基于模糊控制的智能洗衣机(共15页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上1 课题背景及意义 现代洗衣机是利用电能产生机械作用来洗涤衣物的清洁电器。洗衣机主要由箱体、洗涤脱水桶、传动和控制系统等组成，有的还装有加热装置。洗衣机一般专指使用水作为主要的清洗液体，有别于使用特制清洁溶液及通常由专人负责的干洗。洗衣机的出现，将人们从诸如手搓、棒打等重复而又令人疲劳的简单劳动中解放出来，提高了清洗衣物的工作效率，继而提高了人们的生活质量。随着科学技术的不断进步，人们对洗衣机的制造水平和性能指标也日益提升，基于模糊控制的智能洗衣机便是顺应时代发展的科技产物之一。回顾洗衣机的发展史，1858年，一个叫汉密尔顿史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣

2、机，标志着用机器洗衣的开端。次年在德国出现了一种用捣衣杵作为搅拌器的洗衣机。1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。1880年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。1910年，美国的费希尔在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，美国玛塔依格公司改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。1932年，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗

3、、脱水在同一个滚筒内完成。第一台自动洗衣机于1937年问世。这是一种前置式自动洗衣机。1955年，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，以电脑（实际上微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。1974年英国学者E.H.Mamdani首次把模糊集合理论成功地应用在锅炉和蒸汽机的控制之中，在自动控制领域中首开模糊控制在实际工程上应用之先河1。到了80年代，以模糊控制和神经网络为代表的智能控制技术广泛地运用到洗衣机的制造过程中。90年代初，模糊

4、家电风靡日本，给日本企业带来了巨大的商业利润，同时也推动欧美和其它国家，进一步促进了模糊技术的发展2。上个世纪80年代末期到90年代中期先后提出了模糊近似推理、模糊自适应控制、模糊神经元网络和模糊自适应推理系统等。给模糊技术的应用注入了新的活力，开辟了十分诱人的光明前景。1990年日本松下电器首先设计生产了模糊洗衣机，这是世界上第一个应用模糊控制器的消费产品3。 模糊控制是一种非线性的控制方法,主要针对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统。首先要对被控对象按照人们的经验总结出模糊规则,采用模糊量,借助微电脑对这些信息按照模糊规则转换为控制量,来完成自动控制。近年来,模糊控制在家用电器控

5、制中得到较广泛的应用,采用模糊控制的洗衣机,可具有自动识别衣质、衣量、脏污程度、脏污性质、自动决定水量、自动投入恰当的洗涤剂等功能,不仅实现了洗衣机的全面自动化,也大大提高了洗衣的质量,具有很强的实用性和较好的发展前景4。 模糊控制洗衣机俗称“傻瓜”洗衣机，是在模糊智能控制下，模仿人的思维进行判断操作的一种新型全自动洗衣机。 模糊控制洗衣机是通过传感器来进行信息量的获取，并将收集到的信息量送到微电脑，经微电脑综合判定后，按照洗涤物的重量、质地选择适当的水位、洗涤时间、洗涤动作等工作参数，执行最佳的洗涤程序。使用时，操作者只需轻轻地按一下洗衣机的“启动”键，洗衣机便可自动完成洗涤的全过程。模糊控

6、制洗衣机采用的传感器有以下几种： 水位传感器-可以根据洗涤物的多少自动感知、设定并自动控制水位。布质传感器-可以根据衣物的质地、重量和脏污程度，自动采用洗涤方式。水温传感器-可以根据环境温度和水温，自动控制洗涤时间。光电传感器-可以根据洗涤水在洗涤过程中的透光率决定衣物的脏污程度，自动选择最佳的洗衣程序。模糊控制洗衣机是在普通微电脑洗衣机的基础上发展起来的，它与普通微电脑洗衣机的不同点主要是控制程序和控制精度存在一定的区别。 普通微电脑控制洗衣机采用的是量化固定程序，一经设定，便不能改变；而模糊控制洗衣机则是应用模糊控制器代替人脑来“分析、判断”，其工作程序可以在一定程度上随时变化，其控制精度

7、比普通微电脑洗衣机更高、更适用5。传统洗衣机依赖于人们对被洗涤衣物的多少、衣料、以及衣物的脏污程度的判断,并根据判断来确定洗涤衣物的时间和方式.如果洗衣机操作人员的经验不足,不能掌握其正确的操作方法,就可能造成一些资源的浪费或达不到洗涤干净的目的.随着人民生活水平的提高,人们希望可以省去一些人工操作,即只需把衣物放进洗衣机,按下启动开关,剩下的工作就交给洗衣机去完成.全自动洗衣机能够完成除开启电源、放取衣物之外的全部功能,并保证高质量的洗涤效果.模糊控制器是利用人工操作的经验,通过合成关系,把输入的模糊量与关系矩阵合成,推理得出控制量,因此不必建立精确的数学模型.而且实现起来简单可靠、控制过程

