【正文】 cture of fuzzy control Automatic washing machine、 The inpt variable and output variableof controller is determined ， then the membership function of in— put variable and output variable is designed、 Rules repositorybased on orthogonal experiments is set up、 The design philoso— phy of software an d fuzzy reasoning program flow chat are pro— vided here． Keywords： Fuzzy control methods ； Single chip microputerAutomatic Washing Machine 1 緒論 模糊控制的介紹 模糊控制的定義及特點 模 糊邏輯控制 (Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制 (Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏 輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。 模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它是以模糊數(shù)學(xué)﹑模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，采用計算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)控制系統(tǒng)。無疑，模糊邏輯控制系統(tǒng)是一種典型的智能控制系統(tǒng)，在控制原理上它應(yīng)用模糊集合論﹑模糊語言變量和模糊邏輯推理的知識，模擬人的模糊思維方法，對復(fù)雜的過程進(jìn)行控制。模糊邏輯從含義上比其他傳統(tǒng)邏輯更接近人類的思想和 自然語言。實際上，模糊邏輯控制是利用模糊邏輯建立的一種“自由模型”的非線性控制算法，特別是在那些采用傳統(tǒng)定量技術(shù)分析過于復(fù)雜的過程﹑或者提供的信息是定性﹑非線形控制的效果是相當(dāng)明顯的。主要不同之處在于控制器采用了模糊控制器。模糊控制的一大特點是既具有系統(tǒng)化的理論，又有著大量實際應(yīng)用背景。近 20 多年來，模糊控制不論從理論上還是技術(shù)上都有了長足的進(jìn)步，成為自動控制領(lǐng)域中一個非?；钴S而又碩果累累的分支。 模糊控制是一種基于規(guī)則的控制。 由工業(yè)過程的定性認(rèn)識出發(fā)，比較容易建立語言控制規(guī)則，因而模糊控制對那些數(shù)學(xué)模型難以獲取、動態(tài)特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。模糊控制器 (Fuzzy Controller，即FC)獲得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特點： (1)模糊工程的計算方法雖然是運(yùn)用 模糊集理論 進(jìn)行的迷糊算法，但最后得到的控制規(guī)律是確定性的、定量的條件語句。 (3)與傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊控制系統(tǒng)依賴于行為規(guī)則庫，由于是用自然語言表達(dá)的規(guī)則，更接近于人的思維方法和推理習(xí)慣，因此，便于現(xiàn)場操作人員 的理解和使用，便于人機(jī)對話，已得到更有效的控制規(guī)律。從控制角度看，它實際上是一個由很多條件語句組成的軟件控制器。迷糊推理硬件的研制與模糊計算機(jī)的開發(fā)，使得計算機(jī)將像人腦那樣隨心所欲地處理模棱兩可的信息，協(xié)助人們決策和進(jìn)行信息處理。各種模糊產(chǎn)品充滿了日本、西歐和美國市場，如模糊洗衣機(jī)、模糊吸塵器和模糊攝像機(jī)等等，模糊技術(shù)幾乎變得無所不能，各國都爭先開發(fā)模糊新技術(shù)和新產(chǎn)品。模糊芯片也已研制成功且功能不斷加強(qiáng)，成本不斷下降。模糊開發(fā)軟件包也充滿市 場。隨著其它學(xué)科新理論、新技術(shù)的建立和發(fā)展，模糊理論的應(yīng)用更加廣泛。模糊理論在其它學(xué)科技術(shù)的推動下，正朝著更加廣泛的方向發(fā)展。但由于模糊規(guī)則是人們對過程或?qū)ο竽：畔⒌臍w納，對高階、非線性、大時滯、時變參數(shù)以及隨機(jī)干擾嚴(yán)重的復(fù)雜控制過程，人們的認(rèn)識往往比較貧乏或難以總結(jié)完整的經(jīng)驗，這就使得單純的模糊控制在某些情況下很粗糙，難以適應(yīng)不同的運(yùn)行狀態(tài)，影響了控制效果。 