传感器在模糊控制洗衣机中的应用研究

1、 毕业论文传感器在模糊控制洗衣机中的应用研究传感器在模糊控制洗衣机中的应用研究摘 要模糊控制是首先对控制对象按照人们的经验总结出模糊规则,然后由单片机对这些信息按照模糊规则做出决策来完成自动控制。首先，本文将概述模糊控制的基本原理和特点，并研究模糊控制在洗衣机中的应用方面。例如，在洗涤衣物过程中，衣物的多少，面料的软硬等都是模糊量，所以首先做大量的实验，总结出人为的洗涤方式，从而形成模糊控制规则。其次，本文将根据模糊控制原理对洗衣机的水位控制进行具体的研究，具体主要是模糊传感器的应用，即利用模糊传感器实现对洗衣机水位的测量，并把得到的数据经单片机A/D转换后，输出结果。最后，通过MATLAB仿

2、真器在实际设计中的应用，模拟研究是模糊洗衣机加水和排水的模糊控制。通过建立模糊推理系统，完成模拟量的函数关系及函数图像，验证得出模糊传感器较以往的传感器更加智能化，便捷化，为人们的生活节约了许多不必要的麻烦。关键词：模糊控制，隶属度函数，模糊推理系统，模糊传感器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，Fuzzy sen

8、sor目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc198624381 1 绪 论 PAGEREF _Toc198624381 h 1 HYPERLINK l _Toc198624382 课题背景及目的 PAGEREF _Toc198624382 h 1 HYPERLINK l _Toc198624383 1.2 国内外研究情况 PAGEREF _Toc198624383 h 1 HYPERLINK l _Toc198624384 课题研究方法 PAGEREF _Toc198624384 h 2 HYPERLINK l _Toc198624385 论文构成及研究内容

9、PAGEREF _Toc198624385 h 3 HYPERLINK l _Toc198624386 2 模糊控制及相关知识 PAGEREF _Toc198624386 h 4 HYPERLINK l _Toc198624387 模糊语言的符号描述 PAGEREF _Toc198624387 h 4 HYPERLINK l _Toc198624388 2.2 模糊控制的基础知识 PAGEREF _Toc198624388 h 5 HYPERLINK l _Toc198624389 模糊传感器的基础知识 PAGEREF _Toc198624389 h 5 HYPERLINK l _Toc198

10、624390 模糊传感器的实现方法 PAGEREF _Toc198624390 h 5 HYPERLINK l _Toc198624391 Foulloy算法简介 PAGEREF _Toc198624391 h 6 HYPERLINK l _Toc198624392 3 模糊洗衣机的水位控制设计 PAGEREF _Toc198624392 h 8 HYPERLINK l _Toc198624393 模糊控制洗衣机的工作流程 PAGEREF _Toc198624393 h 8 HYPERLINK l _Toc198624394 模糊洗衣机的水位控制的研究设计过程 PAGEREF _Toc1986

11、24394 h 8 HYPERLINK l _Toc198624395 3.3 传感器的选择与应用 PAGEREF _Toc198624395 h 9 HYPERLINK l _Toc198624396 由集成硅压力传感器MPX5100A构成的压力调节系统 PAGEREF _Toc198624396 h 9 HYPERLINK l _Toc198624397 3.3.2 MAX1463数字传感器信号处理器 PAGEREF _Toc198624397 h 10 HYPERLINK l _Toc198624398 压力传感器测量电路 PAGEREF _Toc198624398 h 10 HYPER

12、LINK l _Toc198624399 传感器电桥工作原理 PAGEREF _Toc198624399 h 11 HYPERLINK l _Toc198624400 3.4 定量分析和计算 PAGEREF _Toc198624400 h 11 HYPERLINK l _Toc198624401 3.4.1 测量电路和量程调整 PAGEREF _Toc198624401 h 11 HYPERLINK l _Toc198624402 零点调整和迁移电路 PAGEREF _Toc198624402 h 12 HYPERLINK l _Toc198624403 单片机ADC0809 PAGEREF

