模糊控制論文

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)還稱不上是全自動(dòng)的，最多只能稱為半自動(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瑥亩孔詣?dòng)地完成整個(gè)洗染過程。由于洗滌程序是通過模糊推理而決定的，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)可以說是真正的全自動(dòng)洗衣機(jī)。在整個(gè)控制過程中，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)自問世以來，經(jīng)過一個(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，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)來說，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)模型的控制問題，采用模糊控制技術(shù)，可以很方便的控制洗衣干衣過程。模糊控制全自動(dòng)滾筒洗衣干衣機(jī)是通過模糊推理找出最佳洗滌烘干方案，以優(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)國內(nèi)空白，達(dá)到國際先進(jìn)水平。它的研制成功，必將大大推動(dòng)我國乃至世界洗衣機(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 國外洗衣機(jī)的研究現(xiàn)狀80年代以來，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3000萬臺(tái)/年，日本年產(chǎn)約為465萬臺(tái)，美國的年產(chǎn)量約為625萬臺(tái)。在這些發(fā)達(dá)國家洗衣機(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%，美國也達(dá)到了72%，西德89%，法國75%。國外的洗衣機(jī)，美國的一般采用攪拌式，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)的奠基人美國的理&

5、#183;查德教授首先提出了模糊集合的概念，經(jīng)過近三十年的發(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)展開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的時(shí)代。2.2 國內(nèi)洗衣機(jī)的研究現(xiàn)狀我國洗衣機(jī)的生產(chǎn)二十年來大致經(jīng)過了從仿造單桶、雙桶到后來的新水流、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，我國洗衣機(jī)產(chǎn)量在900萬臺(tái)，普及率為37%；到1990年，全國擁有洗衣機(jī)的總數(shù)約為800萬臺(tái)，普及率達(dá)到了76%。在當(dāng)

6、時(shí)我國以經(jīng)成為了洗衣機(jī)年產(chǎn)量居世界首位的國家，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)國家都有很大的差距。但是中國洗衣機(jī)行業(yè)發(fā)展的相當(dāng)?shù)目?，目前無論從規(guī)模、體系、品種和數(shù)量上均創(chuàng)造了全球之最，現(xiàn)在我國洗衣機(jī)應(yīng)用國際先進(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，我國洗衣機(jī)技術(shù)正不斷的追趕世界一流水平，不過要追上美英等發(fā)達(dá)國家尚需一段時(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表示(即渾濁性質(zhì))，在洗滌過程中，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(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)間的模糊控制過程，所以定義了以下三個(gè)語言變量：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（為了簡單起見，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）、VL（很長）。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”；“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。下面來觀測(cè)模糊推理的過程： 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)比較簡單，曲面比較光滑，不過控制器的設(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，來完成自動(dòng)控制。近年來，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