傳感器在模糊控制洗衣機中的應用研究

1、 畢業(yè)論文傳感器在模糊控制洗衣機中的應用研究傳感器在模糊控制洗衣機中的應用研究摘 要模糊控制是首先對控制對象按照人們的經(jīng)驗總結(jié)出模糊規(guī)則,然后由單片機對這些信息按照模糊規(guī)則做出決策來完成自動控制。首先，本文將概述模糊控制的基本原理和特點，并研究模糊控制在洗衣機中的應用方面。例如，在洗滌衣物過程中，衣物的多少，面料的軟硬等都是模糊量，所以首先做大量的實驗，總結(jié)出人為的洗滌方式，從而形成模糊控制規(guī)則。其次，本文將根據(jù)模糊控制原理對洗衣機的水位控制進行具體的研究，具體主要是模糊傳感器的應用，即利用模糊傳感器實現(xiàn)對洗衣機水位的測量，并把得到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機A/D轉(zhuǎn)換后，輸出結(jié)果。最后，通過MATLAB仿

2、真器在實際設(shè)計中的應用，模擬研究是模糊洗衣機加水和排水的模糊控制。通過建立模糊推理系統(tǒng)，完成模擬量的函數(shù)關(guān)系及函數(shù)圖像，驗證得出模糊傳感器較以往的傳感器更加智能化，便捷化，為人們的生活節(jié)約了許多不必要的麻煩。關(guān)鍵詞：模糊控制，隸屬度函數(shù)，模糊推理系統(tǒng)，模糊傳感器The Sensors applied research in the fuzzy control of washing machines Author：Zhang danyang Tutor：He jintianAbstractAccording to peoples experience, the fuzzy control sum

3、marizes the fuzzy rule to the controlled member at first, and then according to the fuzzy rule, it makes the decision-making to complete the automatic control by the monolithic integrated circuit to this information. First, this article will outline the fuzzy control the basic principle and the char

4、acteristic, and elaborates the fuzzy control in washers application aspect. For example, in the clothing washing process, the fuzzy quantity contains how many clothings, the lining soft or hard and so on, therefore first does the massive experiments, and summarizes the artificial wash way, thus form

5、s the fuzzy control rule. Next, according to the fuzzy control this article will act principle to conduct the concrete research to washers water monitor, which is mainly the fuzzy sensors application specifically, namely the use fuzzy sensor realizes to the washer water level survey, and the data wh

6、ich obtains after the monolithic integrated circuit A/D transformation will be put out.Finally, the simulator study is the fuzzy washer watering and the draining water fuzzy control through the MATLAB simulators in actual design application. Through the establishment fuzzy reasoning system, the simu

7、lation quantity completes the functional relations and the function image, and the confirmation obtains the fuzzy sensor former sensor more intellectualized, convenient, saved many nonessential troubles for peoples life. Key words: Fuzzy control, Membership function, fuzzy inference system，F(xiàn)uzzy sen

8、sor目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc198624381 1 緒 論 PAGEREF _Toc198624381 h 1 HYPERLINK l _Toc198624382 課題背景及目的 PAGEREF _Toc198624382 h 1 HYPERLINK l _Toc198624383 1.2 國內(nèi)外研究情況 PAGEREF _Toc198624383 h 1 HYPERLINK l _Toc198624384 課題研究方法 PAGEREF _Toc198624384 h 2 HYPERLINK l _Toc198624385 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容

9、PAGEREF _Toc198624385 h 3 HYPERLINK l _Toc198624386 2 模糊控制及相關(guān)知識 PAGEREF _Toc198624386 h 4 HYPERLINK l _Toc198624387 模糊語言的符號描述 PAGEREF _Toc198624387 h 4 HYPERLINK l _Toc198624388 2.2 模糊控制的基礎(chǔ)知識 PAGEREF _Toc198624388 h 5 HYPERLINK l _Toc198624389 模糊傳感器的基礎(chǔ)知識 PAGEREF _Toc198624389 h 5 HYPERLINK l _Toc198

10、624390 模糊傳感器的實現(xiàn)方法 PAGEREF _Toc198624390 h 5 HYPERLINK l _Toc198624391 Foulloy算法簡介 PAGEREF _Toc198624391 h 6 HYPERLINK l _Toc198624392 3 模糊洗衣機的水位控制設(shè)計 PAGEREF _Toc198624392 h 8 HYPERLINK l _Toc198624393 模糊控制洗衣機的工作流程 PAGEREF _Toc198624393 h 8 HYPERLINK l _Toc198624394 模糊洗衣機的水位控制的研究設(shè)計過程 PAGEREF _Toc1986

11、24394 h 8 HYPERLINK l _Toc198624395 3.3 傳感器的選擇與應用 PAGEREF _Toc198624395 h 9 HYPERLINK l _Toc198624396 由集成硅壓力傳感器MPX5100A構(gòu)成的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng) PAGEREF _Toc198624396 h 9 HYPERLINK l _Toc198624397 3.3.2 MAX1463數(shù)字傳感器信號處理器 PAGEREF _Toc198624397 h 10 HYPERLINK l _Toc198624398 壓力傳感器測量電路 PAGEREF _Toc198624398 h 10 HYPER