8、与人的思维方式一致,正好满足了洗衣机实现全自动功能的需要6。以上所提到的几点这便是模糊控制应用于洗衣机的主要意义。2 模糊控制洗衣机的研究现状2.1 国内模糊控制洗衣机的研究现状我国古代伟大的哲学家和思想家老子曰“精确兮，模糊所伏；模糊兮，精确所依。”模糊数学不是将数学变得模模糊糊，而是用数学的方法去描述客观世界中的模糊现象，揭示其本质和规律。模糊数学在经典数学和充满模糊性的现实世界之间架起一座桥梁。我国在模糊理论领域的研究处于世界先进水平，先后出版了几十本有关模糊领域的著作。在工程技术应用方面较为薄弱，已经提出了连续监控系统设计方法和便于工程应用的模糊集成控制方法。上世纪90年代后期开始出现

9、了模糊家电控制7。国内有关模糊洗衣机研究和制造的主要企业有以下几家：金羚集团有限公司是一家大型家电企业集团、国家大型一档企业、广东省83家重点发展的企业集团之一。1994年，独力承担完成国家“八五”重点技术开发项目模糊控制技术在洗衣机上的应用，研制出中国第一台有自主知识产权的模糊控制全自动洗衣机，获1999年国家科技进步三等奖。目前金羚洗衣机已通过了7300次无故障运行试验及UL认证。该公司在国内洗衣机技术创新方面始终处于先进行列。海尔作为国际知名白电企业，在洗衣机的销量上一直处于前三甲。例如XQB60-M918许多应用模糊控制技术的经典机型在国内外持续畅销。如今海尔全自动洗衣机几乎全部采用了

10、智能模糊功能，可对衣物重量与材质对洗衣程序进行模糊控制，以确定水位的高低、时间的长短，自动选择最佳洗衣程序，在精确洗衣的同时，做到了更加省时省电。创业于1968年的美的集团，也是一家以家电业为主，涉足物流等领域的大型综合性现代化企业集团。其旗下的众多洗衣机品牌也同样受到了国内外的使用者的一致好评。美的洗衣机一般外观都很时尚，功能上也比较新潮，近期美的推出幻银系列、逸尚系列波轮洗衣机以及例如MB6001等一系列经典机型，都有智能化的洗涤控制系统，能感知衣服的洗净情况，自动调整洗涤时间，同时还有银离子杀菌功能，非常人性化。诸如荣事达、小天鹅（已被美的收购）等国内著名洗衣机品牌在将模糊控制技术应用于

11、产品研发的过程中都取得了成功，该项技术已经相对成熟。在学术领域，国内对于模糊洗衣机的研究也有着丰富的成果。1996年06月路立平在郑州轻工业学院学报上发表的模糊控制洗衣机混浊度模型及检测 一文中提到，为实现洗衣过程的模糊控制,需要确立洗涤液混浊度的模型及可行的检测方法。以朗伯定律为基础,提出了基于光电检测法的洗衣机洗涤液混浊度的定义和检测方法;在分析了混浊度检测中可能存在的误差和噪声干扰因素后,又提出了能消除误差的相对混浊度模型。最后提出了以脉冲驱动、隔直流传输滤除检测系统中的噪声干扰8。2005年06月余剑生在广东技术学院学报上发表的基于模糊控制的智能洗衣机的设计一文中，将模糊控制技术应用于

12、全自动洗衣机的控制,给出以PIC16C74为控制器的硬件框图、布量检测电路及模糊控制原理。传感器检测模块共有6个检测电路,它们分别是衣量检测电路、水位检测电路、温度检测电路、水清度检测电路、电源检测电路、盖控检测电路。输出控制电路由触发电路和相应的双向晶闸管组成,控制电路共4路。由双向晶闸管控制主电机的正反转,进水电磁阀控制进水,排水电磁阀控制排水。模糊控制器主要有衣量、水温、脏污程度三个输入量。应用结果表明,采用模糊控制技术的智能洗衣机在洗涤效果和节能等方面优于传统洗衣机9。2007年01月刘素芳在山西电子技术学报上发表的基于模糊控制的洗衣机水位控制的仿真一文中，在简要介绍MATLAB软件的

