最优控制与智能控制洗衣机模糊控制综述.docx
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最优控制与智能控制洗衣机模糊控制综述
1课题研究的背景及意义
自1897年，美国人比尔.布莱克斯发明的木质手摇洗衣机结束了“手洗时代”，洗衣机的发展至今已经历了一百多年。
虽然布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木桶里装上六块叶片，用手柄和齿轮转动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣的目的，但这套装置的问世，让那些为提高生活效率而苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程从此开始大大加快。
1880年，美国又出现了蒸汽机洗衣机，蒸汽动力开始取代人力。
之后，水力洗衣机，内燃机洗衣机也相继出现。
到1991年，美国试制成功世界上第一台电动洗衣机，标志着人类家务劳动自动化的开端。
随着电动洗衣机的几经完善，在1922年迎来一种崭新的洗衣机搅拌式。
10年以后，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤，漂洗，脱水在一个滚筒内完成。
这意味着电动洗衣机的形式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步。
随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机的研制步伐，首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础上，日本研制出独具风格，并流行至今的波轮式洗衣机。
至此，波轮式，滚筒式，搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。
20世纪60年代，洗衣机在一些发达国家的消费市场开始形成系列，家庭普及率迅速上升。
此间，洗衣机在日本的发展备受瞩目。
60年代的日本出现了带甩干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。
70年代，生产出波轮式套筒全自动洗衣机，70年代后期，微电脑控制的全自动洗衣机横空出世，让人耳目一新。
到80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便功能更完备，洗衣程序更随人意，外形造型更为时尚。
同时，洗衣机也成为了开发最早的模糊家电产品。
由于模糊控制器是一种专家控制系统，它的优点是不需根据机理与分析建立被控对象的数学模型，这对建立数学模型很困难的洗衣控制系统是一种大大的进步。
模糊控制系统依赖于行为规则库，由于用自然语言表达的规则更接近于人的思维方法和推理习惯，使人们在改进洗衣机时得到了更有效的控制规律[1]。
90年代初，模糊洗衣机风靡日本，给日本企业带来了巨大的商业利润，同时也推动欧美和其它国家的洗衣机业发展，进一步促进了模糊技术在洗衣机控制方面的发展。
日本松下、日立、三洋、东芝、夏普等电器公司竞相占领了这个市场，先后推出了多种智能的模糊洗衣机，自此模糊控制开始大量应用于洗衣机生产。
大多模糊洗衣机在其他相同的情况下，都可以比普通洗衣机提高洗净度20%，几乎可以达到一个有洗衣经验的主妇的水平[2]，这也是模糊控制得到消费领域认可的原因。
