基于模糊控制算法的同步風擋雨刷控制器*

李云紅，張 恒，張亞林，王震亞

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

基于模糊控制算法的同步風擋雨刷控制器*

李云紅，張 恒，張亞林，王震亞

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

針對某客機風擋雨刷控制系統的設計缺陷，提出一種基于模糊控制算法的同步風擋雨刷控制器設計方案。該系統通過手動操作選擇主、從兩組風擋雨刷工作檔位，實時捕獲并記錄雨刷工作周期，將主控雨刷工作周期分量T及主控與從控雨刷的工作周期差量ΔT作為模糊控制系統的兩個輸入量，經模糊控制系統輸出主控雨刷控制信號U，實時調節主控雨刷的工作周期，從而實現兩組風擋雨刷單獨或精準地同步控制。

模糊控制;風擋雨刷；同步控制器；客機；主從控制；實時調節

1 引言

MD-90飛機的風擋雨刷原先由一個四位開關控制，后來為了提高安全性，避免因操作開關故障而使兩個風擋雨刷都不能工作，因而改為由兩個四位開關分別各自操縱一個雨刷[1-2]，由此帶來了兩組風擋雨刷無法精準同步協作的問題。針對這一設計缺陷，設計了基于模糊控制算法的同步風擋雨刷控制器。

模糊控制屬于智能控制范疇，它是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術。模糊理論作為現代信息科學的一個重要概念和方法論，它的科學性和有效性越來越引起人們的重視[3-5]。隨著模糊控制理論的完善和模糊控制技術的成熟,模糊控制器也得到了實際應用,它無需建立精確的數學模型,而是由人的經驗知識和思維進行推理。因此模糊控制技術對于難以獲得數學模型和模型粗糙的系統有獨特的控制優勢,克服了非線性因素對系統造成的影響[6-9]。

基于模糊控制算法的同步風擋雨刷控制器能夠實現MD-90客機上主、從兩組風擋雨刷分別單獨工作以及精準地同步協作。利用模糊控制技術對于難以獲得數學模型和模型粗糙系統獨特的控制優勢，克服了非線性因素對雨刷控制系統造成的影響[10]，同時在一定程度上減少計算量，提高控制器的實時控制效果。

2 基于STM 32的風擋雨刷控制器設計

基于STM32的同步風擋雨刷控制器由主控制單元、從控制單元及串行通信接口單元組成，主、從控制單元的硬件結構相同，風擋雨刷控制器原理圖如圖1所示。

圖1 風擋雨刷控制器原理圖

同步風擋雨刷控制器有兩個工作模式：主、從風擋雨刷單獨工作模式及同步協作模式。單獨工作時，主、從風擋雨刷可分別實現高速、中速、低速、停止四個檔位的切換；當主、從風擋雨刷運行過程中處于同一檔位時，系統開啟同步協作模式。基于串口通信的相關協議，主控制單元實時接收到由從控制單元發送的雨刷運轉周期數據并實時改變自身雨刷電機的轉速，從而實現主、從風擋雨刷精準地同步控制。另外，從控制單元也實時接收由主控制單元發送的雨刷位置、是否開啟同步等信號用以實現同步協作。

主、從控制單元的基本結構主要由檔位選擇模塊、STM32控制器、PWM信號調理電路、PWM調速器、雨刷電機、濾波電路、雨刷機構、串行通信接口等部件構成。其中，檔位選擇模塊用以實現風擋雨刷不同速度檔位的切換及控制器工作模式的選擇。STM32控制器根據接收到的檔位信號判斷風擋雨刷控制器的工作模式，結合串行通信接口等信息，輸出PWM（脈寬調制）信號控制雨刷電機的擺動速度，驅動雨刷機構掃除擋風玻璃上的雨水，并在同步工作模式下控制主、從風擋雨刷精準地同步協作。

