洗衣機(jī)模煳控制

1、工業(yè)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)技術(shù)策略及實(shí)現(xiàn)摘 要介紹了模糊控制這一被稱為“21世紀(jì)的核心技術(shù)”的研究背景;提出了工業(yè)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)策略和設(shè)計(jì)框架;綜述了模糊控制知識庫的建立和模糊控制器的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì).關(guān)鍵詞工業(yè)洗衣機(jī);模糊控制;模塊化設(shè)計(jì);多任務(wù)編程1 研究的背景和意義模糊數(shù)學(xué)和模糊控制的概念是加利福尼亞大學(xué)教授扎德(L A Zadeb)在他的Fuzzy Sets、Algo-rithm和A Rationale For Fuzzy Control等論著中首先提出1.1974年英國倫敦大學(xué)教授E HManidani首先應(yīng)用模糊控制邏輯研制成功模糊控制器.1979年,英國

2、I J Procyk和E H Manidani研制成功自組織模糊控制器,標(biāo)志著模糊控制器“智能化”程度的進(jìn)一步提高.1984年年底國際模糊系統(tǒng)學(xué)會成立.模糊控制理論從提出至今雖然只有20多年,但是無論在模糊理論的算法、模糊推理決策、工業(yè)控制應(yīng)用、模糊系統(tǒng)集成,以及自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和工程應(yīng)用方面都取得了長足的進(jìn)步2.模糊控制是智能控制領(lǐng)域的重要發(fā)展方向,模糊控制技術(shù)被稱為“21世紀(jì)的核心技術(shù)”.模糊控制技術(shù)進(jìn)入商品化,使產(chǎn)品的自動化和智能化水平不斷提高.工業(yè)洗衣機(jī)廣泛應(yīng)用于賓館、飯店、醫(yī)院、部隊(duì)、學(xué)校、車站、客運(yùn)碼頭等洗滌衣物量大的場所,由于洗滌容量大、洗滌效率高以及洗凈度高等特點(diǎn),贏得了越來越大

3、的市場.對工業(yè)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)的研制與開發(fā),旨在進(jìn)一步提高其自動化、智能化程度,將給工業(yè)洗衣機(jī)以更強(qiáng)大的生命力.系統(tǒng)的研制開發(fā)是以XGQ-25型全自動洗滌脫水機(jī)為原型機(jī),實(shí)現(xiàn)洗滌過程的模糊控制.原型機(jī)是程序控制洗滌脫水機(jī),用戶根據(jù)不同洗滌物的布質(zhì)、布量、臟污狀況憑經(jīng)驗(yàn)選擇多個(gè)功能鍵,決策因人而異,洗滌效果自然有差別.采用模糊控制技術(shù)的全自動洗滌脫水機(jī),用電腦全部或部分代替人腦進(jìn)行洗滌過程的決策,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行模糊判斷、推理和決策,并自動生成優(yōu)化的洗滌方案,使整個(gè)洗滌過程在無需人工干預(yù)的情況下自動完成,而且可以節(jié)水、節(jié)電、省時(shí)、省心.經(jīng)文獻(xiàn)檢索確認(rèn),迄今,模糊控制工業(yè)洗衣機(jī)研制在國內(nèi)外尚屬空白.

4、因此,筆者的研制成果不僅具有重大的科學(xué)意義,而且可以增強(qiáng)國產(chǎn)工業(yè)洗衣機(jī)的國內(nèi)外市場競爭力.2 工業(yè)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)框架   本系統(tǒng)是一個(gè)多輸入多輸出的控制系統(tǒng).主要輸入量(模糊量)有洗滌物的布質(zhì)、布量、臟污程度、臟污性質(zhì)等.系統(tǒng)的輸出量有電機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)水量、水位、洗滌時(shí)間(包括過清和脫水時(shí)間)和洗滌劑投放量等.總的設(shè)計(jì)思路是利用相應(yīng)的傳感器檢測各種輸入量,通過轉(zhuǎn)換和處理,運(yùn)用各種控制模塊和模糊控制規(guī)則,經(jīng)模糊計(jì)算和推理決策,確定洗滌程序和洗滌過程中的輸出量.2.1 模糊控制器設(shè)計(jì)的框架構(gòu)思模糊控制器設(shè)計(jì)利用主要因素推理和間接推理等方法.主要因素推理即是抓住主要因果