12、LINK l _Toc198624399 傳感器電橋工作原理 PAGEREF _Toc198624399 h 11 HYPERLINK l _Toc198624400 3.4 定量分析和計算 PAGEREF _Toc198624400 h 11 HYPERLINK l _Toc198624401 3.4.1 測量電路和量程調(diào)整 PAGEREF _Toc198624401 h 11 HYPERLINK l _Toc198624402 零點調(diào)整和遷移電路 PAGEREF _Toc198624402 h 12 HYPERLINK l _Toc198624403 單片機ADC0809 PAGEREF

13、_Toc198624403 h 13 HYPERLINK l _Toc198624404 芯片簡介 PAGEREF _Toc198624404 h 13 HYPERLINK l _Toc198624405 3.5.2 元件設(shè)計連線 PAGEREF _Toc198624405 h 13 HYPERLINK l _Toc198624406 原理圖 PAGEREF _Toc198624406 h 14 HYPERLINK l _Toc198624407 運用MATALAB實現(xiàn)的水位控制仿真 PAGEREF _Toc198624407 h 14 HYPERLINK l _Toc198624408 建立

14、模糊推理系統(tǒng)(FIS) PAGEREF _Toc198624408 h 15 HYPERLINK l _Toc198624409 模糊控制的Simulink仿真 PAGEREF _Toc198624409 h 16 HYPERLINK l _Toc198624410 洗衣機水缸加水時的Simulink仿真 PAGEREF _Toc198624410 h 16 HYPERLINK l _Toc198624411 洗衣機洗滌加水和排水Simulink仿真 PAGEREF _Toc198624411 h 17 HYPERLINK l _Toc198624412 結(jié)論 PAGEREF _Toc1986

15、24412 h 19 HYPERLINK l _Toc198624413 致謝 PAGEREF _Toc198624413 h 20 HYPERLINK l _Toc198624414 參考文獻 PAGEREF _Toc198624414 h 21 HYPERLINK l _Toc198624415 附錄 PAGEREF _Toc198624415 h 221 緒 論 課題背景及目的 1964年美國的教授創(chuàng)立了模糊集合理論,1974年英國的研制出第一個模糊控制器。模糊控制不需要了解對象的精確數(shù)學模型,根據(jù)專家知識進行控制,近十年來得到了廣泛的應用。模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng),它是以模糊數(shù)學

16、、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ),采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。它的組成核心是具有智能性的模糊控制器,無疑,模糊邏輯控制系統(tǒng)是一種典型的智能控制系統(tǒng),在控制原理上它應用模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理知識,模擬人的模糊思維方法,對復雜過程進行控制。模糊控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。從圖上可以看出,模糊控制系統(tǒng)的主要部件是模糊化過程、模糊推理和決策(含知識庫和規(guī)則庫的形成)和反模糊化。在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)沒有太大差別。主要不同之處在于模糊控制系統(tǒng)采用了模糊控制器。圖1.1 模糊控制的基本結(jié)構(gòu) 國內(nèi)外研究情況 隨著科技的飛速發(fā)展，更多的新興技術(shù)

17、和新興企業(yè)不斷孕育而生，模糊技術(shù)就是其中的顯著代表，作為模擬人類思維而轉(zhuǎn)化為機械自動化運作的主要依托技術(shù)，模糊技術(shù)的發(fā)展速度令人驚嘆，現(xiàn)如今已逐步取代原始手工機械操作，并越來越多的運用到了人們的日常生活之中。以下是我通過網(wǎng)絡(luò)以及書籍搜集到的一些關(guān)于國內(nèi)外模糊控制技術(shù)的研究其概況。自適應模糊控制：自適應模糊控制是具有學習算法的模糊邏輯系統(tǒng)，而模糊邏輯系統(tǒng)是由一系列模糊“如果-則”規(guī)則組成的，學習算法則是依靠輸入-輸出調(diào)整模糊邏輯系統(tǒng)的參數(shù)。由于其兼容了模糊控制理論與自適應控制理論的優(yōu)點，因此，在非線性函數(shù)逼近、非線性系統(tǒng)建模與辨識、非線性系統(tǒng)控制和自適應、自組織、自學習等方面得到了廣泛的研究和應

18、用。其中，如何消除逼近誤差和外擾的影響，保證非線性模糊控制系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力是當今控制領(lǐng)域的研究熱點之一。神經(jīng)模糊控制在SAW壓力傳感器溫度補償中的應用：聲表面波(SAW)技術(shù)是一門新興熱門研究課題之一，國內(nèi)外已有溫度、壓力、加速度等傳感器的相關(guān)報道。SAW壓力傳感器借助于它無以倫比的性能，諸如：1)數(shù)字號輸出；2)高靈敏度、高分辨力、抗干擾能力強；3)易于大規(guī)模集成。正是由于這些自身的優(yōu)越性，它有著廣泛的應用領(lǐng)域。但美中不足的是SAW壓力傳感器對環(huán)境的要求比較苛刻，SAW振蕩器輸出頻率信號隨著壓力、溫度、磁場等外界因素變化而變化，特別是溫度的影響是測量誤差的主要來源，為保證SAW壓力傳

