基于模糊控制的洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 帆，許衍彬

（河北科技學(xué)院 河北 保定 071000）

1 引言

控制算法包括眾多分支，而模糊控制是科技工作者現(xiàn)在關(guān)心的焦點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的控制算法得到了廣泛研究，但是其必須依賴(lài)非常逼真的精確地對(duì)象建立模型前提下，而現(xiàn)在的控制任務(wù)，簡(jiǎn)單的模型根本不能滿(mǎn)足我們的任務(wù)要求。所以在實(shí)踐工作中，按照人腦的思維，使復(fù)雜的工作系統(tǒng)模擬一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的工作者從而得到滿(mǎn)意的結(jié)果。所以，通過(guò)將人腦的思維放到系統(tǒng)中，充當(dāng)控制思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)苛刻控制任務(wù)的設(shè)計(jì)。本論文主要是關(guān)于模糊控制的洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，通過(guò)參數(shù)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保省電、高效、整潔的系統(tǒng)任務(wù)要求，滿(mǎn)足人們對(duì)智能洗衣機(jī)的各種要求，而且優(yōu)質(zhì)的控制算法可以提高系統(tǒng)運(yùn)算處理速度。

2 研究背景

科技迅速發(fā)展的當(dāng)今時(shí)代，人們關(guān)注更多的是自己的生活舒適性，而生活最近的就是自己的家居環(huán)境，所以智能家居越來(lái)越多地走入我們的生活。但是智能家居不是一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)境，不是一個(gè)簡(jiǎn)單的居所，而是融入更多的科技。我們希望從睡醒開(kāi)始就可以帶給我們方便，給予我們更加舒服的體驗(yàn)，包括家庭的安全性、環(huán)境審美的藝術(shù)性、環(huán)保健康舒適性等[1]。

智能家電是離我們最近的智能設(shè)備。傳統(tǒng)的設(shè)備體積龐大，幾乎不具備科技性，具備大量的耗能，滿(mǎn)足不了人們對(duì)于品質(zhì)的要求，而且壽命非常短，這都給智能電器很大的發(fā)展空間。例如傳統(tǒng)的洗衣機(jī)，不能按照洗衣的數(shù)量控制用水量，不能通過(guò)衣物的臟的程度調(diào)節(jié)洗滌程度，只是根據(jù)衣物的重量實(shí)現(xiàn)對(duì)于洗滌參數(shù)的設(shè)計(jì)，對(duì)衣物具有一定的損壞性，而且非常浪費(fèi)水資源，所以慢慢退出市場(chǎng)。而新型的智能洗衣機(jī)將控制算法運(yùn)用到了其中，融入更多最新的科技算法于其中，所以正在慢慢改變這一切，再也不是簡(jiǎn)單的機(jī)械設(shè)備，而融入更多的傳感器用于對(duì)數(shù)據(jù)的采集，更加高性能的微型計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。電子元件的快速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)高效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，也滿(mǎn)足了智能電器的技術(shù)要求，所以智能家電就成為了當(dāng)今聚焦的熱點(diǎn)研究方向。

3 研究方案設(shè)計(jì)

3.1 模糊控制器

首先，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)置控制系統(tǒng)的工作架構(gòu)形式。通過(guò)控制對(duì)象的輸入變量的個(gè)數(shù)多少情況，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以劃分為簡(jiǎn)單的單一變量控制結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的多種變量的控制結(jié)構(gòu)。單變量的控制器可以分為如下三種：一維模糊控制器。其控制對(duì)象是輸入的信號(hào)與給定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)之間的差值量。所以系統(tǒng)復(fù)雜性是比較低的，這便是很難滿(mǎn)足系統(tǒng)的高精度要求。二維控制器。除了差值以外，輸入量引入了偏差量參數(shù)的程度的變化量，這樣能更好地反應(yīng)動(dòng)態(tài)特性，相對(duì)于前者，也具有更好地控制特性。三維控制系統(tǒng)的輸入量。除了以上兩種以外，又把變化量的變化率引入輸入，三個(gè)輸入同時(shí)控制著系統(tǒng)，精度會(huì)更高，但是由于控制量增多，響應(yīng)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，響應(yīng)速度也會(huì)受到影響[2]。

3.2 輸入輸出模糊集

模糊是人類(lèi)獨(dú)有的程度狀態(tài)量，例如好、高、暖和、胖、快、慢等。而這些程度量該如何讓計(jì)算機(jī)也能感受到呢？常規(guī)的工作中，我們憑借經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行控制可以得到理想的效果。所以科學(xué)技術(shù)人員設(shè)想將這些程度概念引入系統(tǒng)之中，即將專(zhuān)家的知識(shí)以某種狀態(tài)引入系統(tǒng)當(dāng)中。通過(guò)類(lèi)似人腦來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)良好的效果。但是這個(gè)程度怎么讓計(jì)算機(jī)感受到呢，所以引入隸屬度，通過(guò)數(shù)值的大小體現(xiàn)程度的狀態(tài)。隸屬度的范圍是[0,1]，即數(shù)值越大，程度越強(qiáng)。而在此就需要對(duì)輸入量和輸出量通過(guò)定義隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊化的處理，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的要求[3]。

3.3 推理機(jī)

