模糊控制洗衣机

硬件系统设计
• 模糊控制的全自动洗衣机主要由单片机、检测电路、驱动电路、控制 面板和电源电路等组成。单片机采用AT89C51 ,实现对检测电路、驱 动电路、键盘及显示器阵列的控制;检测电路是应用多种形式的传感 器,实现对各种信号的检测;驱动电路由单片机的并行口输出经放大后 的信号,控制洗衣机电机的速度和方向、水的温度以及进水阀、排水 阀的通断;控制面板上设置了键盘、数码管、发光二极管,用以反映洗 衣过程的定时状态及洗涤状态等;电源电路用来提供各部分所需的电 源。
采用模糊控制的全自动洗衣机
主讲：刘玉丛
摘 要
• 将模糊智能控制引入全自动洗衣机控制系统中,根 据洗衣机工作原理和特性,重点阐述了模糊控制的 模糊规则和模糊推理,以及系统设计的硬件与软件, 并给出了该系统的硬件框图和软件流程图。在整 个控制过程中,模糊控制软件起了决定性的作用。 最后经过MATLAB 计算机仿真表明,系统的跟踪特 性和抗干扰特性优良。 • 关键词:模糊控制;传感器;浑浊度;隶属度函数
X为输入精确量(浑浊度及其变化率) ; Y为输出精确量 (洗涤时间) ; U (x) 为输入模糊量;U (y) 为输出模糊量。
模糊规则及模糊推理
• 描述输入、输出的变量都是模糊量,用模糊集合来表示,然后根据模糊 规则进行模糊推理来进行控制。因此,问题的关键在于求取模糊集合 的隶属度函数。而求取模糊集合的隶属度函数,首先要对变量进行模 糊化 。 • 所谓模糊化 模糊化,就是把变量的数值,根据变量模糊子集的隶属度函数找出 模糊化 相应的隶属度的过程。我们选用三角形函数作为模糊集合的隶属度函 数,因为它们的数学表达和运算简便,所占的内存空间小,并且与采用 其它复杂形状的隶属度函数相比,在达到控制要求方面并无大的差别 • 浑浊度模糊化:将浑浊度划分为特清、清、较清、中、较混、混、特 特清、 较清、 较混、 特清 混七个模糊子集,论域为(0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6) 其隶属度函数如图 2 :
• 浑浊度变化率模糊化:将浑浊度变化量分为零、小、中、大四个模糊 零 子集,论域为(0 ,1 ,2 ,3) ,其隶属度函数如图3 ： • 洗涤时间的模糊化:将时间划分为短、较短、标准、较长、长五个 短 较短、标准、较长、 模糊子集,论域为(0 ,1 ,2 ,3 ,4) ,其隶属度函数如图4 :
模糊规则与模糊推理
仿真结果
• 通过MATLAB 仿真,系统在给定输入的情况 下,跟踪性能优良,完全达到标准;在有干扰的 情况下,抗干扰特性良好。 • 采用模糊控制的全自动洗衣机既能洗净衣 物又能缩短洗涤时间,还可减轻衣物磨损。 模糊控制技术是家电产品发展的趋势,也是 家电产品智能化、绿色化、节能化的保证。
基本原理
• 洗衣机的自动控制系统为一多输入多输出系统,输入量为衣质、衣量、 衣质、衣量、 衣质 脏污程度(即水的浑浊度) 脏污性质(浑浊度变化率) 脏污程度(即水的浑浊度) 、脏污性质(浑浊度变化率) ;输出量为洗 洗 涤剂量、水位、水流、脱水时间、洗涤时间、漂洗方式等。从洗衣机 涤剂量、水位、水流、脱水时间、洗涤时间、漂洗方式等 的运行过程可以看出,洗涤剂量、水位、水流、脱水时间都可以通过 输入量推理求得,而洗涤时间 漂洗方式 洗涤时间与漂洗方式 洗涤时间 漂洗方式为实时控制量,影响其主要因 素是被洗物品的脏污程度,这两个量可以用水的浑浊度 浑浊度变化 浑浊度和浑浊度变化 浑浊度 率来表示,油性脏污的浑浊度变化率小,泥性脏污的浑浊度变化率大。 • 实际分析证明:输入与输出之间很难用一定的数学模型来描述,系统的 具体条件具有较大的不确定性,其控制过程在很大程度上依赖于操作 者的经验,用常规的控制方法难以达到理想的效果。