模糊控制展望 ： 模糊系統(tǒng)理論還有一些重要的理論課題還沒有解決。大體說來，在模糊控制理論和應(yīng)用方面應(yīng)加強(qiáng)研究的主要方向為： (1)適合于解決工程上普遍問題的穩(wěn)定性分析方法，穩(wěn)定性評價理論體系；控制器的魯棒性分析，系統(tǒng)的可控性分析和可觀性判定方法等。 (3)模糊控制器參數(shù)最優(yōu)調(diào)整理論的確定，以及修正推理規(guī)則的學(xué)習(xí)方式和算法等。 (5)模糊預(yù)測系統(tǒng)的設(shè)計方法和提高計算速度的方法。 (7)模糊控制算法改進(jìn)的研究：由于模糊邏輯的范疇很廣，包含大量的概念和原則；然而這些概念和原則能真正的在模糊邏輯系統(tǒng)中得到應(yīng)用的卻為數(shù)不多。 (8)最優(yōu)模糊控制器設(shè)計的研究：依據(jù)恰當(dāng)提出的性能指標(biāo)，規(guī)范控制規(guī)則的設(shè)計依據(jù)，并在某種意義上達(dá)到最優(yōu)。 在短短 20 多 年時間里，模糊控制得到長足發(fā)展。模糊控制系統(tǒng)易于接受，設(shè)計簡單，維護(hù)方便，而且比常規(guī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，魯棒性高。 模糊控制存在的主要問題 迄今為止，模糊控制技術(shù)已對我國的工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、交通等眾多領(lǐng)域產(chǎn)生了重要影響，特別是模糊家電產(chǎn)品的 更是普及了大眾對模糊控制技術(shù)的認(rèn)識。 常規(guī)模糊控制的兩個主要問 題在于： 認(rèn)為模糊隸屬度函數(shù)的確定具有主觀臆斷性和認(rèn)為經(jīng)驗技巧色彩， 至今它還沒有完善的系統(tǒng)分析手段 ，因而是不可靠的；模糊控制的規(guī)則 的獲取以及輸入模糊變量論域和隸屬函數(shù)的確定還都是實驗分析和操作人員經(jīng)驗的匯總，受人為主觀因素影響較大， 主要是專家的經(jīng)驗法和觀察法，但這些方法主觀性較強(qiáng)，不非常成熟，有待進(jìn)一步研究。同時，也許也正因為它的不完善和正在發(fā)展，顯示了它有很大的發(fā) 展?jié)摿颓巴尽?近年來 , 日本將這一思想引入家用電器的控制之中 , 形成了所謂“ 模糊家電” 本文淪及的是“ 模糊洗衣機(jī)” 。首先要對被控對象按照人們的經(jīng)驗總結(jié)出模糊規(guī)則 ,采用模糊量 ,借助單片機(jī)對這些信息按照模糊規(guī)則轉(zhuǎn)換為控制量 ,來完成自動控制。 。 目前，利用單片機(jī)進(jìn)行模糊控制有兩種形式：一種是用數(shù)字單片機(jī)組成硬件結(jié)構(gòu)，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(qiáng)，應(yīng)用范圍廣，特別適于家用消費類產(chǎn)品的應(yīng)用；另一種則是專門執(zhí)行模糊邏輯信號處理的器件一模糊單片機(jī)，在模糊單片機(jī)中，模糊化、推理和反模糊化都是由硬件執(zhí)行的，因此，它的模糊推理速度相當(dāng)高，但它內(nèi)部的隸屬函數(shù)形狀，規(guī)則條數(shù)，推理方式都是固定的，靈活性不足，且價格相當(dāng)昂貴。 采用模糊控制電路的全自動洗衣機(jī)是一種新型的多功能家用電器 , 它集微電腦技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感技術(shù)、工業(yè)造型設(shè)計等技術(shù)于一體。與電腦程控型全自動洗衣機(jī)相比 , 模糊控制型洗衣機(jī)具有許多優(yōu)點 : 首先 , 它應(yīng)用布質(zhì)、布量的檢測結(jié)果 , 通過模糊推理 , 自動確定洗衣水位和水流強(qiáng)度 。 第三 , 具有自動斷電、報警保護(hù)、故障檢測顯示等功能 。本文著重介紹如何將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于洗衣機(jī)的檢測、控制及具體的實現(xiàn)方案。輸出量為洗滌劑量、水位、水流、脫水時間、洗滌時間、漂洗方式等。實際分析證明 :輸入與輸出之間很難用一定的數(shù)學(xué)模型來描述 ,系統(tǒng)的具體條件具有較大的不確定性 ,其控制過程在很大程度上依賴于操作者的經(jīng)驗 ,用常規(guī)的控制方法難以達(dá)到理想的效果。因而采用了模糊控制器設(shè)計全自動洗衣機(jī)。再根據(jù)檢測系統(tǒng)檢測到的信息 ,判斷出衣物多少、面料軟硬、臟污程度、臟污性質(zhì)等 ,計算出控制量 ,從而完成注水量、洗滌時間、水流強(qiáng)弱、洗滌方式、脫水時間、排水等一系列的設(shè)置。 本課題的意義及來源 隨著現(xiàn)代社會生活節(jié)奏的不斷加快和人們生活水平的不斷提高，人們對各種方便、快捷的家用電器需求量越來越大，洗衣機(jī)作為人們提高生活效率，追求生活質(zhì)量的基本條件，也愈來愈成為不可或缺的生活用具 . 