在人腦思維中，對(duì)于存儲(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)的運(yùn)用都是通過(guò)按照某種事實(shí)進(jìn)行推理分析得到一定的結(jié)論，所以這是人類(lèi)固有的事實(shí)推理能力。而對(duì)于模糊控制系統(tǒng)，其融入了專(zhuān)家智慧到其中，所以需要搭建與之匹配的推理程序來(lái)完成對(duì)應(yīng)的推理分析過(guò)程。模型中的推理過(guò)程，按照搭建模型里的傳感器數(shù)據(jù)作為輸入量，通過(guò)設(shè)定的模糊規(guī)則，實(shí)現(xiàn)推理過(guò)程，進(jìn)行方程組的求解，獲得最終的模糊運(yùn)算聯(lián)系。而其中所設(shè)定的控制變量要具有一定的功能。推理過(guò)程存在很多種，而一般采用的方法如下：正向推理即根據(jù)既定事實(shí)進(jìn)行符合推理邏輯的分析；反向推理即根據(jù)假定結(jié)論逆推事實(shí)來(lái)驗(yàn)證其正確性，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，本文則采用的正向推理過(guò)程。

3.4 隸屬函數(shù)

由于程度量是人類(lèi)所固有的感知狀態(tài)，如何使得控制算法數(shù)據(jù)參量也可以擁有程度概念，所以引入了隸屬函數(shù)作為程度函數(shù)量，對(duì)于不同的控制系統(tǒng)可以設(shè)置不同的隸屬函數(shù)，在一定經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣構(gòu)建的隸屬度更準(zhǔn)確，更能滿(mǎn)足算法的程度值的要求。一般首先確定不精確地隸屬函數(shù)，在不斷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完善獲得最終的函數(shù)。包括以下方法：（1）統(tǒng)計(jì)法，根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中關(guān)于模糊量的概念進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得程度統(tǒng)計(jì)量；（2）主觀(guān)法，結(jié)合人們的主觀(guān)意識(shí)和足夠經(jīng)驗(yàn)推理出；（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，其強(qiáng)大的學(xué)習(xí)功能，自動(dòng)推測(cè)出隸屬函數(shù)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本節(jié)主要介紹了基于模糊算法的洗衣機(jī)系統(tǒng)的主要運(yùn)行流程和基本的設(shè)計(jì)思路，詳細(xì)地闡述了每個(gè)部分的原理和功能，介紹其中每個(gè)環(huán)節(jié)的的功能和模塊之間存在的聯(lián)系[4]。

4.1 控制模型

由于模糊控制洗衣機(jī)主要通過(guò)待洗的衣物的狀態(tài)來(lái)確定衣物洗滌的時(shí)長(zhǎng)，而通過(guò)市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，衣物的待洗狀態(tài)主要是油脂程度和污泥的程度，所以本系統(tǒng)選擇這兩個(gè)參量作為洗衣機(jī)模糊控制器的輸入。然后，將污泥的程度進(jìn)行劃分為三個(gè)等級(jí)：少、中、多；油脂量參數(shù)劃分為：少、中、多三個(gè)等級(jí)；洗滌時(shí)長(zhǎng)劃分為：短、中、長(zhǎng)[5]。

4.2 模糊規(guī)則

模糊規(guī)則是模糊控制器的重要構(gòu)成，是其算法的重要數(shù)據(jù)處理核心，規(guī)則是專(zhuān)家總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者知識(shí)儲(chǔ)備。是人類(lèi)歷史長(zhǎng)河總結(jié)歸納出來(lái)的，是按照人類(lèi)的本能認(rèn)知的體現(xiàn)，并通過(guò)語(yǔ)言文字得到傳承。而其中的因果規(guī)則也是長(zhǎng)期積累的，所以通過(guò)模糊規(guī)則體現(xiàn)在算法語(yǔ)言中。通過(guò)邏輯推理的形式以語(yǔ)言表現(xiàn)出來(lái)[6]。算法系統(tǒng)設(shè)置的規(guī)則如下：若衣物的污漬越多，同時(shí)衣物的油脂越多，則系統(tǒng)設(shè)定的洗滌時(shí)間越長(zhǎng)。若衣物的污漬中等，同時(shí)衣物的油脂中等，則系統(tǒng)設(shè)定的洗滌時(shí)間適中。若衣物的污漬很少，同時(shí)衣物的油脂很少，則系統(tǒng)設(shè)定的洗滌時(shí)間越短[7]。

5 數(shù)據(jù)分析

基于MATLAB的模糊控制洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由衣物的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、控制規(guī)則匹配、結(jié)果執(zhí)行四個(gè)部分組成，數(shù)據(jù)采集的重點(diǎn)即對(duì)衣物的污漬、油脂狀態(tài)進(jìn)行分析，而分析得到的數(shù)據(jù)作為模糊控制規(guī)則的輸入匹配，最終傳輸給控制器的核心給出輸出結(jié)果和清洗時(shí)長(zhǎng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)能很好地結(jié)合這兩方面的輸入，調(diào)整清洗時(shí)長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效、科學(xué)的洗衣效果。

模糊控制洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)人工智能技術(shù)將操作人員的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)以規(guī)則的形式作為知識(shí)數(shù)據(jù)依據(jù)存入計(jì)算機(jī)算法中，通過(guò)強(qiáng)大的軟硬件技術(shù)體現(xiàn)其強(qiáng)大的功能，作為模糊決策的的重要依據(jù)。未來(lái)智能控制算法不僅體現(xiàn)在智能家居之中，還會(huì)更好地運(yùn)用在醫(yī)院醫(yī)療數(shù)據(jù)的診斷，城市交通的管控、會(huì)計(jì)規(guī)律統(tǒng)計(jì)等，更好地造福于人類(lèi)。