采用模糊控制的全自动洗衣机

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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 。为了测出衣质衣量 ,先 加入一定的水并让电机转动 ,突然切断电源 ,由于惯性作用 电机会维持短时间旋转 。此时电机处于发电机状态 ,会产生 一定感应电势并逐渐衰减到零 。由于衰减速率与布阻抗有 一定的线性关系 ,通过对定子绕组两端电热进行整流和检 测 ,经光电隔离后形成脉冲 ,脉冲信号多则布阻抗小 ,反之亦 然 。经过几次测量就可以判断出布阻抗 ,通过模糊推理得出 衣质及衣量 。 3. 4 水温传感器
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山 西 电 子 技 术 2008 年
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 。
图 6 模糊控制洗衣机软件流程图
6 仿真结果
山西电子技术 应用实践
2008 年第 3 期
采用模糊控制的全自动洗衣机
李卫东
(山西省专业技术人员服务中心 ,山西 太原 030013)
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 MA TLAB 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 中图分类号 : TP273. 4 文献标识码 :A
0 引言
模糊控制是一种非线性的控制方法 ,主要针对那些无法 取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统 。首先要对被控 对象按照人们的经验总结出模糊规则 ,采用模糊量 ,借助单 片机对这些信息按照模糊规则转换为控制量 ,来完成自动控 制 。近年来 ,模糊控制在家用电器控制中得到较广泛的应 用 ,采用模糊控制的洗衣机 ,可具有自动识别衣质 、衣量 、脏 污程度 、脏污性质 、自动决定水量 、自动投入恰当的洗涤剂等 功能 ,不仅实现了洗衣机的全面自动化 ,也大大提高了洗衣 的质量 ,具有很强的实用性和较好的发展前景[1 ,2 ] 。
原理是将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔气体变 化的压力 ,驱动内腔上方的一块隔膜移动 ,带动隔膜中心的 磁芯在某线圈内移动 ,从而线圈电感发生变化 。由此引起谐 振电路的固有频率随水位变化 。 3. 2 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 。 3. 3 衣质衣量传感器
1 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 、脏污程度 (即水的浑浊度) 、脏污性质 (浑浊度 变化率) ;输出量为洗涤剂量 、水位 、水流 、脱水时间 、洗涤时 间 、漂洗方式等 。从洗衣机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 间与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和浑浊度变化率来表 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 、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 。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[3] :
图 2 浑浊度模糊化函数图 2. 1. 2 浑浊度变化率模糊化 :将浑浊度变化量分为零 、小 、 中 、大四个模糊子集 ,论域为 (0 ,1 ,2 ,3) ,其隶属度函数如图 3 : 2. 1. 3 洗涤时间的模糊化 :将时间划分为短 、较短 、标准 、较 长 、长五个模糊子集 ,论域为 (0 ,1 ,2 ,3 ,4) ,其隶属度函数如 图4:
[ 5 ] 杜志勇 ,张德升 ,孙平. 全自动洗衣机模糊控制系统的 设计与实现[J ] . 河南职技师院学报 ,2001 ,29 (3) .
[6 ] 戎月莉. 计算机模糊控制原理及应用 [ M ] . 北京 :北京 航空航天大学出版社.
[ 7 ] Hossein S , Zadeh. Membership Function Optimisation of a Fuzzy Biblioteka Baiduogic Controller for a Non2linear System [ J ] . Fuzziness and Knowledge2Based Systems ,2001 ,9 (6) .
收稿日期 :2008 - 03 - 18 作者 李卫东 男 42 岁 高级工程师
第 3 期 李卫东 :采用模糊控制的全自动洗衣机
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图 3 浑浊度变化率模糊化函数图
图 4 洗涤时间模糊化函数图 除此 之 外 , 衣 量 、衣 质 等 均 为 模 糊 量 , 在 此 不 一 一 重 述[7] 。 2. 2 模糊规则与模糊推理 1) 洗涤时间的模糊规则如表 1 :
所谓模糊化 ,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[6 ] 。 2. 1. 1 浑浊度模糊化 :将浑浊度划分为特清 、清 、较清 、中 、 较混 、混 、特混七个模糊子集 ,论域为 (0 ,1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6) 其隶 属度函数如图 2 :
通过 MA TLAB 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。
7 结论
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[10 ] 。
参考文献 [ 1 ] Krassimir T , Atanassov , Nikolai G , et al. Remark on
Two Operations Over Intuitionistic Fuzzy Sets[J ] . Fuzzi2 ness and Knowledge2Based Systems ,2001 ,9 (1) .
3 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[9 ] 。 3. 1 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 。谐振式水位传感器是利 用电磁谐振电路 LC 作为传感器的敏感元件 ,将被测物体的 变化转变为 LC 参数的变化 ,最终以频率参数输出 。其工作
[2 ] Pxvlica Vladinir , Petrovacki Dusan. About Simlp Fuzzy Control and Fuzzy Control Based on Fuzzy Relational E2 quations[J ] . Fuzzy Set and System ,1999 (1) :41 - 47.
图 1 洗衣机模糊控制框图 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 。
2 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[4 ,5 ] 。 2. 1 变量的模糊化与隶属度函数
图 5 模糊控制洗衣机硬件系统框图
5 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 , A T89C51 单片机是一种低功耗高性能的含有 4 K 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
水温检测可用热敏电阻或 M TS102 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 M TS102 线性好 ,温度敏感 ,水温检测常选用它 。
4 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 A T89C51 ,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 。
[ 3 ] 卢永杰 ,王淑红. 基于模糊控制的全自动洗衣机 [J ] . 兰 州工业高等专科学校学报 ,2001 ,8 (1) .
[ 4 ] Antonin Dvoqak. On Preselection of Rules in Fuzzy Logic Deduction[J ] . Fuzziness and Knowledge2Based Systems , 2000 ,8 (5) .
表 1 洗涤时间模糊规则表
浑浊度 浑浊度变化率
特清

较清

较浑

特浑

短 短 较短 标准 标准 较长 长

较短 较短 标准 标准 较长 较长 长

标准 标准 标准 较长 较长 长 长

较长 较长 较长 较长 长 长 长
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 。
2) 洗涤剂量由衣量 、浑浊度决定 ,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 。
3) 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[8] 。
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