传统洗衣机依赖于人们对被洗涤衣物的多少、衣料、以及衣物的脏污程度的判断，并根据判断来确定洗涤衣物的时间和方式。
如果洗衣机操作人员的经验不足，不能掌握其正确的操作方法，就可能造成一些资源的浪费或达不到洗涤干净的目的。
随着人民生活水平的提高，人们希望可以省去一些人工操作,即只需把衣物放进洗衣机,按下启动开关,剩下的工作就交给洗衣机去完成。
而应用模糊控制的全自动洗衣机恰好满足了人们的这一需要，即能够完成除开启电源、放取衣物之外的全部功能,模糊控制器利用人工操作的经验,通过合成关系,把输入的模糊量与关系矩阵合成,推理得出控制量，从而保证了高质量的洗涤效果，而且实现起来简单可靠、控制过程与人的思维方式一致,正好满足了洗衣机实现全自动功能的需要。
这正是基于模糊控制的全自动洗衣机的理论意义与现实意义所在[3]。
2模糊控制洗衣机的研究现状
2.1国内模糊控制洗衣机的研究现状
1983年洗衣机产量由1978年的400台飙升到365万台。
此后国内掀起了大规模的技术引进热潮，大约有40多个厂家先后从洗衣机技术先进国引进技术60多项。
技术的引进，吸收和创新，极大的提升了国产洗衣机的产业素质与生产能力，缩短了同发达国家之间的差距。
我国在模糊理论领域的研究处于世界先进水平，先后出版了几十本有关模糊领域的著作。
但在工程技术应用方面较为薄弱，已经提出了连续监控系统设计方法和便于工程应用的模糊集成控制方法。
上世纪90年代后期开始出现了模糊洗衣机控制。
金羚电器有限公司是一家具有30多年专业生产洗衣机等家用电器的大型家电企业、江门市明星企业。
二十世纪初，国内为进一步提高我国家电产品的技术水平和国际市场竞争力，在世界高科技领域占有一席之地，国家投入6个亿搞模糊技术开发。
金羚电器以雄厚的科研实力，独家承担了“模糊控制技术在洗衣机上应用”这一重大科研课题，金羚也因此获得了“智能洗衣机专家”的美誉。
在不到一年的时间里，金羚依赖自己的人才和技术于94年10月成功研制出我国第一台自行开发的模糊控制全自动洗衣机，其“自学习”功能填补了国内空白，并入选《中华之最》荣誉大典。
随后，金羚再接再厉，又研制成功堪称民族工业精华的第二代模糊机。
并于1997年1月18日通过了国家经贸委和轻工总会组织的专家鉴定：
各项技术指标达到90年代国际先进水平，是目前世界上已知的最先进机型。
对于模糊机的问世，有关专家给予了充分肯定和高度评价，并预言了其可观的经济效益和美好发展前景。
为了规范我国洗衣机模糊控制技术标准，使我国的洗衣机模糊控制技术得以健康发展，95年3月，国家责成金羚负责其标准制定工作。
97年9月11日，金羚制定的洗衣机模糊控制技术标准通过了国家技术监督局组织的专家鉴定，并确定为国家标准，已于98年12月1日起在全国施行。
该标准不仅填补了我国在模糊控制技术领域的空白，在国际上亦属首创，达到了国际先进水平，是世界上第一个家电产品模糊控制技术标准[4]。
长期雄踞国内洗衣机销量第一的海尔公司创立于1984年，创业26年来，坚持创业和创新精神创世界名牌，"海尔"已跃升为全球白色家电第一品牌，近几年海尔洗衣机的自动控制技术得到飞速发展，出现了人工智能模糊控制技术，即洗衣机的各种洗衣程序的运行在电脑芯片的控制下，模拟人类的智能行为完成。
如今海尔生产的高端洗衣机大多都能实现通过各种传感器感知衣物的重量、材质、脏污程度，然后选择最佳的洗衣程序，决定洗衣粉量、水位高低、洗涤时间、洗涤方式等，并发出指令给程控器完成所选的洗衣程序。
采用这种控制方式的洗衣机自然要比一般电路控制的洗衣机价格要高。
目前海尔在市场上销售的具有模糊控制功能的洗衣机很多，有些为提高智能化程度在模糊控制程序中也加入了感温程序。
