智能洗衣機(jī)的模糊控制系統(tǒng)分析

經(jīng)順林 藍(lán)雯靜 陳 紅

（柳州津晶電器有限公司，廣西 柳州545001）

隨著我國高新科技的快速發(fā)展和人們物質(zhì)生活的不斷富足，智能化、自動(dòng)化及機(jī)械化逐步成為我國家電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全新趨勢，洗衣機(jī)作為家電行業(yè)的重要發(fā)展方向同樣如此。近年來，隨著越來越多家電制造企業(yè)對(duì)智能洗衣機(jī)關(guān)注度與重視度的不斷提高，智能洗衣機(jī)品牌戰(zhàn)略布局進(jìn)一步完善，我國智能洗衣機(jī)迎來了飛速發(fā)展階段。在此過程中，智能洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究必須隨著洗衣機(jī)智能化與自動(dòng)化程度的不斷提升進(jìn)一步加強(qiáng)，充分為智能洗衣機(jī)各項(xiàng)功能目標(biāo)的達(dá)成奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。因此，模糊控制理論及模糊控制系統(tǒng)分析受到了越來越多專家學(xué)者的關(guān)注與重視。在此背景下，對(duì)智能洗衣機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)過程中的模糊控制理論及其模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行深度探討與研究，也就具備重要理論意義和戰(zhàn)略價(jià)值。

1 智能洗衣機(jī)的模糊控制原理

在智能洗衣機(jī)的模糊控制過程中，模糊控制原理主要是在控制洗衣機(jī)按照人類日常洗衣經(jīng)驗(yàn)所總結(jié)出的模糊控制相關(guān)規(guī)則，在采用數(shù)量化模型模糊量的基礎(chǔ)上，利用單片機(jī)設(shè)備將相關(guān)模糊控制規(guī)則以及洗滌經(jīng)驗(yàn)按照模糊規(guī)則賦值成為決策變量，自動(dòng)反映在智能洗衣機(jī)模糊自動(dòng)過程控制中。在智能洗衣機(jī)衣物洗滌過程中，衣物量的多少、面料種類等作為智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)模糊量，必須采用大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出人為洗滌方式所得到的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為模糊控制規(guī)則，再借助智能洗衣機(jī)傳感器設(shè)備接收數(shù)據(jù)信息，使智能洗衣機(jī)快速判斷洗滌衣物量的多少、臟污程度甚至面料類別等，以此推測出模糊決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)智能洗衣機(jī)注水量、洗滌時(shí)間、水流強(qiáng)弱、洗滌方式選擇甚至脫水時(shí)間、排水時(shí)間等相關(guān)參數(shù)的輸入與輸出，確保智能洗衣機(jī)能在適當(dāng)?shù)目刂菩阅茏兓昂喕绦蛏系玫礁咝У南礈煨ЧＭ瑫r(shí)，也使智能洗衣機(jī)輸入與輸出過程中的模糊特性詞集以模糊集合方式表示，轉(zhuǎn)化為求取模糊集合隸屬度函數(shù)這一現(xiàn)實(shí)問題，實(shí)現(xiàn)智能洗衣機(jī)洗滌衣物控制過程科學(xué)化。

2 應(yīng)用于智能洗衣機(jī)的模糊控制算法

2.1 模糊控制算法的參數(shù)說明

在智能洗衣機(jī)模糊控制算法的參數(shù)選擇過程中，為最大限度降低智能洗衣機(jī)模糊控制算法復(fù)雜程度，主要將智能洗衣機(jī)相關(guān)輸入?yún)?shù)進(jìn)一步簡化，利用衣物重量、衣物臟污程度兩大參數(shù)進(jìn)一步得到洗衣機(jī)水位傳感器測量數(shù)據(jù)的參數(shù)信息，換算得出智能洗衣機(jī)洗滌時(shí)間、洗滌次數(shù)以及凈水量、補(bǔ)水量等相關(guān)數(shù)據(jù)，再利用測量值進(jìn)一步推演得到確定數(shù)值，減少智能洗衣機(jī)模糊控制過程中相關(guān)算法的參數(shù)輸入。與此同時(shí)，智能洗衣機(jī)洗滌過程總用水量及預(yù)估初始用水量，則借助衣物總量獲得，已用水量則借助實(shí)際用水量與預(yù)估用水量求差值的方式取得。

2.2 模糊集與模糊規(guī)則的建立

在初步確定智能洗衣機(jī)模糊控制算法相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定洗衣機(jī)模糊控制基于模糊規(guī)則的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在此過程中，主要將模糊詞集分為輸入量、輸出量以及過程量三大類別，輸入量主要借助智能洗衣機(jī)設(shè)備中的傳感器設(shè)備得到衣物重量以及衣物臟污程度，輸出量則作為待定參數(shù)，包括智能洗衣機(jī)實(shí)際洗滌時(shí)間、洗滌次數(shù)以及補(bǔ)水量的多少，利用少、中、多等諸多模糊詞表示。過程量是在模糊控制算法推理過程中所需使用的幫助最終得出輸出參數(shù)信息的數(shù)據(jù)，主要以用水量的多、少、中為表示詞集，在結(jié)合人類洗滌經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用輸入量、輸出量和過程量相互匹配的方式得到智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的模糊集與模糊規(guī)則對(duì)應(yīng)表如表1。