而采用模糊控制 技术就能很容易解决问题。因而采用了模糊控制器设计全自动洗衣机。 在洗涤衣物的过程中,衣物的多少、面料的软硬、衣物的脏污程度等 都是模糊量,所以必须经过大量的实验,总结出人为的洗涤方式,从而 形成模糊控制规则。再根据检测系统检测到的信息,判断出衣物多少、 判断出衣物多少、 判断出衣物多少 面料软硬、脏污程度、脏污性质等,计算出控制量,从而完成注水量、 面料软硬、脏污程度、脏污性质等,计算出控制量,从而完成注水量、 洗涤时间、水流强弱、洗涤方式、脱水时间、排水等一系列的设置。 洗涤时间、水流强弱、洗涤方式、脱水时间、排水等一系列的设置。 根据上述分析和模糊控制技术的基本原理,可以确定洗衣机的模糊控 制框图如图1:
检测电路
• 检测电路主要由各类传感器组成。在洗衣过程中起决定作用的物理量 有衣量、衣质、水位、水温和浑浊度等,这些物理量都需要有适当的 传感器来获取信息,并转换成单片机能接收的电信号。 • 水位传感器 水位传感器：水位检测的精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间 等参数。对于模糊控制的洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,故常 采用谐振式水位传感器。 • 浑浊度传感器 浑浊度传感器：浑浊度传感器主要采用红外光电传感器。由红外发射 管发出一定强度的红外光,红外接收管在溶液的另一侧接收红外线。 红外线在溶液中透光性的大小就决定接收方产生光电电流的大小,光 电流经整形放大和数据处理后,就可以判断出水的浑浊程度。 • 衣质衣量传感器 衣质衣量传感器：衣质衣量的检测一般在洗涤之前。在一定水位的前 提下,衣质衣量不同,其布阻抗就不同。 • 水温传感器 水温传感器：水温检测可用热敏电阻或MTS102 半导体温度检测器。 洗衣机水温一般为4 ℃～40 ℃,在该温度范围内MTS102线性好,温度 敏感,水温检测常选用它。
软件系统设计 • 全自动洗衣机模糊控制系统的核心是软件设计部分,AT89C51 单片机 是一种低功耗高性能的含有4K 字节内存的8 位CMOS 单片机,该芯片 具有很高的性能价格比。控制软件由主程序、各种子程序和中断服务 程序组成。所有模糊推理在洗涤之前都基本执行完毕,所以,当程序判 别出洗衣机起动后,就开始进行一系列的检测和推理工作。在推理工 作完毕后进入洗涤过程。在洗涤过程中如果产生故障,系统会执行报 警。子程序主要有键处理子程序、测试子程序、进水子程序、排水子 程序、浸泡子程序、洗涤子程序、漂洗子程序、脱水子程序等。主程 序流程图如图6 。
• 洗涤Biblioteka Baidu间的模糊规则如表1 :
• 在大量模糊规则中,每条规则的适用程度是不同的,给每条规则赋以适 当的置信度,再进行模糊推理、运算。为了保证既能洗净衣物又减轻 衣物磨损,洗涤时间采取实时模糊控制。刚开始洗涤时,桶内混浊度很 小,随着被洗物品的污垢逐渐溶解脱落在水中,水的混浊度很快增大, 一直到饱和值。当浑浊度接近饱和时,可认为洗涤过程结束。 • 洗涤剂量 洗涤剂量由衣量、浑浊度决定,水流、水位、脱水时间 水流、 水流 水位、脱水时间由衣量衣质决 定,它们均可通过模糊化、隶属函数、模糊规则进行模糊推理。 • 漂洗方式 漂洗方式由衣量及洗涤结束后水的浑浊度所决定,若衣量多且浑浊度 大则采用溢水漂,否则采用盛水漂。漂洗时间及次数由漂洗过程中水 的浑浊度变化率所决定。刚开始漂洗时,注入清水,随着漂洗进行,水 由清变浑,然后达到饱和值。此时若浑浊度大于给定值,则排水脱水, 再进行注水漂洗,一直进行到浑浊度小于给定值,即水变清,此时结束 漂洗。