13、基础上,结合其模糊逻辑工具箱,介绍了如何利用MATLAB构建洗衣机中有关水位控制系统的仿真模型,叙述了利用模糊逻辑控制模块,引用阀门模块和自建的水箱模块来控制系统仿真过程,并给出了仿真结果和过程参量变化。通过应用MATLAB建立验证模糊洗衣机中水位控制系统,以及对该系统调试和仿真,可以看出该方法既方便、直观,又节约时间,而且可以实现最佳控制效果10。2009年05月刘贺在重庆工学院学报（自然科学）上发表的全自动洗衣机的模糊控制分析一文中，对全自动洗衣机的模糊控制进行了分析,详细介绍了如何定义洗衣机的模糊控制输入、输出量.根据专家知识和手动操作人员长期积累的经验,给出了模糊控制的具体规则。以确定

14、洗衣机洗涤时间为例,利用Matlab进行了仿真研究,采用取小运算对模糊规则进行推理,并采用最大平均法得到反模糊化结果,所得结果与理论计算结果接近相同11。2.2国外模糊控制洗衣机的研究现状在日本,1990年被称为“模糊”元年。这是因为大多数的家电产品制造商致力于开发诸如洗衣机、吸尘器、摄像机等“模糊”家电产品,且使其大量投入市场,所以“模糊”作为一个新词而十分流行。1990年2月，日本松下电器公司推出带模糊控制的全自动洗衣机，取名为：“爱妻号”，这是在世界上家用电器行业中运用模糊理论生产出来的第一种家电产品。日立公司也不甘示弱，同年4月亦推出运用模糊理论的新型全自动洗衣机。不久，三洋电气公司也

15、宣布推出了模糊全自动洗衣机。可以说，模糊洗衣机技术起源于日本，而且日本的洗衣机行业处于世界领先地位。德国的西门子作为行业发展领先者，一直是优良品质、时尚设计和可靠性能的代名词，在秉承延续自身品牌形传统优点的同时，西门子全自动洗衣机更以简捷直观的操作系统，强大丰富的功能系统向用户诠释了西门子简约实用的设计理念。例如XQG52-08X268等经典型号堪称集大成的高度智能化、自动化的洗衣机，强大的模糊神经网络智能控制系统不仅能实现精准洗涤，而且可以多方面洞察用户所需，在全过程中进行自检自感，更进行合理的自我调整，交上一份最令用户满意的答卷12。韩国三星WF1702NCW/XSC型号的洗衣机，号称滚筒

16、洗衣机里的钻石品质，它是一款应运而生的“聪明”洗衣机，在三星特有的智能模糊控制系统下，它能全程智能感知衣料及重量，进而为用户智能编程，为衣物选择最佳的洗涤时间和用水量。此外，它还有专门洗涤轻污渍、小衣物的10分钟快速洗功能，满足了部分用户的特殊功能需要;独有的桶干燥技术可以杜绝霉菌滋生，为衣物营造干净的洗涤空间，也能延长洗衣机的使用寿命。此外，例如韩国的LG、TCL，美国的Vantage等，都在模糊洗衣机方面有着自己的特色，但是其本质都是相同的。2.3 基于模糊控制全自动洗衣机研究的问题和不足模糊洗衣机由于不依赖被控对象，其控制性能完全取决与模糊控制器，而模糊控制器的工作效果存在一定的局限性，

17、具体体现在一下几点：确立模糊化和逆模糊化的方法时，缺乏系统的方法，主要依靠经验和试凑；总结模糊控制规则的时候有时候比较困难；控制规则一旦确定，不能够在线调整，不能够很好地适应环境的变化。毕竟每个用户的穿衣方式和洗衣习惯和对洗衣效果的要求是不同的，缺乏学习能力的模糊洗衣机必然不能够满足每个用户的要求；模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。不过，针对这个缺点，研究人员已经对模糊控制器进行了许多改进，例如模糊-PI复合控制、自校正模糊控制、变结构模糊控制等，很好地解决了这个问题13；模糊洗衣机由于工作时间的原因，自身机械结构会产生一定的磨损，机械摩擦程度也会发生相应地改变。对于不同时期，洗