13、_Toc198624403 h 13 HYPERLINK l _Toc198624404 芯片简介 PAGEREF _Toc198624404 h 13 HYPERLINK l _Toc198624405 3.5.2 元件设计连线 PAGEREF _Toc198624405 h 13 HYPERLINK l _Toc198624406 原理图 PAGEREF _Toc198624406 h 14 HYPERLINK l _Toc198624407 运用MATALAB实现的水位控制仿真 PAGEREF _Toc198624407 h 14 HYPERLINK l _Toc198624408 建立

14、模糊推理系统(FIS) PAGEREF _Toc198624408 h 15 HYPERLINK l _Toc198624409 模糊控制的Simulink仿真 PAGEREF _Toc198624409 h 16 HYPERLINK l _Toc198624410 洗衣机水缸加水时的Simulink仿真 PAGEREF _Toc198624410 h 16 HYPERLINK l _Toc198624411 洗衣机洗涤加水和排水Simulink仿真 PAGEREF _Toc198624411 h 17 HYPERLINK l _Toc198624412 结论 PAGEREF _Toc1986

15、24412 h 19 HYPERLINK l _Toc198624413 致谢 PAGEREF _Toc198624413 h 20 HYPERLINK l _Toc198624414 参考文献 PAGEREF _Toc198624414 h 21 HYPERLINK l _Toc198624415 附录 PAGEREF _Toc198624415 h 221 绪 论 课题背景及目的 1964年美国的教授创立了模糊集合理论,1974年英国的研制出第一个模糊控制器。模糊控制不需要了解对象的精确数学模型,根据专家知识进行控制,近十年来得到了广泛的应用。模糊控制系统是一种自动控制系统,它是以模糊数学

16、、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础,采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器,无疑,模糊逻辑控制系统是一种典型的智能控制系统,在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理知识,模拟人的模糊思维方法,对复杂过程进行控制。模糊控制系统基本结构如图1.1所示。从图上可以看出,模糊控制系统的主要部件是模糊化过程、模糊推理和决策(含知识库和规则库的形成)和反模糊化。在结构上与传统的控制系统没有太大差别。主要不同之处在于模糊控制系统采用了模糊控制器。图1.1 模糊控制的基本结构 国内外研究情况 随着科技的飞速发展，更多的新兴技术

17、和新兴企业不断孕育而生，模糊技术就是其中的显著代表，作为模拟人类思维而转化为机械自动化运作的主要依托技术，模糊技术的发展速度令人惊叹，现如今已逐步取代原始手工机械操作，并越来越多的运用到了人们的日常生活之中。以下是我通过网络以及书籍搜集到的一些关于国内外模糊控制技术的研究其概况。自适应模糊控制：自适应模糊控制是具有学习算法的模糊逻辑系统，而模糊逻辑系统是由一系列模糊“如果-则”规则组成的，学习算法则是依靠输入-输出调整模糊逻辑系统的参数。由于其兼容了模糊控制理论与自适应控制理论的优点，因此，在非线性函数逼近、非线性系统建模与辨识、非线性系统控制和自适应、自组织、自学习等方面得到了广泛的研究和应

18、用。其中，如何消除逼近误差和外扰的影响，保证非线性模糊控制系统的鲁棒性和抗干扰能力是当今控制领域的研究热点之一。神经模糊控制在SAW压力传感器温度补偿中的应用：声表面波(SAW)技术是一门新兴热门研究课题之一，国内外已有温度、压力、加速度等传感器的相关报道。SAW压力传感器借助于它无以伦比的性能，诸如：1)数字号输出；2)高灵敏度、高分辨力、抗干扰能力强；3)易于大规模集成。正是由于这些自身的优越性，它有着广泛的应用领域。但美中不足的是SAW压力传感器对环境的要求比较苛刻，SAW振荡器输出频率信号随着压力、温度、磁场等外界因素变化而变化，特别是温度的影响是测量误差的主要来源，为保证SAW压力传