5、關(guān)系,放棄次要因果關(guān)系.例如,用布質(zhì)、布量的監(jiān)測數(shù)據(jù)來推理決策水位、轉(zhuǎn)速、洗滌時(shí)間等工作參數(shù).間接推理亦稱順序推理,即將前一種推理作為本次推理的前提,從而引申出新的結(jié)果.例如,若洗滌劑投放量大時(shí),洗滌時(shí)間會相應(yīng)延長.本系統(tǒng)對以上兩種推理方法進(jìn)行綜合應(yīng)用而得出模糊控制規(guī)則,配以模糊計(jì)算和推理,根據(jù)輸入信息而自動生成受控的輸出量,通過正交法對原型機(jī)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn),建立和完善知識庫(包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫),確立理想的模糊控制模型.模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.模糊控制器的控制過程分三個(gè)步驟:模糊化、模糊邏輯推理、解模糊化判決.以上三個(gè)步驟分別在模糊控制器狀態(tài)接口(模糊化器)、模糊推理機(jī)和控制接口(

6、解模糊化判決)完成,從而在專家的經(jīng)驗(yàn)或在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立被控對象的模糊控制模型.2.2 工業(yè)洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)方案硬件設(shè)計(jì)方案采用主從雙CPU控制方式,由兩個(gè)CPU分別進(jìn)行合理的功能分配.主機(jī)負(fù)責(zé)管理顯示模塊(LED/LCD)、鍵盤(面板)、信號輸入/輸出模塊、變頻器;從機(jī)負(fù)責(zé)管理溫度傳感器、水位傳感器、混濁度傳感器.采用主從雙CPU控制方式,有利于系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠并保證響應(yīng)實(shí)時(shí)性及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能.硬件設(shè)計(jì)遵循“模塊化設(shè)計(jì)”思想,每個(gè)功能模塊在定型前都必須進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),方案可行后再實(shí)施,然后將各個(gè)功能模塊有機(jī)地合并起來.在硬件設(shè)計(jì)中充分考慮內(nèi)外環(huán)境的干擾,采用多種抗干擾的技術(shù)

7、處理,保證系統(tǒng)的可靠性3.如圖2所示,該系統(tǒng)由一塊主控制板和一塊信號輸入輸出(I/O)板組成.其中主控制板由主CPU、EPROM、NVRAM、鍵盤、指示燈和大屏液晶顯示模板組成;信號輸入輸出接口控制板則由電源模塊、從CPU、溫度轉(zhuǎn)速模塊、布質(zhì)布量處理模塊、水位采樣處理模塊、混濁度采樣模塊、變頻器通訊和各種狀態(tài)信號輸入及繼電器信號輸出模塊組成.2.3 系統(tǒng)軟件的編程思想2.3.1 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中引入基于消息的多任務(wù)編程機(jī)制 由于采用傳統(tǒng)的單任務(wù)編程方法不能滿足穩(wěn)定性和系統(tǒng)相應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求,筆者借鑒Windows環(huán)境下基于對象的多任務(wù)編程思想,在單片機(jī)控制系統(tǒng)中引入基于消息的多任務(wù)機(jī)制(如圖3

8、所示),應(yīng)用多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行原理及消息驅(qū)動、響應(yīng)機(jī)制來解決單片機(jī)控制系統(tǒng)中基于消息的多任務(wù)編程4.系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)工業(yè)洗衣機(jī)的各種洗滌程序、操作功能和洗滌性能,并具有良好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和強(qiáng)的抗干擾能力.2.3.2 單片機(jī)軟件抗干擾技術(shù)對策 工業(yè)洗衣機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜.有來自系統(tǒng)內(nèi)部、外部的各種干擾,使微機(jī)系統(tǒng)常常不能正常運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)會造成硬件系統(tǒng)的損壞,釀成事故.在提高硬件系統(tǒng)抗干擾的同時(shí),必須強(qiáng)化軟件系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì),充分保障系統(tǒng)的可靠性.軟件抗干擾方面的措施主要有:1)當(dāng)程序運(yùn)行混亂時(shí)可使程序重入正軌的方法;2)消除模擬輸入信號的噪音(如數(shù)字濾波技術(shù));3)數(shù)據(jù)的保存與恢復(fù)技術(shù).工作重點(diǎn)放在重入