3 模糊控制算法設計與實現

3.1 采集數據處理

通過實驗測得在風擋雨刷控制器輸入檔位不同時，主控風擋雨刷擺動一周所需的時間（工作周期），并且從大量的實驗數據中抽出具有代表一般性的一組數據如表1所示。

表1 主控雨刷工作周期T（單位：s）

表1中分別給出了主控雨刷在高速、中速、低速檔位時工作周期T的20個數據。由表格1可以發現，當主控雨刷處于高速檔位時，其工作周期T（單位：s）集中分布于[1.7,2.0]區間；中速檔位時，其工作周期T（單位：s）集中分布于[2.3,2.6]區間；低速檔位時，其工作周期T（單位：s）集中分布于[2.8,3.2]區間。

實驗又測得從控風擋雨刷的工作周期數據，并計算主控與從控雨刷工作周期差量ΔT，發現ΔT（單位：s）集中分布于[-0.6,0.6]區間。令T和ΔT作為模糊控制器的兩個輸入，設定控制規則，即得到模糊控制器。

3.2 模糊控制器設計

首先對模糊控制器的兩個輸入量T與ΔT進行模糊化，由于主控雨刷工作周期分量T的取值范圍是（1.7,3.2），主控與從控雨刷工作周期差量ΔT的取值范圍是（-0.6,0.6），為了簡化算法，分別將T與ΔT的取值范圍對應轉化為（0,1）與（-1,1），以此作為兩個輸入模糊集合，U則設定為主控雨刷輸出控制信號的模糊集合。μ（T）和μ（ΔT）作為輸入隸屬度函數。T的隸屬度函數為：

μmin（T），μmid（T），μmax（T）分別表示為：

ΔT的隸屬度函數為：

其次是建立模糊控制規則。模糊控制規則是模糊控制器的核心，它相當于傳統控制系統中的校正轉置或補償器，是設計控制系統的主要內容[11-13]。根據雨刷控制的實際要求，結合對系統進行測試實驗、對系統的輸入—輸出數據進行分析，歸納總結同步風擋雨刷控制器的模糊控制規則R：

R1：IF（Tis min）and（ΔTis min）then（Uis min）

R2：IF（Tis mid）and（ΔTis min）then（Uis mid）

R3：IF（Tis max）and（ΔTis min）then（Uis max）

R4：IF（Tis min）and（ΔTis max）then（Uis mid）

R5：IF（Tis mid）and（ΔTis max）then（Uis max）

R6：IF（Tis max）and（ΔTis max）then（Uis max）

R7：IF（Tis min）and（ΔTis min(-)）then（Uis min）

R8：IF（Tis mid）and（ΔTis min(-)）then（Uis mid）

R9：IF（Tis max）and（ΔTis min(-)）then（Uis max）

R10：IF（Tis min）and（ΔTis max(-)）then（Uis min）

R11：IF（Tis mid）and（ΔTis max(-)）then（Uis min）

R12：IF（Tis max）and（ΔTis max(-)）then（Uis mid）

主控雨刷輸出控制信號U的隸屬度為：

通過實驗確定[p q r]的參數為：

R1：[-0.7473-0.6247 0.8523]；

R2：[-0.7040-0.2914 0.7239]；

R3：[-0.4719-0.2944 0.5587]；

R4：[-1.7323 0.0711 0.5834]；

R5：[-0.7494-0.1783 0.6798]；

R6：[-0.6492-0.2186 0.6984]；

R7：[0.1626-1.4904 0.4350]；

R8：[-0.8446-0.3487 0.7819]；

R9：[-0.5615-0.1627 0.6430]；

R10：[-1.1819 0 0.8598]；

R11：[-1.5950-0.1824 1.3306]；

R12：[-0.7393-0.2789 0.7534]；

建立了輸入輸出的語言變量、隸屬度函數和模糊規則后，需要確定模糊推理的合成規則，這里采用“最大—最小”合成規則，輸出合成采用連接詞also計算[14]。以R1為例，最終確定合成運算為：

式中，μ（R1）為μmin（T）μmin（ΔT）μmin（U），μmin（T*）和μmin（ΔT*）為輸入隸屬度函數，模糊規則μmin（U*）為輸出隸屬度函數，以此類推。