19、感器高準確度和高靈敏度測量，必須進行有效的溫度補償。模糊PID控制器在起重機糾偏系統(tǒng)中的應用：大部分橋式起重機都有不同程度的大車跑偏或啃軌現(xiàn)象。工程中通常采用的糾偏方案或多或少都存在控制精度的問題，嚴重的甚至出現(xiàn)重大事故。鑒此情況，本文通過對起重機運行機構(gòu)使用的自動糾偏方案的分析，并對傳統(tǒng)PID控制器方案和模糊控制器方案的優(yōu)缺點和適用性進行分析比較，把模糊控制理論應用到起重機糾偏控制系統(tǒng)中，針對起重機運行機構(gòu)的特點，提出了模糊PID智能糾偏的方案，以達到工業(yè)現(xiàn)場實際使用的要求。且系統(tǒng)具有較好的移植性，可以方便的應用在不同型號的橋式起重機上。 此外，模糊控制在紡織工程、環(huán)保工程、機電工程、通信工

20、程、海運工程、國防工程和計算機等領(lǐng)域的應用也非常廣泛，也可以為機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)、工業(yè)自動化專業(yè)、電氣工程及其自動化專業(yè)以及與自動控制相關(guān)專業(yè)的相關(guān)行業(yè)工程技術(shù)人員提供參考。 課題研究方法目前，模糊傳感器已被廣泛應用，而且已進入平常百姓家，如模糊控制洗衣機中布量檢測、水位檢測、水的渾濁度檢測，電飯煲中的水、飯量檢測，模糊 充電器等。另外，模糊距離傳感器、模糊溫度傳感器、模糊色彩傳感器等也是國外專家們研制的成果。隨著科技的發(fā)展，科學分支的相互融合，模糊傳感器也應用到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別等體系中。 模糊控制的內(nèi)容涵蓋很廣，需要通過大量的網(wǎng)絡(luò)與書籍中攫取資料，首先從模糊控制的基礎(chǔ)知識入手，根

21、據(jù)模糊控制的基本結(jié)構(gòu)推理系統(tǒng)并按設(shè)計要求繪制其隸屬度函數(shù)。隨后根據(jù)模糊控制原理對洗衣機加水和排水過程進行模擬設(shè)計和仿真。最后運用掌握資料進行對比修正。 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容論文中，首先簡要研究了模糊控制在洗衣機中的應用，例如對水位的控制，渾濁度的控制，溫度的控制等，每項控制都是基于模糊控制的原理，利用人們的固有思維進行設(shè)計和應用的，所以體現(xiàn)出模糊洗衣機的智能化、全自動化。這就是模糊控制的基本要義。隨后，重點研究關(guān)于模糊控制在洗衣機中的應用，主要是通過研究洗衣機水位控制方法。其中，運用到了模糊傳感器，其作用就是在原有的傳感器感知過程得到數(shù)字量后，又將數(shù)子量轉(zhuǎn)化成能產(chǎn)生和處理與其相關(guān)的測量的符號信息

22、。最終以符號信息的形式讓人們了解使用過程中的運行狀況并提供可供調(diào)節(jié)的運行步驟。 最后，利用MATLAB仿真系統(tǒng)進行仿真設(shè)計。通過此次研究，驗證了模糊傳感器在洗衣機中水位控制的作用就是更直觀的模擬人們的思維方式，給人清晰的符號信息，在運行洗衣機的過程中更加輕松、簡便，易操作。2 模糊控制及相關(guān)知識2.1 模糊語言的符號描述模糊語言是人類表述語言的一種，因為人們對自然界事物的認識存在著一定的模糊性，用模糊符號1來表述信息具有較為簡單、方便，且易于進行高層邏輯推理等優(yōu)點。模糊符號化表示就是利用模糊數(shù)學的理論和方法，借助于專門的技術(shù)工具，把測量得到的信息，用適合人們模糊概念的模糊語言符號加以描述的過程

23、。符號是信息的載體，是對一個物體或事件狀態(tài)的描述，它定義了實體的特征屬性或?qū)嶓w間的關(guān)系。設(shè)Q為數(shù)值域，S為語言域，在各自的論域上有若干個元素、，且表示為： (2.1) (2.2)同時，在論域Q和S上分別定義一組關(guān)系數(shù)： R=R1，R2， ， QQQ (2.3) P=P1P2 Pi SSS (2.4)并且定義：D=Q，R，L=S，P 其中，D表示對象關(guān)系系統(tǒng)，描述數(shù)值域元素及其相互關(guān)系； L表示符號關(guān)系系統(tǒng)，描述符號域元素及其相互關(guān)系。 設(shè)有兩個映射M和F，M：QS，使得Si=M（），F(xiàn):RP，使得Pi=F()成立，且M QS和（） M，則稱是的一個符號。的含義是從數(shù)值域下向語言域映射的投影，而