创业于1968年的美的集团，是一家以家电业为主，涉足物流等领域的大型综合性现代化企业集团，旗下拥有三家上市公司、四大产业集团，是中国最具规模的白色家电生产基地和出口基地之一。
近日，美的推出了12款最新的Anywashing“锐洗”系列洗衣机，主角“9kg王者归来”大容量洗衣机则通过特别设计的模糊控制、九大智能程序等多种程序设计，实现随心设定，实现智能操作，使产品一上市就赢得了市场的关注。
同时美的公司洗衣机MB9090等经典产品都设有智能模糊控制功能。
荣事达集团、小天鹅集团，山东小鸭集团等都是国内知名的家电企业集团，旗下产品多已采用国内外先进的模糊控制技术。
模糊控制在全自动洗衣机中的应用正向高度自动化发展，如只要衣服放入洗衣机，简单的按两个键，就会自动注水，一些先进的电脑控制洗衣机，还能自动的感觉衣物的重量，自动的添加适合的水量和洗涤剂，自动的设置洗涤的时间和洗涤的力度，洗涤完以后自动的漂洗甩干，更有些滚筒洗衣机还会将衣物烘干，整个洗衣的过程完成以后还会用动听的音乐声提醒用户，用户可以在洗衣的过程做其它的事，节省了不少的时间。
总之，每一项技术的进步都极大地推动了国内洗衣过程自动化程度的提高。
在2010年9月秦伟发表的“模糊控制在智能洗衣机中的应用”一文中，详细阐述了当今先进模糊控制理论在洗衣机智能控制上的应用。
文章考虑到智能型模糊洗衣机应能自动判断洗涤物的质地和重量,自动选择最佳洗涤程序,自动完成洗衣全过程,在设计模糊控制器时,主要考虑布质、布量、水温和肮脏度这几个条件，从这些条件求取水位、洗涤时间、水流漂洗方式和脱水时间等。
设计的模糊洗衣机是一个多输人一多输出（MIMO）的模糊推理和控制系统。
具体地说,四个输人（布质、布量、水温和混浊度）和六个输出（水位、洗涤时间、水流强度、漂洗方式、脱水时间和洗涤剂投放量）。
要直接设计一个多变量模糊控制器是相当困难的，因此，文章在推理中把有关前件和后件进行处理,这种处理分成主要因素推理（如洗涤剂量主要由浑浊度和水温确定）和顺序因素推理（如洗衣过程可以分为洗涤、清洗、脱水三个阶段）两种。
从而解决了这一难题，是模糊控制的又一研究成果[５]。
在2011年2月第32卷第一期的江西理工大学学报上，李湘闽，方平进刊登的“PLC实现洗衣机模糊控制算法”文章具有先进的研究意义。
文章基于PLC实现全自动洗衣机的模糊控制。
系统采用西门子S7300PLC作为控制核心，设计了模糊控制器，建立洗涤模糊控制算法，应用PLC程序实现算法实现实时模糊控制，提高洗衣质量，节约能源。
其研究可应用于不断扩大的控制系统，越来越复杂的被控对象。
利用PLC实现模糊控制，是现代自动控制系统的发展趋势之一。
单片机洗衣机控制系统硬件设计、编程相对复杂，隐含较高故障率，维修成本高。
采用PLC结合模糊控制，不仅能很好地解决单片机控制问题，同时提高洗衣机系统系统的可靠性。
PLC模糊控制洗衣机系统，充分应用了模糊控制算法与PLC相结合，不必建立精确的数学模型，控制过程与人的思维方式一致，可以实现洗衣机的真正全自动控制[６]。
2.2国外模糊控制洗衣机的研究现状
国外智能模糊全自动洗衣机的发展以日本较为瞩目，日本的三洋公司早在二十世纪初就生产出具有当时国际上最先进的智能模糊控制技术的洗衣机,机内设计有多种传感器,可以自动检测（洗）衣物重量、衣物质地、脏污程序及气温、水温等,然后根据得到的这些参数来确定最佳的水位、洗涤时间、水流、漂洗次数、脱水时间,从而高质量地完成洗涤衣物的全过程[７]。