19、感器高准确度和高灵敏度测量，必须进行有效的温度补偿。模糊PID控制器在起重机纠偏系统中的应用：大部分桥式起重机都有不同程度的大车跑偏或啃轨现象。工程中通常采用的纠偏方案或多或少都存在控制精度的问题，严重的甚至出现重大事故。鉴此情况，本文通过对起重机运行机构使用的自动纠偏方案的分析，并对传统PID控制器方案和模糊控制器方案的优缺点和适用性进行分析比较，把模糊控制理论应用到起重机纠偏控制系统中，针对起重机运行机构的特点，提出了模糊PID智能纠偏的方案，以达到工业现场实际使用的要求。且系统具有较好的移植性，可以方便的应用在不同型号的桥式起重机上。 此外，模糊控制在纺织工程、环保工程、机电工程、通信工

20、程、海运工程、国防工程和计算机等领域的应用也非常广泛，也可以为机械设计制造及其自动化专业、工业自动化专业、电气工程及其自动化专业以及与自动控制相关专业的相关行业工程技术人员提供参考。 课题研究方法目前，模糊传感器已被广泛应用，而且已进入平常百姓家，如模糊控制洗衣机中布量检测、水位检测、水的浑浊度检测，电饭煲中的水、饭量检测，模糊 充电器等。另外，模糊距离传感器、模糊温度传感器、模糊色彩传感器等也是国外专家们研制的成果。随着科技的发展，科学分支的相互融合，模糊传感器也应用到了神经网络、模式识别等体系中。 模糊控制的内容涵盖很广，需要通过大量的网络与书籍中攫取资料，首先从模糊控制的基础知识入手，根

21、据模糊控制的基本结构推理系统并按设计要求绘制其隶属度函数。随后根据模糊控制原理对洗衣机加水和排水过程进行模拟设计和仿真。最后运用掌握资料进行对比修正。 论文构成及研究内容论文中，首先简要研究了模糊控制在洗衣机中的应用，例如对水位的控制，浑浊度的控制，温度的控制等，每项控制都是基于模糊控制的原理，利用人们的固有思维进行设计和应用的，所以体现出模糊洗衣机的智能化、全自动化。这就是模糊控制的基本要义。随后，重点研究关于模糊控制在洗衣机中的应用，主要是通过研究洗衣机水位控制方法。其中，运用到了模糊传感器，其作用就是在原有的传感器感知过程得到数字量后，又将数子量转化成能产生和处理与其相关的测量的符号信息

22、。最终以符号信息的形式让人们了解使用过程中的运行状况并提供可供调节的运行步骤。 最后，利用MATLAB仿真系统进行仿真设计。通过此次研究，验证了模糊传感器在洗衣机中水位控制的作用就是更直观的模拟人们的思维方式，给人清晰的符号信息，在运行洗衣机的过程中更加轻松、简便，易操作。2 模糊控制及相关知识2.1 模糊语言的符号描述模糊语言是人类表述语言的一种，因为人们对自然界事物的认识存在着一定的模糊性，用模糊符号1来表述信息具有较为简单、方便，且易于进行高层逻辑推理等优点。模糊符号化表示就是利用模糊数学的理论和方法，借助于专门的技术工具，把测量得到的信息，用适合人们模糊概念的模糊语言符号加以描述的过程

23、。符号是信息的载体，是对一个物体或事件状态的描述，它定义了实体的特征属性或实体间的关系。设Q为数值域，S为语言域，在各自的论域上有若干个元素、，且表示为： (2.1) (2.2)同时，在论域Q和S上分别定义一组关系数： R=R1，R2， ， QQQ (2.3) P=P1P2 Pi SSS (2.4)并且定义：D=Q，R，L=S，P 其中，D表示对象关系系统，描述数值域元素及其相互关系； L表示符号关系系统，描述符号域元素及其相互关系。 设有两个映射M和F，M：QS，使得Si=M（），F:RP，使得Pi=F()成立，且M QS和（） M，则称是的一个符号。的含义是从数值域下向语言域映射的投影，而

