基于人工智能的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡子豪 劉棟材

摘要：近年來洗衣機(jī)的控制技術(shù)越來越智能化，智能控制洗衣機(jī)的市場(chǎng)需求越來越大。本文介紹了人工智能在洗衣機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。展望了人工智能洗衣機(jī)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 電機(jī)控制;人工智能;洗衣機(jī)

中圖分類號(hào)：TP29? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）28-0090-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of Motor Control System Based on Artificial Intelligence

HU Zi-hao1， LIU Dong-cai2

（1.Jinguan Copper Branch of Tongling Nonferrous Metals Group Co.， Ltd.， Tongling 244001，China;2. School of Electronics Information and Electrical Engineering， Hefei Normal University， Hefei 230061，China）

Abstract：In recent years， the control technology of washing machine is becoming more and more intelligent， and the market demand of intelligent control washing machine is growing. This paper introduces the application of artificial intelligence in washing machine motor control system， and looks forward to the development of artificial intelligence washing machine.

Key words：motor control; artificial intelligence; washing machine

洗衣機(jī)對(duì)世界的影響超過了互聯(lián)網(wǎng)。在19世紀(jì)和20世紀(jì)，社會(huì)曾期望婦女承擔(dān)許多家務(wù)，如洗衣、做飯、打掃衛(wèi)生等。然而，洗衣機(jī)的發(fā)明使婦女能夠放下許多家務(wù)，加入勞工大軍。因此，洗衣機(jī)的發(fā)明把婦女從“家務(wù)”中解放出來，使勞動(dòng)力增加了一倍，提高了社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。

隨著人們生活水平的提高和智能科技的發(fā)展，智能控制已經(jīng)深入到人們生活的每一個(gè)角落。洗衣機(jī)作為最常用的家用電器，已經(jīng)成為每個(gè)家庭的生活必需品，但是傳統(tǒng)洗衣機(jī)已經(jīng)無法滿足人們對(duì)更高生活的追求。智能洗衣機(jī)采用智能化技術(shù)，給人們的生活帶來方便[1]。

1 洗衣機(jī)電機(jī)系統(tǒng)

電機(jī)是洗衣機(jī)中最主要部件。從技術(shù)上講，電機(jī)負(fù)責(zé)將電能轉(zhuǎn)換為清洗桶內(nèi)負(fù)載所需的足夠動(dòng)力的機(jī)械能。目前常見的自動(dòng)洗衣機(jī)從90年代末開始使用，隨著時(shí)間的推移，它們得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。雖然洗衣機(jī)的新功能越來越多，但是清洗、甩干、烘干等基本功能仍然相似[2]。

洗衣機(jī)使用的電機(jī)大體上有三種：有刷電機(jī)、直流無刷、永磁同步。電機(jī)通過一個(gè)稱為傳動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)與洗衣機(jī)清洗桶的波輪或攪拌器相連。電機(jī)和傳動(dòng)裝置靠近洗衣機(jī)底部，而波輪或攪拌器從機(jī)器中部向上延伸。傳動(dòng)裝置用來改變波輪或攪拌器的速度和方向。當(dāng)電機(jī)在一個(gè)方向上攪動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)裝置可以用來改變波輪或攪拌器的旋轉(zhuǎn)方向和速度，并使帶有小孔的內(nèi)桶也同時(shí)做往復(fù)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)控制器使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳動(dòng)裝置鎖定，使得波輪和攪拌器、變速箱和內(nèi)推桶作為一個(gè)整體而旋轉(zhuǎn)，利用離心力將衣服上的水分盡可能去甩干。此外，控制器還與泵相連，泵將水從外筒中排出。

2 智能洗衣機(jī)

通常洗衣機(jī)都包含幾種相同的洗衣程序。在選擇程序時(shí)，操作者必須根據(jù)不同面料、衣物重量、水溫等選擇合適的洗衣程序。最常見的洗滌方法是快速洗滌，會(huì)在15分鐘內(nèi)完成一個(gè)完整的洗滌周期。但是不管是那種洗衣程序，都可能會(huì)面臨經(jīng)濟(jì)性、去污能力兩個(gè)相互矛盾方面的考驗(yàn)。

