洗衣机模煳控制

1、工业洗衣机模糊控制系统技术策略及实现摘 要介绍了模糊控制这一被称为“21世纪的核心技术”的研究背景;提出了工业洗衣机模糊控制系统开发的技术策略和设计框架;综述了模糊控制知识库的建立和模糊控制器的设计以及系统的硬件设计和软件设计.关键词工业洗衣机;模糊控制;模块化设计;多任务编程1 研究的背景和意义模糊数学和模糊控制的概念是加利福尼亚大学教授扎德(L A Zadeb)在他的Fuzzy Sets、Algo-rithm和A Rationale For Fuzzy Control等论著中首先提出1.1974年英国伦敦大学教授E HManidani首先应用模糊控制逻辑研制成功模糊控制器.1979年,英国

2、I J Procyk和E H Manidani研制成功自组织模糊控制器,标志着模糊控制器“智能化”程度的进一步提高.1984年年底国际模糊系统学会成立.模糊控制理论从提出至今虽然只有20多年,但是无论在模糊理论的算法、模糊推理决策、工业控制应用、模糊系统集成,以及自学习、自适应和工程应用方面都取得了长足的进步2.模糊控制是智能控制领域的重要发展方向,模糊控制技术被称为“21世纪的核心技术”.模糊控制技术进入商品化,使产品的自动化和智能化水平不断提高.工业洗衣机广泛应用于宾馆、饭店、医院、部队、学校、车站、客运码头等洗涤衣物量大的场所,由于洗涤容量大、洗涤效率高以及洗净度高等特点,赢得了越来越大

3、的市场.对工业洗衣机模糊控制系统的研制与开发,旨在进一步提高其自动化、智能化程度,将给工业洗衣机以更强大的生命力.系统的研制开发是以XGQ-25型全自动洗涤脱水机为原型机,实现洗涤过程的模糊控制.原型机是程序控制洗涤脱水机,用户根据不同洗涤物的布质、布量、脏污状况凭经验选择多个功能键,决策因人而异,洗涤效果自然有差别.采用模糊控制技术的全自动洗涤脱水机,用电脑全部或部分代替人脑进行洗涤过程的决策,由计算机进行模糊判断、推理和决策,并自动生成优化的洗涤方案,使整个洗涤过程在无需人工干预的情况下自动完成,而且可以节水、节电、省时、省心.经文献检索确认,迄今,模糊控制工业洗衣机研制在国内外尚属空白.

4、因此,笔者的研制成果不仅具有重大的科学意义,而且可以增强国产工业洗衣机的国内外市场竞争力.2 工业洗衣机模糊控制系统开发的技术框架   本系统是一个多输入多输出的控制系统.主要输入量(模糊量)有洗涤物的布质、布量、脏污程度、脏污性质等.系统的输出量有电机转速、进水量、水位、洗涤时间(包括过清和脱水时间)和洗涤剂投放量等.总的设计思路是利用相应的传感器检测各种输入量,通过转换和处理,运用各种控制模块和模糊控制规则,经模糊计算和推理决策,确定洗涤程序和洗涤过程中的输出量.2.1 模糊控制器设计的框架构思模糊控制器设计利用主要因素推理和间接推理等方法.主要因素推理即是抓住主要因果

5、关系,放弃次要因果关系.例如,用布质、布量的监测数据来推理决策水位、转速、洗涤时间等工作参数.间接推理亦称顺序推理,即将前一种推理作为本次推理的前提,从而引申出新的结果.例如,若洗涤剂投放量大时,洗涤时间会相应延长.本系统对以上两种推理方法进行综合应用而得出模糊控制规则,配以模糊计算和推理,根据输入信息而自动生成受控的输出量,通过正交法对原型机进行反复试验,建立和完善知识库(包括数据库和规则库),确立理想的模糊控制模型.模糊控制器的基本结构框图如图1所示.模糊控制器的控制过程分三个步骤:模糊化、模糊逻辑推理、解模糊化判决.以上三个步骤分别在模糊控制器状态接口(模糊化器)、模糊推理机和控制接口(

6、解模糊化判决)完成,从而在专家的经验或在大量实验数据的基础上,建立被控对象的模糊控制模型.2.2 工业洗衣机模糊控制系统硬件结构方案硬件设计方案采用主从双CPU控制方式,由两个CPU分别进行合理的功能分配.主机负责管理显示模块(LED/LCD)、键盘(面板)、信号输入/输出模块、变频器;从机负责管理温度传感器、水位传感器、混浊度传感器.采用主从双CPU控制方式,有利于系统运行稳定可靠并保证响应实时性及实现系统功能.硬件设计遵循“模块化设计”思想,每个功能模块在定型前都必须进行验证性实验,方案可行后再实施,然后将各个功能模块有机地合并起来.在硬件设计中充分考虑内外环境的干扰,采用多种抗干扰的技术