日本松下电气集团公司也在二十世纪初就推出了应用了当代最先进的神经模糊控制理论的全自动洗衣机,该洗衣机利用传感器完成人的五官所起作用,应用模糊技术和微处理器对传感器得到的信息综合处理,得到最佳的洗涤时间、水位、水流,达到节水、节电、省时、省力的目的,方便用户,使洗衣机向智能化方向发展[８]。
到了二十一世纪，松下生产的洗衣机，如松下XQB60-P600U，在功能上已采用人工智能模糊控制，有多种洗涤程序的选择，让用户可以轻松面对各种面料的衣物。
韩国的一些厂家，如ＬＧ公司，也研发了相应的人工智能模糊逻辑控制技术，命名为“CHAOS混沌模糊控制技术”，另外一些欧洲厂家研发出诸如“快思逻辑控制”等的技术。
但不管这些技术如何命名，其实都与日本厂商的技术大同小异。
只要具有能检测布质、脏净程度等功能就是全控制。
2011年3月16日，在上海举办的中国家电博览会上，一款来自美国的“未来洗衣机――Vantage”首次在中国实体展示，吸引许多年轻的参观者。
Vantage成为首款能学习不同面料洗涤方法的洗衣机，该洗衣机有内置的USB接口，用户可以添加不同织物的洗涤程序。
包含专家模糊控制、神经网络控制等多项高端前沿技术的该款洗衣机可针对不同材质的衣物面料，规定精确的用水量，水温，力度，洗衣时间，确保Vantage带给用户的衣物最精心的呵护，这也是目前应用到模糊控制技术的国外最前沿洗衣机产品。
2.3基于模糊控制全自动洗衣机研究的问题和不足
现今市场上几乎所有基于模糊逻辑及其控制技术的洗衣机都存在一个不足的地方，即没有学习能力，从而使模糊控制家电产品难以积累经验。
而知识的获取和经验的积累并由此所产生新的思维是人类智能的最明显体现。
洗衣机在运行过程中都存在着外部环境差异、内部零件损耗及用户使用习惯等这样那样的问题，这就需要洗衣机能对这些状态进行学习。
例如一台洗衣机在春、夏、秋、冬四个季节外界环境是不一样的，由于水温及环境温度不同，洗涤时的程序也有区别，洗衣机应能自动学习不同环境中的洗涤程序；另外，在洗衣机早期应用中，洗衣机的零件处于紧耦合状态，过了磨合期，洗衣机的零件处于顺耦合状态，长期应用之后，洗衣机的零件处于松耦合状态。
对于不同时期，洗衣机应该对自身状态进行恰当的调整，同时还应产生与之相应的优化控制过程；此外，洗衣机在很多次数的洗涤中，应自动学习特定衣质、衣量条件下的最优洗涤程序，当用户放入不同量、不同质的衣服时，洗衣机能自动进入学习后的最优洗涤程序——这是基于模糊控制全自动洗衣机所存在的不足，当然，这也是单纯的模糊控制所难以实现的。
在控制功能中,由于模糊控制具有不必建立精确的数学模型、实现起来简单可靠、控制过程与人的思维方式一致等特点,正好满足了洗衣机实现全自动功能的需要。
然而由于以下两方面的原因,使得一部分目前采用的模糊控制方法存在缺陷:
其一是即使是同一批同一类型的产品,由于多方面的因素,各台洗衣机的总体特性也存在着差异,有时这种差异可能偏大,现在若对所有的同类型洗衣机采用相同的控制规则就会使一部分洗衣机洗涤效果不好，达不到人们理想的要求；其二是随着洗衣机使用时间的延长、洗涤次数的增加,洗衣机内部电子元器件、机械部件会发生变化,此时若仍然采用与新洗衣机相同的控制规则也不会是很理想的。
基于模糊控制的全自动洗衣机要想克服这些可能存在的问题,保证高质量的洗涤效果,可采用自适应的模糊控制等方法[９]。
这些方法很多仍在研发中。
3基于模糊控制全自动洗衣机的研究方法
3.1初步研究思路
控制一个系统首先要想到的就是如何找到最能使其安全、稳定并实现高性能效果的方法，模糊控制在全自动洗衣机中的应用是人类智慧在控制体系中的体现，为了良好的模拟人类智慧，从而达到洗衣理想状态的实现，最关键的就是建立合理、完善的语言控制规则[10]。