24、对每一次测量，符号成为的描述。 如果F映射是一对一映射，而M映射是同态映射，那么一定存在逆映射：F-1(Pi)，M-1（）。M映射可以是“单对单”或“多对单”映射。那么，在后一种情况下，符号域中的一个符号经M-1映射在数值域对应出的不是一个点，而是一个“子域”。因此，模糊符号化表示有一定的局限性，即在不同测量结构下，同一测量子集的元素对应不同的符号；或在同一测量结构下，存在测量子集的一些元素同时对应于不同的符号的情况。这一局限性可通过基于多值逻辑理论的多值符号化测量来弥补。其基本思想是：在实体测量集中，根据对实体的某一特征表现程度的不同，把测量子集Q中的元素按特征隶属度最大归类于某一子集，忽略

25、其他特征的表现，因此只要在测量集上对实体集选取适当多个特征表示，使之与测量集中的元素相对应，就可把Q分成有限个意义相关又表现不同的子集，对每一个进行符号映射，从而实现对实体集多值符号化测量。 2.2 模糊控制的基础知识2.2.1 模糊传感器的基础知识 模糊传感器2是在20世纪80年代末出现的术语。随着模糊理论技术的发展，模糊传感器也得到了国内外学者们的广泛关注。模糊传感器是在经典传感器数值测量的基础上，经过模糊推理与知识集成，以自然语言符号描述的形式输出测量结果的智能传感器。一般认为，模糊传感器是以数值量为基础，能产生和处理与其相关测量的符号信息的传感器件。 传统的传感器是数值传感器，它将被测

26、量映射到实数集中，以数值符号来描述被测量状态，即对被测对象给以定量的描述。这种方法既精确又严谨，还可以给出许多定量的算术表达式，但随着测量领域的不断扩大与深化，由于被测对象的多维性，被分析问题的复杂性或信息的直接获取、存储方面的困难等等原因，只进行单纯的数值测量且对测量结果以数值符号来描述，这样做有很大缺陷，例如： 某些信息难以用数值符号来描述。例如在产品质量评定中，人们常用的是“优”、“次优”、“合格”、“不合格”，也可用数字1，2，3，4来描述，但数字在这里已失去通常的测量值的意义，它仅作为一个符号，不能来表征被测实体的具体特征。此外，很多数值化的测量结果不易理解。如在测量人体血压时，人们

27、更关注的是：老年人的血压是否正常，青年人的血压是否偏高。而实测的数据往往不能被普通人读懂，因而满足不了人们的需求。因此，有待用新的测量理论和方法来补充。模糊传感器正是顺应人类的生活实践、生产与科学实践的需要而提出的。 .2 模糊传感器的实现方法 虽然符号具有高级逻辑表达、易理解、人类经验与知识易集成、较宽的冗余度等特点，但与数值测量无限可分相比，符号化测量描述细节的程度和范围不够，尤其在利用符号对数值转换实现定量测量时更为突出。而多级映射原理在实现数值对符号和符号对数值转换的同时，可以扩大符号表示的细致程度和范围。多级映射的基本功能是实现数值符号的变换和符号数值变换。它的信息传输分为两种情况：

28、 首先是数值对符号的转换，并且是由数值域Q中的元素经过映射M的第一级M1映射到符号域S的子集Si，如果子集Si描述细致程度不够，则可以进行第二级映射M2，映射M2将映射到次子集，经过若干级映射可以得到描述信息的符号； 其次，则是符号对数值的转换，由经过多级映射得到的符号通过映射M-1得到数字值。 由于自然语言表现概念的局限性，建议多级映射的级数为3级。例如，对于0100的温度范围，每级采用7个概念，在映射级数为3级时，精度达到。对于不需要人们直接参与的中间测量结果情况，多级映射级数可以根据需要加以确定。映射级数的多少另一方面还取决于每一级中包含概念（元素）的个数，每一级概念个数多则需要的映射级