7、处理,保证系统的可靠性3.如图2所示,该系统由一块主控制板和一块信号输入输出(I/O)板组成.其中主控制板由主CPU、EPROM、NVRAM、键盘、指示灯和大屏液晶显示模板组成;信号输入输出接口控制板则由电源模块、从CPU、温度转速模块、布质布量处理模块、水位采样处理模块、混浊度采样模块、变频器通讯和各种状态信号输入及继电器信号输出模块组成.2.3 系统软件的编程思想2.3.1 在单片机控制系统中引入基于消息的多任务编程机制 由于采用传统的单任务编程方法不能满足稳定性和系统相应的实时性要求,笔者借鉴Windows环境下基于对象的多任务编程思想,在单片机控制系统中引入基于消息的多任务机制(如图3

8、所示),应用多任务并发执行原理及消息驱动、响应机制来解决单片机控制系统中基于消息的多任务编程4.系统软件实现工业洗衣机的各种洗涤程序、操作功能和洗涤性能,并具有良好的实时性、稳定性和强的抗干扰能力.2.3.2 单片机软件抗干扰技术对策 工业洗衣机的工作环境复杂.有来自系统内部、外部的各种干扰,使微机系统常常不能正常运行,严重时会造成硬件系统的损坏,酿成事故.在提高硬件系统抗干扰的同时,必须强化软件系统的抗干扰设计,充分保障系统的可靠性.软件抗干扰方面的措施主要有:1)当程序运行混乱时可使程序重入正轨的方法;2)消除模拟输入信号的噪音(如数字滤波技术);3)数据的保存与恢复技术.工作重点放在重入

9、正轨的研究和实现上,在诸如指令冗余技术、拦截技术、软件“看门狗”技术等方面加强研究和实施.着重防止程序“跑飞”,并解决好系统非法复位的自恢复问题,使系统具有故障诊断功能.2.4 其他技术框架2.4.1 实验分析与模糊规则的建立 洗衣机的洗涤过程包括初洗、主洗、过清、处理等工艺程序.洗涤的全过程为3输入5输出的控制过程,输入量为布质、布量、脏污程度和脏污性质;输出量为水位、转速、时间、温度.显然,这是面向多因素的工程实验,正交实验可从多因素水平交叉搭配的全组合中优选少数有序组,再从有限组的实验条件中获取信息,运用方差分析以有限的信息容量来反映实验的全貌.工业洗衣机模糊规则库是模糊控制系统研制的关

10、键.利用原型机对典型被洗衣物进行正交实验,通过对实验数据的处理和分析来确定模糊规则库,它直接反映典型洗涤物的布质、布量与洗涤转速和水位的对应关系.根据模糊规则,通过模糊推理与计算,采用最佳策略针对洗涤程序和洗涤参数进行优化.2.4.2 传感方法的拟定和传感器的选型 用以描述洗涤状态的各种传感器的选型或自行研制,亦是涉及开发工作成败的关键技术之一.利用传感器进行信号采集,准确地检测出洗涤物的布质、布量、脏污程度、脏污性质是进行正确的模糊推理的前提.布质、布量的检测是利用洗涤物浸湿后对滚筒产生不同的阻抗和吸水量.阻抗值并不能直接检测,而是通过一个转速传感器测量与滚筒相连的皮带轮的转速变化来间接取得

11、.吸水量也需间接测量.它是在洗衣机的进水管上安装流量传感器,控制加入一定量的水,用水位传感器测量洗涤物充分浸透后的水位值间接推算吸水量.由于阻抗与吸水量同时受布质、布量的影响,因此需对测量数据进行专门的处理,以解开互相之间的干扰.脏污程度、脏污性质的检测利用初洗时滚筒内水的混浊度的变化实现,通常使用光传感器测量水的透光度得到.本系统中采用了美国霍尼韦尔公司专用的混浊度传感器.这是一种自带处理器的一体化传感器,可以通过串行接口与单片机直接通信.传感方法和传感器确定后,为了确定最佳的实验参数,需要做大量的实验并进行计算机数据处理,以便确定最佳算法5.3 结论运用上述的技术策略研制完成的工业洗衣机模

12、糊控制系统、经过实验室的性能验证和在原型机上装机联调,并经过湖北省产品质量监督总站的全面性能检测,证明本系统具有如下特点.1) 既可实现模糊控制全自动的洗涤程序,又可执行手动控制程序.在执行模糊控制程序时置入衣物,只需按一个操作键便可自动检测、自动生成优化的洗衣程序和洗涤参数,十分便捷.2) 界面友好.用汉化大屏幕液晶显示器示出洗涤过程中的每个程序名称及各个程序的模糊推理参数和实际运行参数.3) 系统故障检测功能完备,能实时提示各种故障,如:水压过低、蒸汽阀故障、电机过载、排水阀故障等.4) 研制样机的洗净率、各项传感特性、各种模糊输出量、各种洗涤功能均达到了我国相关的标准和合同约定的技术要求.5) 经连续运转和施加强电磁干扰,证明系统健壮性好、抗干扰能力强.6) 实现模糊控制后,样机节水12%18%,节电7%12%.节水、节电、省时效果良好.今后,在此基础上,将引入人工智能专家系统和神经网络理论进行进一步的深入开发,使系统具备自学习、自适应功能,以实现洗涤全过程中的实时检测和实时控制,使工业洗衣机的使用性能更趋于完善. 参 考 文 献