24、對每一次測量，符號成為的描述。 如果F映射是一對一映射，而M映射是同態(tài)映射，那么一定存在逆映射：F-1(Pi)，M-1（）。M映射可以是“單對單”或“多對單”映射。那么，在后一種情況下，符號域中的一個符號經(jīng)M-1映射在數(shù)值域?qū)龅牟皇且粋€點，而是一個“子域”。因此，模糊符號化表示有一定的局限性，即在不同測量結(jié)構(gòu)下，同一測量子集的元素對應不同的符號；或在同一測量結(jié)構(gòu)下，存在測量子集的一些元素同時對應于不同的符號的情況。這一局限性可通過基于多值邏輯理論的多值符號化測量來彌補。其基本思想是：在實體測量集中，根據(jù)對實體的某一特征表現(xiàn)程度的不同，把測量子集Q中的元素按特征隸屬度最大歸類于某一子集，忽略

25、其他特征的表現(xiàn)，因此只要在測量集上對實體集選取適當多個特征表示，使之與測量集中的元素相對應，就可把Q分成有限個意義相關(guān)又表現(xiàn)不同的子集，對每一個進行符號映射，從而實現(xiàn)對實體集多值符號化測量。 2.2 模糊控制的基礎(chǔ)知識2.2.1 模糊傳感器的基礎(chǔ)知識 模糊傳感器2是在20世紀80年代末出現(xiàn)的術(shù)語。隨著模糊理論技術(shù)的發(fā)展，模糊傳感器也得到了國內(nèi)外學者們的廣泛關(guān)注。模糊傳感器是在經(jīng)典傳感器數(shù)值測量的基礎(chǔ)上，經(jīng)過模糊推理與知識集成，以自然語言符號描述的形式輸出測量結(jié)果的智能傳感器。一般認為，模糊傳感器是以數(shù)值量為基礎(chǔ)，能產(chǎn)生和處理與其相關(guān)測量的符號信息的傳感器件。 傳統(tǒng)的傳感器是數(shù)值傳感器，它將被測

26、量映射到實數(shù)集中，以數(shù)值符號來描述被測量狀態(tài)，即對被測對象給以定量的描述。這種方法既精確又嚴謹，還可以給出許多定量的算術(shù)表達式，但隨著測量領(lǐng)域的不斷擴大與深化，由于被測對象的多維性，被分析問題的復雜性或信息的直接獲取、存儲方面的困難等等原因，只進行單純的數(shù)值測量且對測量結(jié)果以數(shù)值符號來描述，這樣做有很大缺陷，例如： 某些信息難以用數(shù)值符號來描述。例如在產(chǎn)品質(zhì)量評定中，人們常用的是“優(yōu)”、“次優(yōu)”、“合格”、“不合格”，也可用數(shù)字1，2，3，4來描述，但數(shù)字在這里已失去通常的測量值的意義，它僅作為一個符號，不能來表征被測實體的具體特征。此外，很多數(shù)值化的測量結(jié)果不易理解。如在測量人體血壓時，人們

27、更關(guān)注的是：老年人的血壓是否正常，青年人的血壓是否偏高。而實測的數(shù)據(jù)往往不能被普通人讀懂，因而滿足不了人們的需求。因此，有待用新的測量理論和方法來補充。模糊傳感器正是順應人類的生活實踐、生產(chǎn)與科學實踐的需要而提出的。 .2 模糊傳感器的實現(xiàn)方法 雖然符號具有高級邏輯表達、易理解、人類經(jīng)驗與知識易集成、較寬的冗余度等特點，但與數(shù)值測量無限可分相比，符號化測量描述細節(jié)的程度和范圍不夠，尤其在利用符號對數(shù)值轉(zhuǎn)換實現(xiàn)定量測量時更為突出。而多級映射原理在實現(xiàn)數(shù)值對符號和符號對數(shù)值轉(zhuǎn)換的同時，可以擴大符號表示的細致程度和范圍。多級映射的基本功能是實現(xiàn)數(shù)值符號的變換和符號數(shù)值變換。它的信息傳輸分為兩種情況：

28、 首先是數(shù)值對符號的轉(zhuǎn)換，并且是由數(shù)值域Q中的元素經(jīng)過映射M的第一級M1映射到符號域S的子集Si，如果子集Si描述細致程度不夠，則可以進行第二級映射M2，映射M2將映射到次子集，經(jīng)過若干級映射可以得到描述信息的符號； 其次，則是符號對數(shù)值的轉(zhuǎn)換，由經(jīng)過多級映射得到的符號通過映射M-1得到數(shù)字值。 由于自然語言表現(xiàn)概念的局限性，建議多級映射的級數(shù)為3級。例如，對于0100的溫度范圍，每級采用7個概念，在映射級數(shù)為3級時，精度達到。對于不需要人們直接參與的中間測量結(jié)果情況，多級映射級數(shù)可以根據(jù)需要加以確定。映射級數(shù)的多少另一方面還取決于每一級中包含概念（元素）的個數(shù)，每一級概念個數(shù)多則需要的映射級