18、衣机如果能对自身状态进行恰当的调整，同时产生与之相应的优化控制过程的话，那么这样的模糊洗衣机将会更加受到青睐14；最后，在洗衣过程中，难免存在衣物褪色的问题，其对现今全自动洗衣机控制系统的研究和设计方面的影响是不能忽略的。现今洗衣机大多都在排管出口处安装红外线传感器，光敏三极管接受和输出的信号反映出管道内水的污浊度，进而反映衣物的脏污程度。褪色的衣物在洗涤中会影响水的透光度，进而影响控制器对衣物洗涤的判断。以上的一些问题都有待解决或改进。3 基于模糊控制全自动洗衣机的研究方法3.1 确定模糊控制器的结构洗衣机利用分光光度计传感器，通过检测洗衣液的透明程度等方法，检测出洗涤液中的污泥含量%和油脂

19、含量%。模糊控制器根据和的数据，选定洗涤时间（分钟）。因为只要考虑洗涤时间，可以用双输入-单输出，模糊控制器完成任务。3.2 定义输入、输出量的模糊分布为了简单起见，所有的模糊子集都选取三角形隶属度函数。选定三个模糊子集：污泥少（SD）、污泥中（MD）和污泥多（LD），用于涵盖输入量的论域，它们的隶属度函数如下: 选定三个模糊集：油脂少（NG）、油脂中（MG）、油脂多（LG）。用于涵盖输入量的论域，它们的隶属度函数如下: 选定5个模糊子集涵盖输出量的论域：很短（VS）、短(S)、中等(M)、长(L)、很长(VL)，它们的隶属度函数如下: 3.3 建立模糊规则根据人的操作经验设计模糊规则，模糊规

20、则设计的标准为：“污泥越多，油脂越多，洗涤时间越长”；“污泥适中，油脂适中，洗涤时间适中”；“污泥越少，油脂越少，洗涤时将越短”。污泥和油脂各分为三档，进行组合搭配后，可设立九条模糊控制规则，如表1所示。 表1 模糊洗衣机的洗涤控制规则表 NGMGLGSDVS(1)M(4)L(7)MDS(2)M(5)L(8)LDM(3)L(6)VL(9) 表中每条规则都给出了一个F蕴含关系，着9个F蕴含关系的并，就构成了系统总的模糊蕴含关系，即： 3.4 近似推理根据上一节的理论，近似推理总输出为：虽然总的蕴含关系由9个蕴含模糊关系构成，但是每次输入量并不能把它们全部激活。这样，为了减少计算量，可以不必先求出

21、总，根据测得的即时输入量，只用被激活的控制规则进行推理，不必计算从1到9的全部，只算出被激活的几个。例如，某时刻测量的清晰输入量为根据下文的仿真图可知，清晰量模糊化后只映射到模糊子集和上；根据下文的仿真图可知，清晰量模糊化后只映射到模糊子集和上。从模糊规则表1可知，这样的输入量只能激活4条模糊规则。现将它们及其序号列在下面，并写出了相应的蕴含关系：If x is MD and y is MG ,then t is M(5),If x is MD and y is LG ,then t is L(8),If x is LD and y is MG ,then t is L(6),If x is

22、LD and y is LG ,then t is VL(9),下面计算由上述每条规则推得的模糊量。对于控制规则（5），其输出为，由于MD(60)=,0.8，MG(70)=0.6,于是输出其中是数值0.6和模糊子的数积，依然是一个模糊子集。对于控制规则（8），其输出为，由于MD(60)=,0.8，LG(70)=0.4,于是输出，其中是0.4和的数积。对于控制规则（6），其输出为，由于所以输出，其中是0.2和的数积。对于控制规则（9），其输出为，由于所以输出其中是0.2和的数积。最后总输出模糊子集：总输出是个模糊子集，它的隶属度函数是一个覆盖1060分钟的不规则形状。要想用它直接去控制驱动控制系

23、统的洗涤时间，显然是不可能的，必须对它进行清晰化处理，寻求一个清晰值来代表这个模糊集合。3.5 输出模糊量的清晰化采用最大隶属度法计算模糊量清晰化后的数值。1. 最小值法（som）由图5可知，在论域上，最大隶属度为0.6，与其对应的时间点设为，它们应该满足由隶属度 可得方程，解这两个方程得出，所以最大隶属度对应时间为从19分到31分一段。2. 最大值法（lom） 3. 平均值法（mom）4. 平均值洗涤时间为4 模糊洗衣机matlabGUI仿真根据以上的设计分析，可以知道影响洗涤时间的主要因素是衣物上的污泥和油脂的多少，我们把测得衣物洗涤液中的污泥和油脂含量的多少作为模糊控制器的两个输入量，据