9、正軌的研究和實(shí)現(xiàn)上,在諸如指令冗余技術(shù)、攔截技術(shù)、軟件“看門狗”技術(shù)等方面加強(qiáng)研究和實(shí)施.著重防止程序“跑飛”,并解決好系統(tǒng)非法復(fù)位的自恢復(fù)問題,使系統(tǒng)具有故障診斷功能.2.4 其他技術(shù)框架2.4.1 實(shí)驗(yàn)分析與模糊規(guī)則的建立 洗衣機(jī)的洗滌過程包括初洗、主洗、過清、處理等工藝程序.洗滌的全過程為3輸入5輸出的控制過程,輸入量為布質(zhì)、布量、臟污程度和臟污性質(zhì);輸出量為水位、轉(zhuǎn)速、時(shí)間、溫度.顯然,這是面向多因素的工程實(shí)驗(yàn),正交實(shí)驗(yàn)可從多因素水平交叉搭配的全組合中優(yōu)選少數(shù)有序組,再從有限組的實(shí)驗(yàn)條件中獲取信息,運(yùn)用方差分析以有限的信息容量來反映實(shí)驗(yàn)的全貌.工業(yè)洗衣機(jī)模糊規(guī)則庫是模糊控制系統(tǒng)研制的關(guān)

10、鍵.利用原型機(jī)對典型被洗衣物進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn),通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析來確定模糊規(guī)則庫,它直接反映典型洗滌物的布質(zhì)、布量與洗滌轉(zhuǎn)速和水位的對應(yīng)關(guān)系.根據(jù)模糊規(guī)則,通過模糊推理與計(jì)算,采用最佳策略針對洗滌程序和洗滌參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.2.4.2 傳感方法的擬定和傳感器的選型 用以描述洗滌狀態(tài)的各種傳感器的選型或自行研制,亦是涉及開發(fā)工作成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一.利用傳感器進(jìn)行信號采集,準(zhǔn)確地檢測出洗滌物的布質(zhì)、布量、臟污程度、臟污性質(zhì)是進(jìn)行正確的模糊推理的前提.布質(zhì)、布量的檢測是利用洗滌物浸濕后對滾筒產(chǎn)生不同的阻抗和吸水量.阻抗值并不能直接檢測,而是通過一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器測量與滾筒相連的皮帶輪的轉(zhuǎn)速變化來間接取得

11、.吸水量也需間接測量.它是在洗衣機(jī)的進(jìn)水管上安裝流量傳感器,控制加入一定量的水,用水位傳感器測量洗滌物充分浸透后的水位值間接推算吸水量.由于阻抗與吸水量同時(shí)受布質(zhì)、布量的影響,因此需對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行專門的處理,以解開互相之間的干擾.臟污程度、臟污性質(zhì)的檢測利用初洗時(shí)滾筒內(nèi)水的混濁度的變化實(shí)現(xiàn),通常使用光傳感器測量水的透光度得到.本系統(tǒng)中采用了美國霍尼韋爾公司專用的混濁度傳感器.這是一種自帶處理器的一體化傳感器,可以通過串行接口與單片機(jī)直接通信.傳感方法和傳感器確定后,為了確定最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù),需要做大量的實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理,以便確定最佳算法5.3 結(jié)論運(yùn)用上述的技術(shù)策略研制完成的工業(yè)洗衣機(jī)模

12、糊控制系統(tǒng)、經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室的性能驗(yàn)證和在原型機(jī)上裝機(jī)聯(lián)調(diào),并經(jīng)過湖北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督總站的全面性能檢測,證明本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn).1) 既可實(shí)現(xiàn)模糊控制全自動的洗滌程序,又可執(zhí)行手動控制程序.在執(zhí)行模糊控制程序時(shí)置入衣物,只需按一個(gè)操作鍵便可自動檢測、自動生成優(yōu)化的洗衣程序和洗滌參數(shù),十分便捷.2) 界面友好.用漢化大屏幕液晶顯示器示出洗滌過程中的每個(gè)程序名稱及各個(gè)程序的模糊推理參數(shù)和實(shí)際運(yùn)行參數(shù).3) 系統(tǒng)故障檢測功能完備,能實(shí)時(shí)提示各種故障,如:水壓過低、蒸汽閥故障、電機(jī)過載、排水閥故障等.4) 研制樣機(jī)的洗凈率、各項(xiàng)傳感特性、各種模糊輸出量、各種洗滌功能均達(dá)到了我國相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和合同約定的技術(shù)要求.5) 經(jīng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和施加強(qiáng)電磁干擾,證明系統(tǒng)健壯性好、抗干擾能力強(qiáng).6) 實(shí)現(xiàn)模糊控制后,樣機(jī)節(jié)水12%18%,節(jié)電7%12%.節(jié)水、節(jié)電、省時(shí)效果良好.今后,在此基礎(chǔ)上,將引入人工智能專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行進(jìn)一步的深入開發(fā),使系統(tǒng)具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能,以實(shí)現(xiàn)洗滌全過程中的實(shí)時(shí)檢測和實(shí)時(shí)控制,使工業(yè)洗衣機(jī)的使用性能更趨于完善. 參 考 文 獻(xiàn)