摘要:本文介绍了模糊控制的基本思想、模糊控制器的基本结构,主要介绍了模糊控制器在全自动洗衣机中的应用。 关键词:模糊推理;模糊控制;智能控制器 中图分类号:TP273 文献标识码:A
工业控制中最常用的数字控制算法是数字PID控制算法。对于大多数控制对象,需要事先建立该对象的数学模型,且要知道模型的结构、阶次和参数等,在此基础上合理地选择控制策略进行控制器的设计。然而大量的事实告诉我们,在许多情况下,被控制对象由于过程复杂,机理有不明之处,缺乏必要的检验手段或者检测装置,不能进入被测试区域等各种原因,致使无法建立被控制过程的数学模型。这就迫使人们探索新的控制方法和途径去解决这类问题。在这样一个背景下,诞生了基于模糊逻辑的模糊控制算法。
1 模糊控制的基本思想
模糊控制的基本思想,就是利用计算机来实现人的控制经验。而人的控制经验一般是用语言来表达的,这些语言表达的控制规则又带有相当的模糊性。例如,人工控制水槽水位的经验可以表达为:
①若水槽无水或水较少时,则开大阀门;
②若水位和要求的水位相差不太大,则把水阀关小;
③若水位快接近要求的水位,则把阀门关的很小;
…
这些经验规则中,“较少”、“不太大”、“接近”、“开大”、“关小”等表示水位状态和控制阀门动作的概念都带有模糊性,这种模糊性可以用模糊数学的方法来描述过程变量和控制作用之间的关系,又可以根据这种模糊关系及其时刻过程变量的检测值,用模糊逻辑推理的方法得出此时的控制量,这就是模糊控制的基本思想。也可以说,模糊控制是以人的控制经验作为控制的知识模型,以模糊集合、模糊语言变量以及模糊逻辑推理作为控制算法的数学工具,用计算机来实现的一种智能控制。模糊控制系统的结构如图1所示,它与一般的计算机控制系统基本相似,只是它的控制器是模糊控制器。
2 模糊控制器的基本结构
模糊控制器(FC,FUZZY CONTROLLER),又被称为模糊逻辑控制器(FLC,FUZZY LOGIC CONTROLLER),其结构如图2所示。从功能上划分,它主要由4部分组成:模糊化接口、知识库、推理机以及解模糊接口。各部分的功能为:
2.1 模糊化接口
模糊控制器仿照人的思维进行模糊控制,必须把由输入通道采样得到的精确量变成模糊推理需要的模糊量。这种模糊化工作由模糊化接口完成。例如,某系统水温与其设定值的误差信号的量程范围可能是-12～+12℃,即[-12,12],而每一个输入信号都有相应的论域,在该论域上定义模糊化后表示信号大小的模糊子集。比如水温误差的论域可能定义为{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}共11个离散点,在每一个采样时刻,模糊化接口把输入信号的物理值转化为相应论域上的点,比如水温误差为7.2℃对于于离散论域上则为点+3。
2.2 知识库
知识库包含应用领域方面的知识,主要由数据库和规则库组成。
数据库提供所有必要的定义。所有输入、输出变量所对应的论域,以及这些论域上所定义的规则库中所使用的全部模糊子集的定义,都存放在数据库中。在模糊控制器推理过程中,数据库向推理机提供必要的数据。在模糊化接口和解模糊接口中进行模糊化和解模糊时,数据库也向它们提供相应论域的数据。
规则库存放模糊控制规则。模糊控制规则基于手动操作人员长期积累的控制经验和专家的有关知识,它是对被控对象进行控制的一个知识模型。这个模型建立得是否准确,将决定模糊控制器性能的好坏。在实际应用中,相应输入、输出论域的模糊子集常常用有标志性的符合标志,如NB (负大)、NM (负中)、NS(负小)、NO(负零)、ZO(零)、PO(正零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)等。以下是一个模糊控制规则表,它表示了7×7=49条模糊条件语句。
① 若E是NB且EC是NB,则U是PB,否则
② 若E是NM且EC是NB,则U是PB,否则
③ 若E是NS且EC是NB,则U是PM,否则
④ 若E是PB且EC是PB,则U是NB,否则
…
2.3 推理机
推理机采用某种模糊推理方法,由采样时刻的输入和模糊控制规则推导出模糊控制器的控制输出,模糊控制器的模糊推理机制的设计主要是选择一种模糊推理算法,当模糊控制器采用查表法实现时,可离线设计查询表;当模糊控制器采用软件推理法实现时,可在线进行模糊推理。当采用模糊控制芯片构成硬件模糊控制器时,它推理的速度快、控制精度高,处理速度至少比软件提高1个数量级。