29、數(shù)就相應少。如果多級映射應用于包含數(shù)值輸出在內(nèi)的模糊傳感器研究，則映射級數(shù)和傳感器變換非線性誤差是相關(guān)的，映射級數(shù)應該通過給定的測量不確定度加以確定。 模糊傳感器主要由傳統(tǒng)的數(shù)值測量單元和數(shù)值符號轉(zhuǎn)換單元組成。其核心部分就是數(shù)值符號轉(zhuǎn)換單元。但在數(shù)值符號轉(zhuǎn)換單元中進行的數(shù)值模糊化轉(zhuǎn)換為符號的工作必須在專家的指導下進行。 綜上所述，要實現(xiàn)模糊傳感器就在于尋找測量數(shù)值與模糊語言之間的變換方法，即數(shù)值的模糊化，來生成相應的語言概念。所謂語言概念的生成就是要定義一個模糊語言映射作為數(shù)值域到語言域的模糊關(guān)系，從而將數(shù)值域中的數(shù)值量映射到符號域上，以實現(xiàn)模糊傳感器的功能。這里的語言值用模糊集合來表示，模糊

30、集合則由論域和隸屬函數(shù)構(gòu)成。因此模糊語言映射就是要求取相應語言概念所對應數(shù)值域上的模糊隸屬函數(shù)。如何進行概念生成是實現(xiàn)模糊傳感器的關(guān)鍵。目前有很多方法可以實現(xiàn)模糊傳感器的功能。 2.2.3 Foulloy算法簡介國外很多學者對模糊傳感器的實現(xiàn)方法進行過討論，這里簡要介紹幾種：Foulloy算法3： 模糊傳感器設(shè)計的實質(zhì)是模糊變換算法的設(shè)計，即參考集的選擇與模糊量化。其過程是首先根據(jù)專家或熟練工人的知識和經(jīng)驗獲取相應測量領(lǐng)域的一級數(shù)值/語言變換策略，然后應用模糊推理方法求取相應隸屬函數(shù)。Foulloy提出了基于語義關(guān)系的概念生成方法，首先，由論域的意義來定義一個通用的概念，稱屬概念，使之對應數(shù)值

31、域中論域上的主要區(qū)間，然后在此基礎(chǔ)上定義新概念，以產(chǎn)生其它語義值及其意義，新概念通過語言修正器內(nèi)部自動生成。Foulloy還提出了基于已知點集通過內(nèi)插方法實現(xiàn)的模糊狀態(tài)傳感器，每一學習點通過Delaunay三角法在測量空間的笛卡爾積上構(gòu)造模糊分割，三角法用于建立與過程狀態(tài)相關(guān)的符號的模糊意義。Benoit E等人討論了使用符號信息時，符號語義與被測量信息在特定任務(wù)環(huán)境下的關(guān)系，認為模糊傳感器必須根據(jù)測量關(guān)系來構(gòu)造，并且應該可以重組以適應不同的測量關(guān)系。并提出了將基礎(chǔ)概念作為先驗信息提供給傳感器，其余概念由運算自動生成的設(shè)計思想。這種方法保留了概念之間的相對語義，但不能保證與測量關(guān)系符號說明的一

32、致性，因此必須考慮環(huán)境對測量關(guān)系的修正問題，他提出了基于定性學習以及通過復合調(diào)節(jié)說明的函數(shù)方法來進行修正。他提出了基于Delaunay多維空間的三角測量的線性插值來構(gòu)造模糊分割的新方法，用以建立采用多元件測量的模糊傳感器。Stipanicer D等人認為模糊傳感器是一種智能測量設(shè)備，由簡單選擇的傳感器和推理器組成，將被測量轉(zhuǎn)換為適于人類感知和理解的信號。由于知識庫中存儲了豐富的專家知識和經(jīng)驗，它可以通過簡單、廉價的傳感器測量相當復雜的現(xiàn)象。 3 模糊洗衣機的水位控制設(shè)計 模糊控制洗衣機的工作流程模糊控制4是首先對控制對象按照人們的經(jīng)驗總結(jié)出模糊規(guī)則,然后由單片機對這些信息按照模糊規(guī)則做出決策來