29、数就相应少。如果多级映射应用于包含数值输出在内的模糊传感器研究，则映射级数和传感器变换非线性误差是相关的，映射级数应该通过给定的测量不确定度加以确定。 模糊传感器主要由传统的数值测量单元和数值符号转换单元组成。其核心部分就是数值符号转换单元。但在数值符号转换单元中进行的数值模糊化转换为符号的工作必须在专家的指导下进行。 综上所述，要实现模糊传感器就在于寻找测量数值与模糊语言之间的变换方法，即数值的模糊化，来生成相应的语言概念。所谓语言概念的生成就是要定义一个模糊语言映射作为数值域到语言域的模糊关系，从而将数值域中的数值量映射到符号域上，以实现模糊传感器的功能。这里的语言值用模糊集合来表示，模糊

30、集合则由论域和隶属函数构成。因此模糊语言映射就是要求取相应语言概念所对应数值域上的模糊隶属函数。如何进行概念生成是实现模糊传感器的关键。目前有很多方法可以实现模糊传感器的功能。 2.2.3 Foulloy算法简介国外很多学者对模糊传感器的实现方法进行过讨论，这里简要介绍几种：Foulloy算法3： 模糊传感器设计的实质是模糊变换算法的设计，即参考集的选择与模糊量化。其过程是首先根据专家或熟练工人的知识和经验获取相应测量领域的一级数值/语言变换策略，然后应用模糊推理方法求取相应隶属函数。Foulloy提出了基于语义关系的概念生成方法，首先，由论域的意义来定义一个通用的概念，称属概念，使之对应数值

31、域中论域上的主要区间，然后在此基础上定义新概念，以产生其它语义值及其意义，新概念通过语言修正器内部自动生成。Foulloy还提出了基于已知点集通过内插方法实现的模糊状态传感器，每一学习点通过Delaunay三角法在测量空间的笛卡尔积上构造模糊分割，三角法用于建立与过程状态相关的符号的模糊意义。Benoit E等人讨论了使用符号信息时，符号语义与被测量信息在特定任务环境下的关系，认为模糊传感器必须根据测量关系来构造，并且应该可以重组以适应不同的测量关系。并提出了将基础概念作为先验信息提供给传感器，其余概念由运算自动生成的设计思想。这种方法保留了概念之间的相对语义，但不能保证与测量关系符号说明的一

32、致性，因此必须考虑环境对测量关系的修正问题，他提出了基于定性学习以及通过复合调节说明的函数方法来进行修正。他提出了基于Delaunay多维空间的三角测量的线性插值来构造模糊分割的新方法，用以建立采用多元件测量的模糊传感器。Stipanicer D等人认为模糊传感器是一种智能测量设备，由简单选择的传感器和推理器组成，将被测量转换为适于人类感知和理解的信号。由于知识库中存储了丰富的专家知识和经验，它可以通过简单、廉价的传感器测量相当复杂的现象。 3 模糊洗衣机的水位控制设计 模糊控制洗衣机的工作流程模糊控制4是首先对控制对象按照人们的经验总结出模糊规则,然后由单片机对这些信息按照模糊规则做出决策来

33、完成自动控制。在洗涤衣物过程中,衣物的多少,面料的软硬等都是模糊量,所以首先做大量的实验,总结出人为的洗涤方式,从而形成模糊控制规则。浑浊度、布质、布量等都是通过现行状态的检测,再通过模糊推理得出的。在模糊洗衣机5中,主要考虑布质、布量、水温和肮脏度这几种条件,而从这些条件求取水位、洗涤时间和水流、漂洗方式和脱水程度的具体数据。任何一个模糊控制系统的设计的关键是模糊控制器的设计,而模糊控制器的设计实际上就是得出总控表。图3.1是模糊洗衣机总的流程图。图3.1 洗衣机工作流程图3.2 模糊洗衣机的水位控制的研究设计过程模糊洗衣机的水位控制主要是基于模糊传感器的原理，即运用模糊传感器感知信息量，经

