱為“古典控 制理論時期”； 第二階段二十世紀 60— 稱為“現(xiàn)代控制理論時期”； 第三階段二十世紀 70 年代末至今。 70 年代末，控制理論向著“大系統(tǒng)理論”和“智能控制”方向發(fā)展，前者是控制理論在廣度上的開拓，后者是控制理論在深度上的挖掘。 2 智能控制的發(fā)展與現(xiàn)狀 傳統(tǒng)控制是經典控制和現(xiàn)代控制理論的統(tǒng)稱，它們的主要特征是基于模型的控制。由于被控對象越來越復雜。其復雜性表現(xiàn)為高度的非線性，高噪聲干擾、動態(tài)突變性以及分散的傳感元件，分層和分散的決策機構、多時間尺度，復雜的信息結構等，這些復雜性都難以用精確的數(shù)學模型 (微分方 程或差分方程 )來描述。除了上述復雜性以外，往往還存在著某些不確定性，不確定性也難以用精確數(shù)學方法加以描述。然而，對這樣復雜系統(tǒng)的控制性能的要求越來越高，這樣一來，基于精確模型的傳統(tǒng)控制就難以解決上述復雜對象的控制問題。在這樣復雜對象的控制問題面前，人們將人工智能的方法和反饋控制相結合，解決復雜系統(tǒng)面臨的復雜控制系統(tǒng)的難題。 近幾十年來，自動控制技術由于人工智能、控制理論和計算機科學的交叉取得了很大的進展，形成了新的一代控制理論 — 智能控制理論。雖然，從不同的認識論和方法論出發(fā)的各類控制理論，諸如分層遞階自組織 控制、模糊控制、專家控制、腦模型控制和手動控制等竟相發(fā)展，但它們都處于探索、開拓和發(fā)展的時期，系統(tǒng)的理論體系還沒有形成。表 給出了智能控制大事年 [1]。 模糊控制技術在洗衣機中的應用 洗衣機整個工作過程的控制是由程控器實現(xiàn)的，它一般分機械式和電子式 (又稱微電腦式 )兩種。機械式程控器由微型同步電機、減速機構、凸輪機構、簧片組及相應控制機構組成 :微電腦程控器由 MCU、 穩(wěn)壓電源、監(jiān)測信號開關、震蕩器、蜂鳴器、功能鍵、顯示電路、可控硅控制電路等組成，由于它采用了無觸點控制，因此，比機械程控器的功能齊 全，結構簡單，且控制精度高，模糊邏輯在控制領域已取得了相當?shù)倪M展，運行可靠。目前，利用單片機進行模糊控制 只要 是用數(shù)字單片機組成硬件結構，而以軟件執(zhí)行模糊化，模糊推理及反模糊化工作，這種方式價格低，靈活性高，通用性強，特別適于家用消費類產品的應用 。 表 智能控制大事年表 1965 年 美國普渡大學的 教授于 60 年代中期提出的，他在 1965 年發(fā)表的論文中率先提出把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學習系統(tǒng)，這篇開創(chuàng)性論文為自動控制邁向智能化揭開了嶄新的一頁 1966 年 Mendel 于 1966 年在空間 飛行器的學習控制中應用了人工智能技術，并提出了“人工智能控制”的新概念 。同年， Leondes 和 Mendel 首次使用了“智能控制 (Intelligent control)”一詞 1971 年 Fu 發(fā)表了重要論文，提出了智能控制就是人工智能與自動控制的交叉的“二元論”思想 第一章 緒論 1974 年 1974 年英國的 Mamdani 教授首次成功地將模糊邏輯用于蒸汽機控制，開創(chuàng)了模糊控制的新方向 1977 年 Saridis 的專著出版，并于 1979 年發(fā)表了綜述文章，全面地論述了從反饋控制到最優(yōu)控制、隨機控制及自適應控制、自組織控 制、學習控制，最終向智能控制發(fā)展的過程，提出了智能控制是人工智能、運籌學、自動控制相交叉的“三元論”思想及分級遞階的智能控制系統(tǒng)框架 1984 年 Astrom 發(fā)表了論文，這是第一篇直接將人工智能的專家系統(tǒng)技術引入到控制系統(tǒng)的代表，明確地提出了建立專家控制的新概念 1984 年 Hopfield 提出的 Hopfield 網絡及 Rumelhart 提出的 BP 算法 1985 年 IEEE 在美國紐約召開了第一界智能控制學術討論會 1987 年 在美國費城由 IEEE 控制系統(tǒng)學會與計算機學會聯(lián)合召開了第一界智能控制國際會議 1992 年 美國國家自然科學基金委員會和美國電力研究院聯(lián)合發(fā)出《智能控制》研究項目倡議書 1993 