33、完成自動控制。在洗滌衣物過程中,衣物的多少,面料的軟硬等都是模糊量,所以首先做大量的實驗,總結(jié)出人為的洗滌方式,從而形成模糊控制規(guī)則。渾濁度、布質(zhì)、布量等都是通過現(xiàn)行狀態(tài)的檢測,再通過模糊推理得出的。在模糊洗衣機5中,主要考慮布質(zhì)、布量、水溫和骯臟度這幾種條件,而從這些條件求取水位、洗滌時間和水流、漂洗方式和脫水程度的具體數(shù)據(jù)。任何一個模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計的關(guān)鍵是模糊控制器的設(shè)計,而模糊控制器的設(shè)計實際上就是得出總控表。圖3.1是模糊洗衣機總的流程圖。圖3.1 洗衣機工作流程圖3.2 模糊洗衣機的水位控制的研究設(shè)計過程模糊洗衣機的水位控制主要是基于模糊傳感器的原理，即運用模糊傳感器感知信息量，經(jīng)

34、由其信號處理器轉(zhuǎn)化為符號信息展示給人們，具體過程為：首先，通過集成硅壓力傳感器MPX5100A構(gòu)成壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，然后通過MAX1463數(shù)字傳感器信號處理器行使信號處理以及運行過程中的溫度補償作用，再轉(zhuǎn)由單片機ADC0809進行數(shù)模轉(zhuǎn)化并顯示，從而完成模糊控制過程。 傳感器的選擇與應用.1 由集成硅壓力傳感器MPX5100A構(gòu)成的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)6的框圖如圖3.2 （a）所示: 圖3.2 （a） 壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的框圖利用該系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)蓄水池中的水量。蓄水池內(nèi)的水壓經(jīng)過管道傳給傳感器，傳感器就輸出一個與被監(jiān)測壓力成正比的電壓信號()，送至比較器。用戶通過改變壓力選擇電路輸出的參考電壓(URE

35、F)來設(shè)定壓力。將與UREF進行比較后，再通過電機驅(qū)動電路去控制電機水泵的開啟或關(guān)閉。當蓄水池中的水壓低于設(shè)定壓力時，就開啟電機水泵，給蓄水池注水以增加壓力。一旦水壓達到設(shè)定值，立即關(guān)閉電機/水泵。 一種實用的壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電路6如圖3.2 （b）所示。+12V電源經(jīng)過78L05(IC2)獲得+5V電壓，單獨給MPX5100供電。其余電路均采用+12V電源。 HYPERLINK :/ ic37 /hot/MC33033.htm o MC33033貨源和PDF資料 t _blank MC33033(IC1)為電機控制器， HYPERLINK :/ ic37 /partno/MC34272.htm

36、 o MC34272貨源和PDF資料 t _blank MC34272(IC3)為雙運放(現(xiàn)僅用其中的一個運放)。為提高效率，電機驅(qū)動電路采用一個 HYPERLINK :/ ic37 /stockic/M/MPM3002.htm o MPM3002貨源和PDF資料 t _blank MPM3002型驅(qū)動模塊，內(nèi)部由2只P溝道功率場效應管(V1、V2)和2只N溝道功率場效應管(V3、V4)組成H橋路，驅(qū)動電流可達4A?？梢则?qū)動直流電刷電機。為避免因系統(tǒng)噪聲或微小的壓力波動而造成測量誤差，還專門增加了滯后電路，利用 HYPERLINK :/ ic37 /hot/MC33033.htm o MC33

37、033貨源和PDF資料 t _blank MC33033內(nèi)部誤差放大器和外部電阻R8R10，構(gòu)成有滯后作用的比較器。其工作原理是當 UREF時開啟電機；隨著水池壓力的不斷升高，當傳感器輸出電壓等于參考電壓與滯后電壓(UH)之和，即=UREF+UH時才關(guān)閉電機，使系統(tǒng)的壓力降低。此后，傳感器輸出電壓將一直下降到等于電機開啟時的參考電壓為止。取R8=R9=10k、R10=300k時，滯后電壓為03V，對應于75kPa的滯后壓力。電路中的開關(guān)S可用來控制電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 圖3.2 （b）壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的電路.2 MAX1463數(shù)字傳感器信號處理器圖3.3 壓力傳感器及MAX1463數(shù)字傳感器信號處理

38、器.3 壓力傳感器測量電路 采用電橋構(gòu)成測量差壓的傳感器電路7，是一種具有較高靈敏度的測量方法。擴散硅變送器主要就是電阻有源惠斯登全電橋壓力測量電路。它能在達到較高精度和穩(wěn)定性的前提下，使變送器具有較強的實用性，如零點/量程的調(diào)整和遷移方便快速。但是，一些文獻對擴散硅電橋傳感器的介紹過于簡單，僅限于定性分析。本文將定量分析擴散硅傳感器測量電路中采用的零點/量程調(diào)整、輸出信號的反饋穩(wěn)定等技術(shù)措施。.4 傳感器電橋工作原理傳感器測量電路8如圖3.4所示。無差壓時，電橋兩臂電流相等。差壓信號加到四個硅壓敏電阻上，壓敏電阻的阻值隨差壓而變化，引起電橋不平衡。電橋輸出電壓饋入放大器A1。A1的輸出電壓通