34、由其信号处理器转化为符号信息展示给人们，具体过程为：首先，通过集成硅压力传感器MPX5100A构成压力调节系统，然后通过MAX1463数字传感器信号处理器行使信号处理以及运行过程中的温度补偿作用，再转由单片机ADC0809进行数模转化并显示，从而完成模糊控制过程。 传感器的选择与应用.1 由集成硅压力传感器MPX5100A构成的压力调节系统压力调节系统6的框图如图3.2 （a）所示: 图3.2 （a） 压力调节系统的框图利用该系统可以调节蓄水池中的水量。蓄水池内的水压经过管道传给传感器，传感器就输出一个与被监测压力成正比的电压信号()，送至比较器。用户通过改变压力选择电路输出的参考电压(URE

35、F)来设定压力。将与UREF进行比较后，再通过电机驱动电路去控制电机水泵的开启或关闭。当蓄水池中的水压低于设定压力时，就开启电机水泵，给蓄水池注水以增加压力。一旦水压达到设定值，立即关闭电机/水泵。 一种实用的压力调节系统的电路6如图3.2 （b）所示。+12V电源经过78L05(IC2)获得+5V电压，单独给MPX5100供电。其余电路均采用+12V电源。 HYPERLINK :/ ic37 /hot/MC33033.htm o MC33033货源和PDF资料 t _blank MC33033(IC1)为电机控制器， HYPERLINK :/ ic37 /partno/MC34272.htm

36、 o MC34272货源和PDF资料 t _blank MC34272(IC3)为双运放(现仅用其中的一个运放)。为提高效率，电机驱动电路采用一个 HYPERLINK :/ ic37 /stockic/M/MPM3002.htm o MPM3002货源和PDF资料 t _blank MPM3002型驱动模块，内部由2只P沟道功率场效应管(V1、V2)和2只N沟道功率场效应管(V3、V4)组成H桥路，驱动电流可达4A。可以驱动直流电刷电机。为避免因系统噪声或微小的压力波动而造成测量误差，还专门增加了滞后电路，利用 HYPERLINK :/ ic37 /hot/MC33033.htm o MC33

37、033货源和PDF资料 t _blank MC33033内部误差放大器和外部电阻R8R10，构成有滞后作用的比较器。其工作原理是当 UREF时开启电机；随着水池压力的不断升高，当传感器输出电压等于参考电压与滞后电压(UH)之和，即=UREF+UH时才关闭电机，使系统的压力降低。此后，传感器输出电压将一直下降到等于电机开启时的参考电压为止。取R8=R9=10k、R10=300k时，滞后电压为03V，对应于75kPa的滞后压力。电路中的开关S可用来控制电机的正转或反转。 图3.2 （b）压力调节系统的电路.2 MAX1463数字传感器信号处理器图3.3 压力传感器及MAX1463数字传感器信号处理

38、器.3 压力传感器测量电路 采用电桥构成测量差压的传感器电路7，是一种具有较高灵敏度的测量方法。扩散硅变送器主要就是电阻有源惠斯登全电桥压力测量电路。它能在达到较高精度和稳定性的前提下，使变送器具有较强的实用性，如零点/量程的调整和迁移方便快速。但是，一些文献对扩散硅电桥传感器的介绍过于简单，仅限于定性分析。本文将定量分析扩散硅传感器测量电路中采用的零点/量程调整、输出信号的反馈稳定等技术措施。.4 传感器电桥工作原理传感器测量电路8如图3.4所示。无差压时，电桥两臂电流相等。差压信号加到四个硅压敏电阻上，压敏电阻的阻值随差压而变化，引起电桥不平衡。电桥输出电压馈入放大器A1。A1的输出电压通

39、过晶体管Q8改变输出电流I0的大小。I0流过电桥的电阻反馈网络，使电桥恢复平衡。这样，电桥输出电压的变化与差压变化成对应比例关系。从而将差压的变化直接转换成电信号。图3. 4传感器测量电路3.4 定量分析和计算.1 测量电路和量程调整图3.5是包括零点及量程调整电路9、反馈电阻网络和差压传感电桥10的测量电路。恒流源I0表示输出电流。四个桥臂电阻是R1S、R3S、R4S和R6S。当被测的正压力增加时，R1S和R6S阻值减小，R3S和R4S阻值增加，电桥的输出信号负向增加。这个对应于被测压力变化值的电压偏差信号。经过测量电路中负反馈电阻网络的作用，信号将保持非常接近于零。基本反馈电压公式是: （