表1 模糊集與模糊規(guī)則對(duì)應(yīng)表

2.3 模糊量化

在智能洗衣機(jī)的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析過程中，模糊程序輸入與輸出利用輸入量、輸出量和過程量的隸屬度函數(shù)表示，而各類隸屬度函數(shù)大多選擇三角函數(shù)方式，在以人類基本洗滌經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息經(jīng)驗(yàn)值作為隸屬度函數(shù)的中心參考值的基礎(chǔ)上，借助查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料以及實(shí)驗(yàn)記錄的方式，設(shè)定三角函數(shù)中心數(shù)值。在此過程中，衣物的重量隸屬度函數(shù)如圖1所示，而衣物用水量隸屬度函數(shù)則如圖2 所示。

圖1 衣物重量隸屬度函數(shù)

圖2 衣物用水量隸屬度函數(shù)

3 智能洗衣機(jī)的模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的過程中，重點(diǎn)在于模糊控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。一般情況下，模糊控制系統(tǒng)模糊控制器工作首先是將已確定完畢的輸入量進(jìn)行模糊化處理，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)槟：~集，根據(jù)模糊規(guī)則的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)據(jù)信息，應(yīng)用模糊推理與程序算法得到控制器實(shí)際的輸出模糊控制量，再將其輸出控制量進(jìn)行精確化處理，確保智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)能達(dá)成對(duì)整個(gè)衣物洗滌過程的科學(xué)控制，圖3 即為模糊控制器原理框架圖。

考慮到智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)實(shí)踐工作時(shí)，應(yīng)能自動(dòng)判別所洗滌衣物的重量和衣物所屬類別，自動(dòng)選擇最佳洗滌方式、洗滌時(shí)間和洗滌次數(shù)，全智能化和自動(dòng)化完成衣物洗滌的整個(gè)過程。因此，在智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，模糊控制器必須考慮待洗滌衣物質(zhì)地、重量、洗滌水溫度以及衣物臟污程度等諸多參數(shù)，根據(jù)該類條件求得智能洗衣機(jī)所需洗滌用水量、洗滌時(shí)間和洗滌方式甚至脫水時(shí)間等其他參數(shù)。在此過程中，智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為二輸入與多輸出的推理過程和控制過程，也就是說，在輸入變量的基礎(chǔ)上得到所有輸出變量和過程變量的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

圖3 模糊控制器原理框架圖

3.2 仿真應(yīng)用

在智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)仿真應(yīng)用過程中，以待洗衣物臟污程度、重量為基礎(chǔ)參數(shù)和模糊控制器主要輸入量，推理得出洗滌時(shí)長、水流強(qiáng)度以及洗滌方式等諸多輸出變量，利用MATLAB 中的界面設(shè)計(jì)研究出智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)過程圖，利用多輸入和多輸出的界面編輯方式對(duì)輸入量與輸出量進(jìn)行界面編輯，進(jìn)一步設(shè)置智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)邏輯算法模糊集、模糊輸入量以及模糊規(guī)則等，再進(jìn)一步對(duì)智能洗衣機(jī)模糊控制理論推理過程進(jìn)行探究，在待洗滌衣物重量與臟亂污程度固定的基礎(chǔ)上，采用平均值算法求得的洗滌時(shí)間和實(shí)際進(jìn)水強(qiáng)度與計(jì)算結(jié)果一致，整個(gè)過程呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)連接與變化趨勢。

圖4 模糊控制系統(tǒng)仿真界面

利用編輯器中相關(guān)參數(shù)改變，進(jìn)一步探究智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)仿真應(yīng)用過程可知（圖4），觀測窗口的諸多參數(shù)信息會(huì)隨編輯窗口參數(shù)變化而變化，也就為研究智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)其他參數(shù)變化情況下輸出量變化影響提供了重要條件。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試研究，將實(shí)際所取得的模糊控制效果與觀測窗口的相關(guān)數(shù)據(jù)信息結(jié)合，可強(qiáng)化對(duì)整個(gè)智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的改進(jìn)。與此同時(shí)，還可利用智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)信息編輯的方式，不斷簡化各觀測窗口設(shè)計(jì)效果，優(yōu)化智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。

4 結(jié)論

模糊控制理論為智能洗衣機(jī)中模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了重要支撐，不斷拓寬了智能洗衣機(jī)家電產(chǎn)業(yè)的運(yùn)用前景，使智能洗衣機(jī)逐步成為模糊控制技術(shù)創(chuàng)新的重要發(fā)展領(lǐng)域。本文在給出智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)相關(guān)原理、參數(shù)選擇、模糊規(guī)則建立以及模糊控制器基本設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真和應(yīng)用，在節(jié)約大量時(shí)間的基礎(chǔ)上，完善了智能洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)控制效果，為智能洗衣機(jī)中模糊控制理論的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了更多思考。