39、過晶體管Q8改變輸出電流I0的大小。I0流過電橋的電阻反饋網(wǎng)絡(luò)，使電橋恢復平衡。這樣，電橋輸出電壓的變化與差壓變化成對應比例關(guān)系。從而將差壓的變化直接轉(zhuǎn)換成電信號。圖3. 4傳感器測量電路3.4 定量分析和計算.1 測量電路和量程調(diào)整圖3.5是包括零點及量程調(diào)整電路9、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和差壓傳感電橋10的測量電路。恒流源I0表示輸出電流。四個橋臂電阻是R1S、R3S、R4S和R6S。當被測的正壓力增加時，R1S和R6S阻值減小，R3S和R4S阻值增加，電橋的輸出信號負向增加。這個對應于被測壓力變化值的電壓偏差信號。經(jīng)過測量電路中負反饋電阻網(wǎng)絡(luò)的作用，信號將保持非常接近于零?；痉答侂妷汗绞? （

40、3.1）對應于傳感器的量程上限壓力，壓敏電阻和電橋給出最大變化和最大不平衡。此時，為了保持接近于零，需要最大的反饋電壓值。當式3.1中a=1，IO2=0時，值最大，傳感器得到最大的測量范圍。量程粗調(diào)螺釘處于A位而R2滑動頭處于最下部時，就滿足以上要求。而當a=0，IO2最大時，測量范圍最窄，這種情況是三顆粗調(diào)螺釘同時處于B、C、D位置，而R2滑動頭又處于最上部。通過R2滑動頭和粗調(diào)螺釘其他位置的組合，可獲得中間的測量范圍。R2有充分的調(diào)節(jié)范圍，以便在由量程調(diào)整粗調(diào)螺釘對應不同的粗調(diào)范圍之間提供重疊。圖3.5零點及量程調(diào)整電路、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)和差壓傳感電橋的測量電路.2 零點調(diào)整和遷移電路圖3.6

41、是基本電橋電路10加上遷移100%的電路。電橋兩側(cè)中間各插入一個1000的電阻串。這串電阻有六個電壓輸出點以提供所需的零點調(diào)節(jié)范圍。即： 由于近似等于零，于是有：圖3.6基本電橋電路加上遷移100%的電路3.5 單片機ADC0809 芯片簡介ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖

42、器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。IN0IN7：8條模擬量輸入通道 ADC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條 ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入，如CBA=000時選擇INO通道。從ADC0

43、809的通道IN0輸入05V之間的模擬量，通過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量在數(shù)碼管上以十進制形成顯示出來。ADC0809的VREF接5V電壓。 元件設(shè)計連線(1)把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的PP與“動態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的ABCDEFGH端口用8芯排線連接。(2)把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的PP與“動態(tài)數(shù)碼顯示”區(qū)域中的S1S2S3S4S5S6S7S8端口用8芯排線連接。(3)把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的ST端子用導線相連接。(4)把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的OE端子用導線相連接。(5)把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的EOC端子用導線相連

44、接。(6)把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P與“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的CLK端子用導線相連接。(7)把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的端子用導線連接到“電源模塊”區(qū)域中的GND端子上。(8)把“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的IN2端子用導線連接到自制的測溫電路上。(9)把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的PP用8芯排線連接到“模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊”區(qū)域中的D0D1D2D3D4D5D6D7端子上。 原理圖圖3.7 硬件連接圖 運用MATALAB實現(xiàn)的水位控制仿真為了實現(xiàn)模糊控制器的標準化設(shè)計,目前在實際中常用的處理方法是Mamdani提出的方法11,就是把誤差值E和(或者)誤差變化EC的變化范圍設(shè)定為一區(qū)間(n7)連續(xù)變化量,使之離散化,

45、構(gòu)成含若干個整數(shù)元素的離散集合。例如將誤差值的變化范圍設(shè)定為-6,6,則離散化后的離散集合可以為:實際中精確輸入量一般不會在之間變化,假設(shè)它的變化范圍為,這時可以通過下列公式變換:將在之間變化的變量x轉(zhuǎn)換為在之間變化的變量Y。再把之間變化的連續(xù)量根據(jù)需要分成若干等級,每個等級作為一個模糊變量,并對應一個模糊子集合或者隸屬函數(shù)。仍采用上面的例子可以分為8個等級:“正大(PB)”、“正中(PM)”、“正小(P)”、“正零(PZ)”、“負零(NZ)、“負小(ZS)”、“負中(NM)”、“負大(NB)”。另外也可以根據(jù)實際需要將等級數(shù)目(項集合)擴大和縮小,項集合的多少反映了控制分辨率的高低,項集合越

46、多分辨率越高,項集合越少分辨率越低。通過以上的分析就可以先將精確的輸入量轉(zhuǎn)換為區(qū)間的值,該值對不同的模糊項集合有不同的隸屬度。這就完成了對精確輸入量的模糊化過程。模糊控制規(guī)則一般具有如下形式:其中E、C和U分別為誤差e、誤差變化c和控制量u的語言變量,而Ai、Bi、為其相應論域上的語言值(如NB,NM,NS,ZO.PS,PM等)。3.6.1 建立模糊推理系統(tǒng)(FIS)在MATLAB12命令窗口運行Fuzzy函數(shù)來建立兩個FIS文件,選擇模糊控制器的類型為Mamdani型,根據(jù)系統(tǒng)的要求確定其輸入為e和,輸出為U,分別給出它們的隸屬函數(shù)見附錄A1所示。建立的FIS模塊12分別控制進出水閥門開關(guān)的