40、3.1）对应于传感器的量程上限压力，压敏电阻和电桥给出最大变化和最大不平衡。此时，为了保持接近于零，需要最大的反馈电压值。当式3.1中a=1，IO2=0时，值最大，传感器得到最大的测量范围。量程粗调螺钉处于A位而R2滑动头处于最下部时，就满足以上要求。而当a=0，IO2最大时，测量范围最窄，这种情况是三颗粗调螺钉同时处于B、C、D位置，而R2滑动头又处于最上部。通过R2滑动头和粗调螺钉其他位置的组合，可获得中间的测量范围。R2有充分的调节范围，以便在由量程调整粗调螺钉对应不同的粗调范围之间提供重叠。图3.5零点及量程调整电路、反馈电阻网络和差压传感电桥的测量电路.2 零点调整和迁移电路图3.6

41、是基本电桥电路10加上迁移100%的电路。电桥两侧中间各插入一个1000的电阻串。这串电阻有六个电压输出点以提供所需的零点调节范围。即： 由于近似等于零，于是有：图3.6基本电桥电路加上迁移100%的电路3.5 单片机ADC0809 芯片简介ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。ADC0809的内部逻辑结构，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁

42、器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。IN0IN7：8条模拟量输入通道 ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入，如CBA=000时选择INO通道。从ADC0

43、809的通道IN0输入05V之间的模拟量，通过ADC0809转换成数字量在数码管上以十进制形成显示出来。ADC0809的VREF接5V电压。 元件设计连线(1)把“单片机系统”区域中的PP与“动态数码显示”区域中的ABCDEFGH端口用8芯排线连接。(2)把“单片机系统”区域中的PP与“动态数码显示”区域中的S1S2S3S4S5S6S7S8端口用8芯排线连接。(3)把“单片机系统”区域中的P与“模数转换模块”区域中的ST端子用导线相连接。(4)把“单片机系统”区域中的P与“模数转换模块”区域中的OE端子用导线相连接。(5)把“单片机系统”区域中的P与“模数转换模块”区域中的EOC端子用导线相连

44、接。(6)把“单片机系统”区域中的P与“模数转换模块”区域中的CLK端子用导线相连接。(7)把“模数转换模块”区域中的端子用导线连接到“电源模块”区域中的GND端子上。(8)把“模数转换模块”区域中的IN2端子用导线连接到自制的测温电路上。(9)把“单片机系统”区域中的PP用8芯排线连接到“模数转换模块”区域中的D0D1D2D3D4D5D6D7端子上。 原理图图3.7 硬件连接图 运用MATALAB实现的水位控制仿真为了实现模糊控制器的标准化设计,目前在实际中常用的处理方法是Mamdani提出的方法11,就是把误差值E和(或者)误差变化EC的变化范围设定为一区间(n7)连续变化量,使之离散化,

45、构成含若干个整数元素的离散集合。例如将误差值的变化范围设定为-6,6,则离散化后的离散集合可以为:实际中精确输入量一般不会在之间变化,假设它的变化范围为,这时可以通过下列公式变换:将在之间变化的变量x转换为在之间变化的变量Y。再把之间变化的连续量根据需要分成若干等级,每个等级作为一个模糊变量,并对应一个模糊子集合或者隶属函数。仍采用上面的例子可以分为8个等级:“正大(PB)”、“正中(PM)”、“正小(P)”、“正零(PZ)”、“负零(NZ)、“负小(ZS)”、“负中(NM)”、“负大(NB)”。另外也可以根据实际需要将等级数目(项集合)扩大和缩小,项集合的多少反映了控制分辨率的高低,项集合越

