摘 要]介绍了模糊控制这一被称为“21世纪的核心技术”的研究背景;提出了工业洗衣机模糊控制系统开
发的技术策略和设计框架;综述了模糊控制知识库的建立和模糊控制器的设计以及系统的硬件设计和软件
设计.
[关键词]工业洗衣机;模糊控制;模块化设计;多任务编程
1 研究的背景和意义
模糊数学和模糊控制的概念是加利福尼亚大学
教授扎德(L A Zadeb)在他的《Fuzzy Sets》、《Algo-
rithm》和《A Rationale For Fuzzy Control》等论著
中首先提出[1].1974年英国伦敦大学教授E H
Manidani首先应用模糊控制逻辑研制成功模糊控
制器.1979年,英国I J Procyk和E H Manidani研
制成功自组织模糊控制器,标志着模糊控制器“智能
化”程度的进一步提高.1984年年底国际模糊系统
学会成立.模糊控制理论从提出至今虽然只有20
多年,但是无论在模糊理论的算法、模糊推理决策、
工业控制应用、模糊系统集成,以及自学习、自适应
和工程应用方面都取得了长足的进步[2].
模糊控制是智能控制领域的重要发展方向,模
糊控制技术被称为“21世纪的核心技术”.模糊控制
技术进入商品化,使产品的自动化和智能化水平不
断提高.
工业洗衣机广泛应用于宾馆、饭店、医院、部队、
洗涤容量大、洗涤效率高以及洗净度高等特点,赢得
了越来越大的市场.
对工业洗衣机模糊控制系统的研制与开发,旨
在进一步提高其自动化、智能化程度,将给工业洗衣
机以更强大的生命力.系统的研制开发是以XGQ-
25型全自动洗涤脱水机为原型机,实现洗涤过程的
模糊控制.原型机是程序控制洗涤脱水机,用户根
据不同洗涤物的布质、布量、脏污状况凭经验选择多
个功能键,决策因人而异,洗涤效果自然有差别.采
用模糊控制技术的全自动洗涤脱水机,用电脑全部
或部分代替人脑进行洗涤过程的决策,由计算机进
行模糊判断、推理和决策,并自动生成优化的洗涤方
案,使整个洗涤过程在无需人工干预的情况下自动
完成,而且可以节水、节电、省时、省心.经文献检索
确认,迄今,模糊控制工业洗衣机研制在国内外尚属
空白.因此,笔者的研制成果不仅具有重大的科学
意义,而且可以增强国产工业洗衣机的国内外市场
竞争力.
2 工业洗衣机模糊控制系统开发的技
术框架
本系统是一个多输入多输出的控制系统.主要
输入量(模糊量)有洗涤物的布质、布量、脏污程度、
脏污性质等.系统的输出量有电机转速、进水量、水
位、洗涤时间(包括过清和脱水时间)和洗涤剂投放
量等.总的设计思路是利用相应的传感器检测各种
输入量,通过转换和处理,运用各种控制模块和模糊
控制规则,经模糊计算和推理决策,确定洗涤程序和
洗涤过程中的输出量.
2.1 模糊控制器设计的框架构思
模糊控制器设计利用主要因素推理和间接推理
等方法.主要因素推理即是抓住主要因果关系,放
弃次要因果关系.例如,用布质、布量的监测数据来
推理决策水位、转速、洗涤时间等工作参数.间接推
理亦称顺序推理,即将前一种推理作为本次推理的
前提,从而引申出新的结果.例如,若洗涤剂投放量
大时,洗涤时间会相应延长.本系统对以上两种推
理方法进行综合应用而得出模糊控制规则,配以模
糊计算和推理,根据输入信息而自动生成受控的输
出量,通过正交法对原型机进行反复试验,建立和完
善知识库(包括数据库和规则库),确立理想的模糊
控制模型.
模糊控制器的基本结构框图如图1所示.模糊
控制器的控制过程分三个步骤:模糊化、模糊逻辑推
理、解模糊化判决.以上三个步骤分别在模糊控制
器状态接口(模糊化器)、模糊推理机和控制接口(解
模糊化判决)完成,从而在专家的经验或在大量实验
数据的基础上,建立被控对象的模糊控制模型.
2.2 工业洗衣机模糊控制系统硬件结构方案
硬件设计方案采用主从双CPU控制方式,由
两个CPU分别进行合理的功能分配.主机负责管
理显示模块(LED/LCD)、键盘(面板)、信号输入/输
出模块、变频器;从机负责管理温度传感器、水位传
文摘卡感器、混浊度传感器.采用主从双CPU控制方式,
有利于系统运行稳定可靠并保证响应实时性及实现
系统功能.
硬件设计遵循“模块化设计”思想,每个功能模
块在定型前都必须进行验证性实验,方案可行后再
实施,然后将各个功能模块有机地合并起来.在硬
件设计中充分考虑内外环境的干扰,采用多种抗干
扰的技术处理,保证系统的可靠性[3].
如图2所示,该系统由一块主控制板和一块信
动力电池模拟电源号输入输出(I/O)板组成.其中主控制板由主
CPU、EPROM、NVRAM、键盘、指示灯和大屏液晶
显示模板组成;信号输入输出接口控制板则由电源
模块、从CPU、温度转速模块、布质布量处理模块、
水位采样处理模块、混浊度采样模块、变频器通讯和
各种状态信号输入及继电器信号输出模块组成.