年 美國 IEEE 控制系統(tǒng)學會智能控制專業(yè)委員會成立專家小組，專門探討智能控制領域“智能控制”的含義 1994 年 召開了 94IEEE 全球計算智能大會，將模糊系統(tǒng)、神經網絡、進化計算三方面的內容綜合在一起召開，這三個新學科己經成為研究智能控制的重要基礎 洗衣機的主要參數(shù) 洗衣機做為一種家電產品，需要達到的性能指標包括洗凈性能、漂洗性能、脫水性能、排水性能和磨損性能等，其各主要性能指標的實現(xiàn)最終要依 賴于洗衣過程中的各控制參數(shù)，洗衣機的主要控制參數(shù)有 : 水本身是一種洗滌劑，具有除污功能，但并非水越多去污能力就越強約用水，不同的洗衣量所用的水量也不同，但目前還不能完全做到這一點， 只能根據 衣物 量 對水位大致分級。 靜止的洗滌劑不能產生良好的洗滌效果，要把污潰從衣物表面洗除掉，并對衣物施加清洗動力，就需要洗衣機能夠執(zhí)行攪拌，搓，揉，摩擦，卷攪，翻滾等動作。洗衣機對衣物輸出的能 t大，去污效果明顯，但在某種程度上會造成衣物的損傷，因此應對不同質地，不同重 A的衣物采用不同的能 f輸出 方式，從控制的角度就表現(xiàn)為水流方式的4 不同。 衣物在洗衣機中洗滌時間過長會使衣物受到較大磨損，因此，應針對不同質地和不同衣物 量 來確定洗衣時間。 漂洗的作用在于去污和去掉殘存的洗滌劑，漂洗方式的選擇同樣與衣物 t 和衣物質地有關。 全自動洗衣機中，脫水過程是洗衣操作的最后一個過程。一般情況下，脫水時間愈長，衣物甩干程度愈強，但織物中與纖維相吸附而殘留的水分無法通過脫水方式去掉，這種類型的殘留水分的多少與衣物質地有關，同樣質地下又與重量有關，因此也應對 脫水時間分檔。 本文的內容與結構 本文的內容共分四章與結論；第一章“緒論”概括了智能控制發(fā)展過程與現(xiàn)狀；第二章“ 仿人智能溫控算法研究與分析 ”分析了 模糊控制的基本概念、控制系統(tǒng)結構與基本算法，最后引出模糊智能控制洗衣機算法， 并通過 MATLAB 仿真其階躍響應特性；第三章“ 洗衣機控制板的模糊控制硬件設計 ” 分析了系統(tǒng)的組成和基本工作原理等、介紹了詳細的電路組成和實現(xiàn)；第四章“ 洗衣機控制板的模糊控制的軟件設計 ”著重介紹了 洗衣機控制板的模糊控制 算法的軟件實現(xiàn)、軟件實驗平臺的結構及相關的技術問題、系統(tǒng)主程序與 各應用模塊子程序的編寫；最后在“結論”部分對本課題研究工作進行總結，并對今后的工作提出改進建議。 第二章 洗衣機控制板的模糊控制理論 第二章 洗衣機控制板的模糊控制 理論 概論 模糊邏輯 是 FuzzyL ogic 的中文譯意，它有別于傳統(tǒng)邏輯和數(shù)理邏輯。傳統(tǒng)邏輯和數(shù)理邏輯一般用于解決精確問題，但對于很多實際問題 (如語言學，心理學，社會科學等 )它們則顯得“力不從心”，模糊邏輯卻適于這些問題的求解。模糊邏輯通過隸屬函數(shù)恰當?shù)孛枋鍪挛锏哪：裕丫哂心：F(xiàn)象和模糊概念的事物處理成精確的東西。 1963 年，美國的自動控制理論專家扎德 ()在加州大學提出的模糊集合理論標志著模糊邏輯的誕生 :1974 年，倫敦的 QueenM ary 學院的馬丹尼 ()首次用模糊邏輯和模糊推理實現(xiàn)了第一個實驗性的蒸汽機控制，并取得了比傳統(tǒng)控制更好的效果，從而宣告了模糊控制的問世 .本章主要對設計過程中用到的一些模糊邏輯和模糊控制中的理論做了一些簡單的介紹，以為后面的設計工作打下理論基礎。 模糊集合和隸屬度 函數(shù) 模糊集合 為了描述具有模糊性的事物，人們引入了模糊集合的概念。模糊集合是模糊理論的基礎，可簡單地表述為 :一般而言， 在不同程度上具有某種特定性質的所有元素的總和稱為模糊集合。 [3] 在模糊理論中，對模糊性的描述是通過隸屬函數(shù)實現(xiàn)的 .隸屬函數(shù)是模糊數(shù)學中最荃本和最重要的概念 .在定義隸屬函數(shù)之前，先給出特征函數(shù)的概念 : 對于給定論域 U 的子集 A，映射 ? ?1,0: ?UA? 定義為 : ??? ??? AAA ???? 01)( 則稱 A? 為集合 A 的特征函數(shù)，它說明論域 U 中的每個二值函數(shù) A? 對應于一個集合 A。 隸屬函數(shù)的定義 ： 用于描述模糊集合，并在 [0， 1]閉區(qū)間可以連續(xù)取值的特征函數(shù)叫做隸屬函數(shù)。