47、比率,e表示進出水位信號偏差, 表示水位偏差變化率, U表示進水閥門開關(guān)的比率,取U的范圍在-1,1間。選取進出水位信號偏差e,水位誤差變化率和輸出控制量U( U1、U2)的論域分別為:; ；;其各自的語言值分別選為: ; ; ;按不同的分布函數(shù)可確定PBNB各Fuzzy子集的隸屬函數(shù)(x),并構(gòu)成語言變量e、和U的賦值表(見表3.1)。通過總結(jié)專家經(jīng)驗,可以有:“如果水位偏低,且有大幅度降低的趨勢,則進水閥門開到中等大小”、“如果有水位非常低,且有大幅度升高的趨勢,則進水閥門開大”、“如果有水位高,且有大幅度升高的趨勢,則出水閥門開到中等大小”等等。 模糊控制的Simulink仿真表3.1

48、U模糊控制表 e NB NM NS 0 PS PM PB ecNB PB PB PM PS 0 NS NSNM PB PM PS PS 0 NS NSNS PM PS PS 0 0 NS NS0 PS PS PS 0 NS NS NSPS PS PS 0 0 NS NS NMPM PS PS 0 NS NS NM NBPB PS PS 0 NS NM NB NB在Matlab的Simulink環(huán)境下,利用SimPower Sys-tem豐富的模塊庫,在分析其數(shù)學模型的基礎(chǔ)上,建立了模糊控制系統(tǒng)仿真模型。3.6.3 洗衣機水缸加水時的Simulink仿真選取大小為的常值信號作為系統(tǒng)的設(shè)定輸入,選

49、取的正弦信號對系統(tǒng)作定值擾動。建立如圖3.8所示的系統(tǒng)仿真模型。常值信號與正弦信號相減得到水位誤差(初始水位減去實際水位)9,而為了所得的誤差足夠精確我采用了二次求誤差的方式得到進出水位信號偏差(水位誤差減去輸出水位誤差的方式),將其與水位偏差變化率()混合后輸入到模糊控制模塊(Inflow Fuzzy Logic Controller)里,利用switch轉(zhuǎn)換開關(guān)對輸入的兩個信號進行選擇通過。switch在這里有三個輸入的中間量,第一個輸入為水位偏差,第二閾值設(shè)定為5,第三個輸入為經(jīng)過模糊控制器處理后的精確的閥門開關(guān)的比率,設(shè)定只有當大于門限5閥值才可以通過switch輸出到進水閥門控制器(

50、INPUT VALVE)中,控制進水閥門的開關(guān)比率。輸出值控制洗衣機水缸(washing machine tank)的進水大小,利用排水閥門(OUTPUT VALVE)開關(guān)的比率控制出水量,最終達到控制水位的作用。水箱設(shè)定高度在、水箱底面積、出水管橫截面積、溢出傳感器離頂部高度和最初水位高度。圖3.8 洗衣機水缸加水時的Simulink仿真模型由此,通過Comparison示波器得到輸入和輸出水位比較圖, 見附錄A2所示。正弦波為輸入水位信號,另一個為輸出水位信號。而通過輸出水位閥門顯示閥門的控制后水位, 見附錄A3所示。3.6.4 洗衣機洗滌加水和排水Simulink仿真洗衣機洗滌時進出水閥

51、門是常開的,目的是要把衣服漂洗干凈,使水缸中的水變的清澈,以達到洗滌的作用。由此,可以借鑒圖3.8的Simulink仿真模型得到如圖3.9所示的新的仿真模型,由于輸出水位和輸入的水位的瞬間響應不是很理想,因此加入兩個校正器,分別為1/10s2+5s+1和1/7s+1,此時系統(tǒng)的響應明顯得到改善而波形也更加平滑12。圖3.9 洗衣機洗滌加水和排水Simulink仿真在設(shè)計仿真模型時,借用了MATLAB自帶的sltank的S函數(shù)(S-Function)模塊,產(chǎn)生如附錄A5所示水箱Demo模型。在洗滌中,把水位控制在一個基準標準(),使水位在該值上下變化。利用附錄A4和附錄A5仿真運行時對比觀察,可以直觀的達到人機互動的目的。結(jié) 論模糊控制系統(tǒng)產(chǎn)生的背景控制技術(shù)被廣泛地應用在各種工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域里，成為現(xiàn)代高新技術(shù)的重要手段之一。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，控制理論與方法也得到發(fā)展。除了對PID型控制器在應用前景方面的廣泛研究以外，狀態(tài)空間方法，隨機方法，優(yōu)化控制，濾子方法以及狀