2.3 系统软件的编程思想
2.3.1 在单片机控制系统中引入基于消息的多任
务编程机制 由于采用传统的单任务编程方法不能
满足稳定性和系统相应的实时性要求,笔者借鉴
Windows环境下基于对象的多任务编程思想,在单
片机控制系统中引入基于消息的多任务机制(如图
3所示),应用多任务并发执行原理及消息驱动、响
应机制来解决单片机控制系统中基于消息的多任务
编程[4].系统软件实现工业洗衣机的各种洗涤程
序、操作功能和洗涤性能,并具有良好的实时性、稳
定性和强的抗干扰能力.
2.3.2 单片机软件抗干扰技术对策 工业洗衣机坐式安全带
的工作环境复杂.有来自系统内部、外部的各种干
扰,使微机系统常常不能正常运行,严重时会造成硬
件系统的损坏,酿成事故.在提高硬件系统抗干扰
的同时,必须强化软件系统的抗干扰设计,充分保障
系统的可靠性.软件抗干扰方面的措施主要有:1)
当程序运行混乱时可使程序重入正轨的方法;2)消
除模拟输入信号的噪音(如数字滤波技术);3)数据
的保存与恢复技术.工作重点放在重入正轨的研究
和实现上,在诸如指令冗余技术、拦截技术、软件“看
门狗”技术等方面加强研究和实施.着重防止程序
“跑飞”,并解决好系统非法复位的自恢复问题,使系
统具有故障诊断功能.
2.4 其他技术框架
2.4.1 实验分析与模糊规则的建立 洗衣机的洗
涤过程包括初洗、主洗、过清、处理等工艺程序.洗
涤的全过程为3输入5输出的控制过程,输入量为
布质、布量、脏污程度和脏污性质;输出量为水位、转
速、时间、温度.显然,这是面向多因素的工程实验,
正交实验可从多因素水平交叉搭配的全组合中优选
少数有序组,再从有限组的实验条件中获取信息,运
用方差分析以有限的信息容量来反映实验的全貌.
工业洗衣机模糊规则库是模糊控制系统研制的
关键.利用原型机对典型被洗衣物进行正交实验,
通过对实验数据的处理和分析来确定模糊规则库,
它直接反映典型洗涤物的布质、布量与洗涤转速和
水位的对应关系.根据模糊规则,通过模糊推理与
计算,采用最佳策略针对洗涤程序和洗涤参数进行
优化.
2.4.2 传感方法的拟定和传感器的选型 用以描
述洗涤状态的各种传感器的选型或自行研制,亦是
涉及开发工作成败的关键技术之一.利用传感器进
行信号采集,准确地检测出洗涤物的布质、布量、脏
污程度、脏污性质是进行正确的模糊推理的前提.
布质、布量的检测是利用洗涤物浸湿后对滚筒
产生不同的阻抗和吸水量.阻抗值并不能直接检
烷基叔丁基醚
测,而是通过一个转速传感器测量与滚筒相连的皮
带轮的转速变化来间接取得.吸水量也需间接测
量.它是在洗衣机的进水管上安装流量传感器,控
制加入一定量的水,用水位传感器测量洗涤物充分
浸透后的水位值间接推算吸水量.由于阻抗与吸水
蚕豆剥皮机量同时受布质、布量的影响,因此需对测量数据进行
专门的处理,以解开互相之间的干扰.脏污程度、脏
污性质的检测利用初洗时滚筒内水的混浊度的变化
实现,通常使用光传感器测量水的透光度得到.本
系统中采用了美国霍尼韦尔公司专用的混浊度传感
器.这是一种自带处理器的一体化传感器,可以通
过串行接口与单片机直接通信.
传感方法和传感器确定后,为了确定最佳的实
验参数,需要做大量的实验并进行计算机数据处理,
以便确定最佳算法[5].
3 结论
运用上述的技术策略研制完成的工业洗衣机模
糊控制系统、经过实验室的性能验证和在原型机上
装机联调,并经过湖北省产品质量监督总站的全面
性能检测,证明本系统具有如下特点.
1) 既可实现模糊控制全自动的洗涤程序,又
可执行手动控制程序.在执行模糊控制程序时置入
衣物,只需按一个操作键便可自动检测、自动生成优
化的洗衣程序和洗涤参数,十分便捷.
2) 界面友好.用大屏幕液晶显示器示出
洗涤过程中的每个程序名称及各个程序的模糊推理
参数和实际运行参数.
3) 系统故障检测功能完备,能实时提示各种
故障,如:水压过低、蒸汽阀故障、电机过载、排水阀
故障等.
4) 研制样机的洗净率、各项传感特性、各种模
糊输出量、各种洗涤功能均达到了我国相关的标准
和合同约定的技术要求.
5) 经连续运转和施加强电磁干扰,证明系统
健壮性好、抗干扰能力强.
6) 实现模糊控制后,样机节水12%~18%,
碟形螺母
节电7%~12%.节水、节电、省时效果良好.
今后,在此基础上,将引入人工智能专家系统和
神经网络理论进行进一步的深入开发,使系统具备
自学习、自适应功能,以实现洗涤全过程中的实时检
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议