24、此经过近似推理，得到一个输出量，即洗涤时间。我们利用一个二维Mamdani型模糊控制器来实现一个洗衣机的自动控制。 图1 washing machine FIS编辑器为了使用方便，我们把第三部分中覆盖输入、输出变量的模糊子集及其分布综合归纳在下表中：输入量论域模糊子集隶属度函数参数输出量论域模糊子集隶属函数参数污泥0 100SD（少）-50 0 50时间t0 60VS(很短)-10 0 10MD（中）0 50 100S（短）0 10 25LD（多）50 100 150M（中等）10 25 40油脂0 100NG（少）-50 0 50L（长）25 40 60MG（中）0 50 100VL（很长）

25、40 60 80LG（多）50 100 150表2 输入量、输出量的模糊子集及其分布（三角形隶属度函数）洗衣机FIS编辑器输入、输出变量隶属度函数编辑： 图2 输入量x的MF编辑器 图3 输入量y的MF编辑器 图4 输出量t的MF编辑器 图5 洗衣机的Rule编辑器至此，洗衣机的FIS设计、编辑工作全部完成。下面来观测模糊推理的过程： 图6 洗衣机Rule观测窗 从图中可以看出，洗衣机控制器有x和y两个输入量，有一个输出量t，有9条控制规则，红色游标线的位置表示当x=72、y=63.2时，t=24.9s，拖动红色游标线可以看到输出量随着输入量变化的实时情况。下面来观察清晰化方法对输出量的影响：

26、 图7 清晰化方法对输出量的影响为了简单起见，我把输出函数的算法类型由trimf变为psigmf，可见在MF编辑器中t的隶属度曲线形状和Rule观测窗中t的数值都发生了变化，所以说改变清晰化方法会对输出量产生影响。由于FIS输出量曲面观测窗可以用一个空间曲面把论域上的输入量和输出量间的函数关系显示出来，我们可以从中观测到输出的理想程度。空间曲面越光滑，表面输出近乎连续。 图8 洗衣机输出量曲面观测窗可以看出，输出t是x和y两个输入变量的函数，由于只有两个输入，控制器的设计比较简单，曲面不是很光滑，因此控制器的设计还需进一步改进，但是基本的设计思路和方法都已经表现出来了。以上便是模糊洗衣机控制器

27、仿真的全过程。4 总结 随着例如模糊控制、神经网络等智能控制技术在家用电器中的到越来越广泛地应用，智能控制技术正吸引着越来越多人的眼球。这些技术为传统工业带来了新的技术革命和利益商机。洗衣机代表着其中一个重要的市场，模糊控制技术不仅可以使得洗衣方法更加科学高效，而且在节约能源、减少污染等环保也有着不凡的贡献。可以预见，模糊控制技术在现代社会的应用前景依然十分看好15。 参考文献1 章卫国,杨向忠.模糊控制理论与应用.西安:西北工业大学出版社,2004.2 李卫东.采用模糊控制的全自动洗衣机.(山西省专业技术人员服务中心,山西太原 ）3 石辛民,郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真.北京:清华大

28、学出版社,北京交通大学出版社,2008.4 廉小亲,模糊控制技术.北京:高等教育出版社,2003.5 李人厚,秦世引.智能控制理论和方法.西安:西安交通大学出版社,1994 . 6 王立新.模糊系统与模糊控制.王迎军,译.北京:清华大学出版社,2003.7 王玉梅.全自动洗衣机的模糊控制系统.(潍坊学院信息与控制工程系,山东潍坊 ）8 路立平.模糊控制洗衣机混浊度模型及检测. (郑州轻工业学院控制工程系 ， 郑州 ）9 余剑生.基于模糊控制的智能洗衣机的设计.(广东技术师范学院工业中心, 广东广州)10 刘素芳1,刘素平2.基于模糊控制的洗衣机水位控制的仿真. (1.张家口职业技术学院,河北张

29、家口;2.张家口市第一公路工程公司,河北张家口）11 刘贺,余成波,张方方.全自动洗衣机的模糊控制分析. (重庆理工大学远程测试与控制技术研究所, 重庆)12 SIEMENS AG FWB.The Operating Instructions of Simens Washing Machine.13 王耀南,孙炜.智能控制理论及其应用.北京:机械工业出版社.2008.14 Hu Lianhua, Li Xinping, Tang Wei, Liu Qingli.The Application of Fuzzy Control in Pulp Washing Process.2011 Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation.15Rasoul Mohammadi-Milasi,CaroLucas,and Babak Nadjar Araabi,Intelligent Modeling and Control of Washing Machine Using LLNF Modeling and Modified BELBIC. 专心-专注-专业