隸屬函數(shù)用 A? 表示，其中 A 表示模糊集合 A，而 x 是 A 的元素。隸屬函數(shù)滿足 1)(0 ?? ??A 。 隸屬函數(shù)的確定并沒有統(tǒng)一的方法，用不同的方法所確定的隸屬函數(shù)并不同，一個隸屬函數(shù)的準確與否主要是看它與實際是否相一致。隸屬函數(shù)的確定方法有很多種 ，在實際應用中，較多采用統(tǒng)計法，它是對模糊性事物的可能性程度進行統(tǒng)計的一種方法 。 6 模糊 關系和 模糊矩陣 首先給出模糊關系的定義 : 以集合 A 和 B 的直積 A B，即 },|),{( BbAabaBA ???? 作為論域的一個模糊子集 R ，稱為集合 A 到 B 的模糊關系，可記為 BAR ?? 。 若BAba ??),( ，則稱 ),( baR? (簡記為 ),( baR ) 為 (a,b)具有關系 R 的程度。 模糊矩陣用于表示模糊關系 R ，本質上二者是一致的，因此，也用 R 來表示模糊矩陣 。 定義模糊矩陣如下 : 設存在有限集 },{ 21 naaaA ?? ， },{ 21 nbbbB ?? ，則 A B 中的模糊關系 R 可表示為m n階矩陣 ： ????????????),(),(),(),(),(),(),(),(),(212221212111nmmmnnbaRbaRbaRbaRbaRbaRbaRbaRbaR??????? 此矩陣稱為模糊矩陣用 ),(jiji aaRr ?表示模糊矩陣中的元素，則模糊矩陣表示為：nmijrR ?? )( 。 模糊語言和模糊條件句 廣義上講，一切具有模糊性的語言都可稱為模糊語言，它包括自然語言和數(shù)學上的模糊語言。狹義的模糊語言是指數(shù)學上的模糊語言，由于它可用于研究語言的模糊性和推理，因此在模糊控制中具有極為重要的地位 。 由于 在 模 糊控制中所使用的控制規(guī)則是人們在實際工作中的經驗總結，因此它們一般是用人們的語言來表達的，即模 糊控制規(guī)則是用模糊語言表示的，所以在模糊語言中 ，語言變 量 是一個相當重要的概念，其定義如下 ： 語言變 量 是由一個五元體 (N， T (N)， U， M， G )來表征的變量，其中各個元素的意義為 ： (1 )N 是變 量 名稱，即單詞 X,如年齡，高矮，顏色，體積等。 (2)T(N)是 N 的語言變量真值的集合，每個語言真值都是 U 上的模糊集合。 T(N )的 元 素可分為原始項和合成項兩類，原始項是表示語言真值的最小單位，如少 年 ， 老年等 :合成項則可由原始項和語氣算子、否定詞、聯(lián)結詞等組成。 (3)U 是 N 的論域。 (4)M 是詞義規(guī)則 ，詞義用 )(xM 表示， UxM ?)( 。詞義規(guī)則 M 規(guī)定了 U 中元素 y對 )(xM 的隸屬度 。 (5) G 是詞法規(guī)則，它規(guī)定原則詞，即原始項構成合成項之后的詞義變化，如在組成合成詞時，要用到聯(lián)結詞“且”，則語法規(guī)則為 ： 第二章 洗衣機控制板的模糊控制理論 BABA ??? ??且 模糊控制規(guī)則的表現(xiàn)形式一般可用三種條件語句形式表示。在模糊條件語句中其前提部分稱為前件，結論部分則為后件。 .“ if A then B” 型 設有論域 X， Y，若存在 X Y 上的二元模糊關系 BAR ?? ，則隸屬函數(shù)為))()(())(1(),(),( yxxyxyx BAABAR ????? ????? ?， 其中 : XA? ， YB? 。 用模糊矩陣可表示為 BAAR C ?? ? 。 .， “ if A then B else C” 語句 設有論 域 X， Y， Z， XA? ， YB? ， YC? 則有二元模糊關系 )()( CABAR C ???? 的隸屬函數(shù)為 ： )]())(1[()]()([),( yxxxyx CABAR ????? ????? 用模糊矩陣可表示為 )()( CABAR C ??? ? 。 . “ if A and B then C” 語句 設有論域 X， Y， Z， XA? ， YB? ， ZC? 則有三元模糊關系 CBAR ??? )( 的隸屬函數(shù)為 ： )()()()()]()([),( yyxzyxzyxCBACBAR ??????? ?????? 用模糊矩陣表示為 CBAR ??? 。