3.3 模糊控制算法仿真

設定輸入量主控雨刷工作周期分量T與輸出量主控雨刷控制信號U的隸屬度取值范圍為 [0,1]，輸入量主控與從控雨刷工作周期差量ΔT的隸屬度取值范圍為[-1,1]，然后對系統進行Matlab仿真，系統輸出量U的曲面觀測窗如圖2所示。

圖2 系統輸出量U曲面圖

圖2表示了系統在整個論域上輸出量U與輸入量T、△T的關系。從系統輸出量曲面圖可以看出，整個論域內曲面連續、光滑且平緩，表明設計的模糊控制算法控制性能優良。

為了更好的說明本模糊控制算法的性能，選取一組具有一般性、覆蓋整個論域的30組T、△T輸入數據，通過控制系統得出輸出數據U，并與相對應的理論輸出數據U*對比，計算實際輸出與理論輸出之間的相對誤差Y，從而定量分析系統的控制性能。模糊控制算法的誤差分析表如表2所示。

實驗測試結果表明，設計的模糊控制器的輸出信號能夠實現風擋雨刷控制系統中主控雨刷器與從控雨刷器精準地同步控制，可將控制系統的絕大部分誤差控制在5%之內，從而達到預期的控制效果。

模糊控制是智能控制的一個重要分支，提出的模糊控制算法與常規PID控制相比具有無需建立被控對象的數學模型、對被控對象的時滯、非線性和時變性具有一定的適應能力等優點，同時對噪聲也具有較強的抑制能力。兩種算法的控制結果如圖3、4所示。

圖3 PID控制系統仿真結果

圖4 模糊控制系統仿真結果

由仿真結果可知，模糊控制與PID控制相比具有調節速度快、超調量小且響應平穩等特點。

4 結束語

設計的基于模糊控制算法的同步風擋雨刷控制系統采用STM32作為控制器，采用模糊控制算法對控制器采集的信號進行處理，根據模糊控制算法的輸出結果實現兩組風擋雨刷精準地同步控制。

實驗結果表明，該同步風擋雨刷控制系統具有較高的控制精度，同時根據實際情況還可增加或減少模糊控制器的控制規則，使系統保持良好的動態性能，以此來保持風擋玻璃的清晰度，在雨霧天氣給駕駛員更好的視野，保證駕駛員的安全。同時，系統設計簡潔，性能可靠，具有較高的使用價值和很好的市場前景。

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Synchronous Windshield Wipers Controller Based on Fuzzy Control Algorithm

Li Yunhong,Zhang Heng,Zhang Yalin,Wang Zhenya
（College of Electronics and Information,Xi`an Polytechnic University,Xi`an 710048,China）

For the defects of design on the aircraft windshield wipers control system,we propose a synchronous windshield wipers controller based on fuzzy control algorithm.The system manually selects work gear from two windshield wipers,captures in real-time,and records wipers work-cycle. The wiper's cycle T of the main component and the difference wiper's cycle ΔT between the main component and the appurtenant component are chosen as two inputs of the fuzzy control system.U，as the control signal of the main component，is output by the fuzzy control system.So the cycle of the main component can be adjusted by the real-time,in order to achieve independent or precise synchroni-zation control of the two windshield wipers.

Fuzzy control；Windshield wipers；Synchronous controller；Airliner；Master-slave control；Real-time adjustment

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.02.021

TP271

A

1002-2279-（2017）02-0091-05

姓名（出生年-），性別（民族），籍貫（省市或縣），職稱/學位，主要研究方向，E-mail地址；其他作者姓名，職稱/學位。標題下方每位作者須標注上相應的單位。單位要具體到二級單位，并給出其所在省份、城市及郵編。文章一經修改完成上傳至網站后，作者及單位不得改動。

國家自然科學基金項目（61401347）；西安工程大學2016年度研究生創新基金(CX201617)；陜西省科技廳自然科學基礎研究計劃資助項目（2016JZ026）

作者簡介：李云紅(1974-),女（滿族）,遼寧省錦州市人，教授，博士,主研方向：信號與信息處理技術、圖像、紅外熱像測溫技術。張恒(1991-),男,碩士研究生,主研方向：信號與信息處理技術。

2016-11-09