2.4 解模糊接口
与模糊化相反,解模糊是由模糊量到精确量的转换过程。计算机在执行模糊控制算法时,它从模糊推理中得到的模糊控制作用必须转化为执行机构所能接受的精确量。解模糊接口主要有两个功能:一是量程转化,二是解模糊。即把输出作用的域转化为输出物理量的变化范围,在运行时,解模糊求得的输出域上的点转化为输出物理量的值。解模糊常用的策略主要有最大隶属度法、法中位数法和重心法等。
3 模糊控制器的应用
最早开发出的模糊家电产品是洗衣机。洗衣机一般要根据洗衣量的多少、衣物的污浊程度、衣物的质料性质及水温的高低等因素来决定洗涤的时间、水流的强弱、洗涤剂的用量等。
3.1 模糊洗衣机的基本构成
模糊洗衣机除一般全自动洗衣机具有的洗涤缸、马达、波盘、给水和排水电磁阀、控制器、水位传感器等之外,根据模糊控制的需要,一般还要加上光传感器、负载传感器、水温传感器等。
(1)负载检测
负载检测,即检测所洗衣物的重量,一般采用间接的测量方法,可用电动机正常运转时的驱动电流来计量。还有一种方法是用电动机断电后反电动势维持的时间来计量。一般而言,衣物重量越大,其反电动势跌落也快,反之则跌落慢。
(2)质料检测
被洗衣物的质料可分为软质类、硬质类和混合类等几种。一般把丝绸、化纤、薄型花布等归为软质类,而将牛仔服、呢绒服装等归为硬质类,介于它们之间的则为混合类。衣物质料检测也是采取间接检测方式。如果测量的是马达的驱动电流,那么硬质类布料电流波形变化大,有较大的波动,而软质类布料电流相对平稳,波动小。
(3)污浊度检测
被洗衣物的污浊度检测,是通过水的透光率检测间接实现的,水的透光率检测是用光电传感器实现的。它被安排在排水管出口,发光二极管和光敏管分别相对安装在管子的两边。发光二极管发出的光经聚焦后,透过水被光敏管接收,接收的光强度就反映了水的透明度,也就反映了被洗衣物的污浊程度。
(4)水位及温度检测
作为洗衣机工作条件之一的水位检测,是由一根与缸体等高的空管连通器实现的。空管的上端有一个用压力膜隔开的差动电感器,当缸中有水注入时,管内的空气被压缩使压力膜上压力增大,继而推动与它联动的铁心移动,引起线圈的电感量变化,用此电感器构成的LC振荡器的频率就能反映水位的高低。水温检测是通过热敏电阻测量的。它把洗衣机启动时的水温作为当时的室温,然后再检测供水的温度,以作为洗衣机的工作条件之一。
3.2 洗衣机的模糊控制
不同品牌的洗衣机采用的模糊控制方案不一样。这里提出一种较为实用的模糊控制规则。
(1)模糊语言变量
① 输入变量
负载:大、中、小;
质料:软质类、硬质类和混合类;
水温:偏高、中等、偏低。
② 输出变量
水流强度:强、中、弱;
洗涤时间:很长、长、中、短。
(2)模糊控制规则
根据输入变量和输出变量的分级组合,对于水流强度可洗涤时间,就可用以下的27条模糊规则表示:
如果负载小,属软质类衣物且水温偏高,那么就将水流调中,洗涤时间也调中;
如果负载大,属硬质类衣物且水温偏低,那么就将水流调特强,洗涤时间调特长;
…
依此类推,可写出其他规则。表1给出了输出变量和输入变量之间关系的模糊真值表。
有了上述定义和规则,就可以设计洗衣机模糊控制在线运行的查询表。
3.3 模糊洗衣机的软件设计
全自动洗衣机模糊控制的软件系统比较复杂,其程序设计采用模块化结构。系统软件由主程序、各种子程序和中断服务程序组成,如图3所示。模糊推理在洗涤之前进行,当系统程序判别出洗衣机已经启动,就进行一系列的状态检测和推理工作,在推理工作完成后,就开始进入洗涤工作。在设定时间内对个别因素进行检测并修正程序,因而与人工操作十分接近,达到智能控制的效果。
4 结语
智能控制作为一门新兴的理论技术,现在还处于发展初期。基于遗传算法的智能控制、基于Petro网理论和方法的智能控制,遗传算法、神经网络和模糊控制相结合的综合优化控制系统等新的智能控制理论和方法在不断涌现和发展之中。可以预见,随着系统理论、人工智能和计算机技术的发展,智能控制将会有更大的发展,并在实际中获得更加广泛的应用。
参考文献
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