在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，洗衣機(jī)的普及率已達(dá)到相當(dāng)高的程度，但由于現(xiàn)階段國情，洗衣機(jī)在我國的普及程度較低，農(nóng)村更甚。 洗衣機(jī)技術(shù)發(fā)展日新月異，產(chǎn)品類型眾多，但從總體來看，人們對洗衣機(jī)的基本要求應(yīng)是 :省時、省水、省電，磨損率小，操作方便，功能完善等。目前存在的洗滌方式有波輪式 (又稱渦卷式 )、攪拌式、滾筒式、噴流式、噴射式和超聲波式等多種，在我國比較普及的洗滌方式是波輪式，超聲波式洗滌方式則代表著國際上的發(fā)展方向。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是嵌入式技術(shù)的發(fā)展，使微電腦的功能日益強(qiáng)大，微電腦與傳感器系統(tǒng)的結(jié)合，足以實現(xiàn)上述功能 。 本課題的目的就是設(shè)計一種比較合理的全自動洗衣機(jī)模糊控制器，這種采用模糊控制 的全自動洗衣機(jī)能夠自動判斷被洗衣物的重量輕重、質(zhì)料軟硬，自動檢測洗衣桶內(nèi)水的臟污程度和污漬性質(zhì) (油污或泥污 )；能自動預(yù)選水位、水流強(qiáng)度和洗滌時間，并能進(jìn)行衣物偏置的自動糾正等，也應(yīng)該能在整個洗滌過程中實施監(jiān)控，并適時調(diào)整這些運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到最佳的洗滌效果。 一般衣服質(zhì)料纖維可分為兩大類：自然纖維的棉織品和人造化學(xué)纖維織品。 且面制品的吸水性比化纖制品強(qiáng)，因此，同樣多的衣物、同樣的污垢程度和污染性質(zhì)，洗面制品時要水多放一點、洗的時間長一點。水的硬度用肥皂時也會影響洗滌效果，但影響最大的還是水的溫度， 在一定的 水溫范圍內(nèi)，水溫越高，洗滌效果越好。 衣物能否洗干凈，與用水量的多少關(guān)系很大。水溫對洗滌效果的影響也是很大的，水溫升高，洗滌效果會有所提高 。一般是根據(jù)表面活性劑在水溶液中能否分解為離子，又將其分為離子型表面活性劑和非離子型 表面活性劑的兩大類。 不同的洗滌劑還會添加各種不同的輔助劑、酵素、熒光增白劑、香料等。洗衣機(jī)對衣物輸出的能量大，去污效果明顯，但在某種程度上會造成衣物的損傷，因此應(yīng)對不同質(zhì)地，不同重量的衣物采用不同的能量輸出方式，從控制的角度就表現(xiàn)為水流方式的不同。因此這兩種表面活性劑就成了衣物洗滌劑的主要材料。溫度過低時，洗滌劑發(fā)揮不出很好的功效；溫度過高時，會殺死洗滌劑的活性。洗滌劑的產(chǎn)品種類很多，基本上可分為肥皂、合成洗衣粉、液體洗滌劑、固體狀洗滌劑及膏狀洗滌劑幾大類。脫水時間： 全自動洗衣機(jī)中，脫水過程是洗衣操作的最后一個過程。 3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 衣量衣質(zhì)檢測 要對洗衣機(jī)進(jìn)行控制，首先要用各種傳感器不斷的檢測相關(guān)的狀態(tài)，以作為控制的依據(jù)。下面介紹在模糊控制洗衣機(jī)中所用各種參數(shù)的檢測原理和技術(shù)，在檢測中要用到負(fù)載傳感器、水位傳感器和光電傳感器等。 這可用不同的方法實現(xiàn)。 目前，一般是用動態(tài)的時間間接測量方法，這是通過檢測電動機(jī)負(fù)載來實現(xiàn)的。 在這里，以計量電動機(jī)斷電后的反電動勢的大小以及波形來測量。 衣 質(zhì)和衣 量檢測電路如圖 2 所示。在主電機(jī)斷電慣性旋轉(zhuǎn)時間內(nèi) , 主電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài) , 會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 輸出。因此 , 只要檢測出主電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的時間長短 ,就可以反過來推理出布阻抗的大小。 圖 31 反電勢法測量 衣 質(zhì)、 衣 量電路 主電機(jī)發(fā)電時間可直接通過檢測起動電容兩端輸出電勢 , 并將此電勢半波整流后 , 由光電隔離后放大整形為一矩形脈沖系列的脈沖數(shù)而定。 據(jù)此通過模糊推理即可得到布量 。 單片機(jī) u ～ +5 R1 R2 VD C ～ 220V 圖 32 (a) 衣 量 的檢測方法 （衣量較多） 反電動勢 電機(jī)送電 電機(jī)斷電 整形脈沖 時間 t/s 圖 32 (b) 衣 量 的檢測方法（衣量較少） 質(zhì)料檢測 包括面制品與化纖制品的區(qū)分和柔軟布料與粗厚布料的區(qū)分。 反電動勢 整形脈沖 電機(jī)送電 電機(jī)斷電 時間 t/s 圖 33 面制品與化纖制品辨