46、多分辨率越高,项集合越少分辨率越低。通过以上的分析就可以先将精确的输入量转换为区间的值,该值对不同的模糊项集合有不同的隶属度。这就完成了对精确输入量的模糊化过程。模糊控制规则一般具有如下形式:其中E、C和U分别为误差e、误差变化c和控制量u的语言变量,而Ai、Bi、为其相应论域上的语言值(如NB,NM,NS,ZO.PS,PM等)。3.6.1 建立模糊推理系统(FIS)在MATLAB12命令窗口运行Fuzzy函数来建立两个FIS文件,选择模糊控制器的类型为Mamdani型,根据系统的要求确定其输入为e和,输出为U,分别给出它们的隶属函数见附录A1所示。建立的FIS模块12分别控制进出水阀门开关的

47、比率,e表示进出水位信号偏差, 表示水位偏差变化率, U表示进水阀门开关的比率,取U的范围在-1,1间。选取进出水位信号偏差e,水位误差变化率和输出控制量U( U1、U2)的论域分别为:; ；;其各自的语言值分别选为: ; ; ;按不同的分布函数可确定PBNB各Fuzzy子集的隶属函数(x),并构成语言变量e、和U的赋值表(见表3.1)。通过总结专家经验,可以有:“如果水位偏低,且有大幅度降低的趋势,则进水阀门开到中等大小”、“如果有水位非常低,且有大幅度升高的趋势,则进水阀门开大”、“如果有水位高,且有大幅度升高的趋势,则出水阀门开到中等大小”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环境下,利用SimPower Sys-tem丰富的模块库,在分析其数学模型的基础上,建立了模糊控制系统仿真模型。3.6.3 洗衣机水缸加水时的Simulink仿真选取大小为的常值信号作为系统的设定输入,选

49、取的正弦信号对系统作定值扰动。建立如图3.8所示的系统仿真模型。常值信号与正弦信号相减得到水位误差(初始水位减去实际水位)9,而为了所得的误差足够精确我采用了二次求误差的方式得到进出水位信号偏差(水位误差减去输出水位误差的方式),将其与水位偏差变化率()混合后输入到模糊控制模块(Inflow Fuzzy Logic Controller)里,利用switch转换开关对输入的两个信号进行选择通过。switch在这里有三个输入的中间量,第一个输入为水位偏差,第二阈值设定为5,第三个输入为经过模糊控制器处理后的精确的阀门开关的比率,设定只有当大于门限5阀值才可以通过switch输出到进水阀门控制器(

50、INPUT VALVE)中,控制进水阀门的开关比率。输出值控制洗衣机水缸(washing machine tank)的进水大小,利用排水阀门(OUTPUT VALVE)开关的比率控制出水量,最终达到控制水位的作用。水箱设定高度在、水箱底面积、出水管横截面积、溢出传感器离顶部高度和最初水位高度。图3.8 洗衣机水缸加水时的Simulink仿真模型由此,通过Comparison示波器得到输入和输出水位比较图, 见附录A2所示。正弦波为输入水位信号,另一个为输出水位信号。而通过输出水位阀门显示阀门的控制后水位, 见附录A3所示。3.6.4 洗衣机洗涤加水和排水Simulink仿真洗衣机洗涤时进出水阀

51、门是常开的,目的是要把衣服漂洗干净,使水缸中的水变的清澈,以达到洗涤的作用。由此,可以借鉴图3.8的Simulink仿真模型得到如图3.9所示的新的仿真模型,由于输出水位和输入的水位的瞬间响应不是很理想,因此加入两个校正器,分别为1/10s2+5s+1和1/7s+1,此时系统的响应明显得到改善而波形也更加平滑12。图3.9 洗衣机洗涤加水和排水Simulink仿真在设计仿真模型时,借用了MATLAB自带的sltank的S函数(S-Function)模块,产生如附录A5所示水箱Demo模型。在洗涤中,把水位控制在一个基准标准(),使水位在该值上下变化。利用附录A4和附录A5仿真运行时对比观察,可以直观的达到人机互动的目的。结 论模糊控制系统产生的背景控制技术被广泛地应用在各种工业技术领域里，成为现代高新技术的重要手段之一。随着控制技术的发展，控制理论与方法也得到发展。除了对PID型控制器在应用前景方面的广泛研究以外，状态空间方法，随机方法，优化控制，滤子方法以及状