除了洗衣過程，衣物甩干也同樣重要。甩干桶轉(zhuǎn)得越快，水分就被去除得越多，衣服的烘干或晾時(shí)間就短。通常甩干桶的轉(zhuǎn)速在400到1400轉(zhuǎn)/分鐘之間，最高旋轉(zhuǎn)速度到1800轉(zhuǎn)/分鐘，但是更快的旋轉(zhuǎn)速度可能會(huì)帶來更大的噪聲。

2.1 洗衣機(jī)的模糊邏輯

模糊控制是各種具有挑戰(zhàn)性的控制應(yīng)用的一種實(shí)用的替代方法，因?yàn)樗峁┝艘环N通過使用啟發(fā)式信息構(gòu)造非線性控制器的方便方法。模糊控制的應(yīng)用范圍從工業(yè)過程控制擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)儀器、證券等。與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比，模糊控制器在復(fù)雜的不確定問題中得到了很好的應(yīng)用，而復(fù)雜的不確定問題可以由一個(gè)高效的人工操作來控制，而不需要了解其基本的動(dòng)力學(xué)特性。

模糊控制技術(shù)通常根據(jù)人類專家對(duì)系統(tǒng)的知識(shí)，將復(fù)雜系統(tǒng)分解為若干個(gè)子系統(tǒng)。同時(shí)，用一組簡(jiǎn)單明了的控制律來模擬每個(gè)局部操作區(qū)域的人的控制策略。然后，通過模糊隸屬函數(shù)，即權(quán)函數(shù)，將所有局部控制行為結(jié)合起來，構(gòu)造一個(gè)全局控制律。在分析和綜合中，采用了基于人類專家定性語言變量的IF-THEN條件語句和簡(jiǎn)單模型，而不是使用一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型。

控制系統(tǒng)是一種物理部件的排列，設(shè)計(jì)用來改變另一個(gè)物理系統(tǒng)，從而使該系統(tǒng)表現(xiàn)出某些期望的特性。存在兩種類型的控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，輸入控制動(dòng)作獨(dú)立于物理系統(tǒng)輸出。另一方面，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，凈輸入控制動(dòng)作取決于物理系統(tǒng)的輸出。閉環(huán)控制系統(tǒng)也稱為反饋控制系統(tǒng)。控制任何物理變量的第一步是測(cè)量輸出值。使用一個(gè)傳感器測(cè)量被控制的信號(hào)，而電機(jī)就是一個(gè)被控制的物理系統(tǒng)。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸入的信號(hào)由系統(tǒng)的輸出響應(yīng)決定。實(shí)際輸出值和期望輸出值之間的差就是誤差信號(hào)。控制的基本問題是：通過誤差信號(hào)來調(diào)整被控制物理系統(tǒng)的輸出。

通過采用模糊控制技術(shù)，洗衣機(jī)可實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)，獲得最佳洗滌效果。洗衣機(jī)通過與電機(jī)相連的自動(dòng)負(fù)載檢測(cè)裝置精確測(cè)量衣物質(zhì)量，并通過水質(zhì)傳感器等獲取了水的硬度和洗滌劑濃度。自動(dòng)檢測(cè)程序會(huì)檢測(cè)要清洗的織物類型，根據(jù)模糊控制原理確定每個(gè)洗衣步驟的時(shí)間。在注水后，使用傳感器和電機(jī)反饋，洗衣機(jī)可以“感知”每一件衣服的污漬程度，然后產(chǎn)生必要的氣泡活動(dòng)來清除這些污漬[3]。通過自動(dòng)污漬檢測(cè)來確定污垢程度，并裝載所需的精確洗滌劑量，優(yōu)化了每個(gè)負(fù)載所需的水量，做到節(jié)水功能。這種模糊邏輯比普通計(jì)算機(jī)更接近人類的邏輯。

2.2 洗衣機(jī)電機(jī)系統(tǒng)的智能控制

合理使用洗衣機(jī)電機(jī)的材料，對(duì)電機(jī)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，可以使得電機(jī)扭矩增大、噪音降低、效率提高、使用壽命變長(zhǎng)。同時(shí)，根據(jù)被洗衣物的條件，實(shí)現(xiàn)智能化操作和反饋，提高洗衣機(jī)模糊判斷的精度，增強(qiáng)適應(yīng)性。

目前電機(jī)控制越來越趨向于加智能化。首先，更智能的算法可以在給定的轉(zhuǎn)矩和速度下更有效地驅(qū)動(dòng)電機(jī)。第二，當(dāng)電機(jī)在所需的精確功率水平驅(qū)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)效率會(huì)提高。最近出現(xiàn)了一種稱為智能電機(jī)控制器的集成電路，通過簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)高性能電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器來滿足這些需求。智能電機(jī)控制器集成電路是一種相對(duì)較新的集成電路，在為多相電機(jī)，如無刷直流電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)等構(gòu)建高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器時(shí)可以節(jié)省大量費(fèi)用。

針對(duì)不同的洗滌需求，洗衣機(jī)需要智能變頻控制。洗衣機(jī)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變頻和靜音。智能變頻電機(jī)在清洗時(shí)可降低產(chǎn)品高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪音和齒輪損壞，達(dá)到穩(wěn)定、耐用、降噪、節(jié)能的目的。不同的洗滌方式適合不同的物料，并增加相應(yīng)的洗滌程序，從溫度設(shè)定、脫水、漂洗次數(shù)等方面提高洗滌性能。

關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種特殊的電機(jī)。因其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。這些特性使得開關(guān)磁阻電機(jī)優(yōu)于其他變速電機(jī)。開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的主要挑戰(zhàn)是其高轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)，導(dǎo)致其性能下降。目前已經(jīng)研制出各種技術(shù)來處理轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但還沒有一種成熟的方法。研究發(fā)現(xiàn)，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)控制方法具有更好的開關(guān)磁阻電機(jī)性能，運(yùn)行參數(shù)得到了顯著改善。通過電機(jī)的脈動(dòng)調(diào)節(jié)，智能電機(jī)控制還可以保持洗衣機(jī)內(nèi)部衛(wèi)生清潔，減少清潔滾筒中引起異味的細(xì)菌。

2.3 智能洗衣機(jī)

洗衣機(jī)的智能還體現(xiàn)在與人的交流上。人們?cè)谟脩艚缑嫔峡梢耘c洗衣機(jī)簡(jiǎn)單交流，只需告訴你的洗衣機(jī)在負(fù)載什么，如“運(yùn)動(dòng)服”或“日常洗滌”它會(huì)制定出完美的程序。它甚至?xí)嬖V你是否有一個(gè)項(xiàng)目可以被使用。洗衣機(jī)工作的時(shí)間也可以通過語音安排，甚至還包括訂購洗衣液等。

3 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我們的家庭變得越來越智能，越來越多的擁有連接功能的設(shè)備正逐漸普及到普通家庭和普通家電，洗衣機(jī)就是一個(gè)很好的例子。目前洗衣機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是具有遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視功能，并在清洗完成時(shí)發(fā)出提示。洗衣機(jī)還可以與天氣預(yù)報(bào)配合，開始洗衣服時(shí)陽光明媚而之后突然下雨，這是洗衣任務(wù)被緊急叫停。洗衣機(jī)會(huì)在最后一次漂洗前停止循環(huán)，這樣就不用擔(dān)心衣服在洗衣機(jī)里濕了好幾個(gè)小時(shí)而發(fā)出霉味。當(dāng)天氣準(zhǔn)備好了，開始最后一次漂洗，這樣衣服就會(huì)變得干凈，聞起來很新鮮。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李鶴群，任悅.海爾智能洗衣機(jī)專利技術(shù)分析[J].科技資訊，2019，17（5）：85-86.

[2] 孟嬌嬌，辛旗，趙瑞林.基于51單片機(jī)的全自動(dòng)洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，17（2）：46-50.

[3] 經(jīng)順林，藍(lán)雯靜，陳紅.智能洗衣機(jī)的模糊控制系統(tǒng)分析[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（34）：179-180.

【通聯(lián)編輯：唐一東】