在此，本文忽略模糊控制全自动洗衣机硬件结构上的描写，主要阐述初步的模糊控制思想在全自动洗衣机中的应用思路。
在将模糊控制应用于一个系统之前，首先要分析系统所要解决的问题，全自动洗衣机便是要机器自动完成洗衣任务，这就要求系统能够自行对洗衣条件进行分析。
如果想要得到精度高的洗衣效果，就要全面的考虑洗衣条件，在此，我认为以下的分析结果较为全面[11]：
1）衣服的质料，全面搜罗市场上服饰产品的材质，从而确定详细的衣物质料表单；
2）负载量，功能强大的全自动洗衣机应能对负载量进行高精度的判断；
3）水温，水温的不同同样影响洗衣效果，因此也应将水温的变化考虑其中；
4）污垢类型，对于不同类型的污垢应对应不同的洗衣方案；
5）污垢程度，污垢的强弱、多少同样应对应不同的洗衣方案；
越智能的洗衣产品越应将洗衣条件考虑完善，越复杂的洗衣条件必将对应种类繁多的洗涤控制方案，这也是全自动洗衣机永无止境的进步空间[12]。
模糊规则根据输入变量和输出变量的分级组合，对于水流强度和洗涤时间产生n条模糊规则，部分现今发展的全自动洗衣机已经可以使输入变量对应除水流强度、洗涤时间外更多的输出变量，例如滚筒的翻转强度等。
我认为这也是全自动洗衣机应该重视的一面，如洗涤布质硬、污浊度高的衣物，不仅应有强水流和长的洗涤时间，还应有较高的滚筒转速以实现对污浊物的良好清理，规则库的设定是模糊控制器设计的重中之重，其优劣直接关系着模糊控制器性能的好坏。
控制规则要做到能对应系统可能出现的任何一种状态，否则系统会有失控的危险。
在大多数基于模糊控制的全自动洗衣机中，都面临着这样的问题：
数量过多的控制规则影响着系统的实时性，而如果减少控制规则数量虽能提高洗衣机的运行速度却会使控制精度下降。
对此，为更进一步的提高模糊控制的稳定精度，可以使用模糊控制理论和PI控制相结合的复合控制器来改造原有的模糊控制方式。
PI控制器具有良好的消除稳态误差的作用，所以将其与模糊控制器结合构成复合控制器与单纯的模糊控制方式相比较，该控制方式在稳态性及准确性方面都有较大提高。
PI控制作为PID控制的典型代表，算法简单、鲁棒性好及可靠性高，但传统PI控制适用于建立精确的数学模型的确定性控制系统，而洗衣机系统存在非线性、大滞后、参数时变性和模型不确定性，因此将模糊控制与PI控制两者相结合正好满足洗衣机控制系统的条件。
这种复合控制器，同时具备PI控制的稳态性能和模糊控制的动态性能，可对全自动洗衣机起到良好的控制效果。
为了让全自动洗衣机更好的了解被控对象，可使用自适应模糊控制，就是将模糊系统辨识和模糊控制结合起来的一种控制方式。
控制器通过对象特性的检测（系统辨识）,来进一步了解被控对象,从而选择适合被控对象的控制参数或控制规则。
这样便可使控制器本身具有一定的适应变化的能力,也是向全自动洗衣机增添智能性的一种形式。
下两图是普通模糊控制与具有规则自动选择功能的自适应模糊控制的图示比较：
输入输出
图1模糊控制原理图
输入输出
图2自适应模糊控制原理图
对于图1所示的模糊控制方式可表达为：
式中U为模糊控制向量；I为模糊输入向量；R为模糊控制规则；
为模糊推理算子。
对于图2的模糊自适应控制方式可表达为：
式中
表示从所有的规则集（规则集族）中选择被控对象所需的规则集。
自适应模糊控制在模糊控制基础上增加了对被控对象的检测和对模糊控制器的次数校正。
自适应模糊控制器能有效调节干扰输入引起的波动，具有较好的动态自调整能力和稳态控制精度，是一种可行的控制方法，增添了基于模糊控制全自动洗衣机的智能型和适应性。
大多数全自动洗衣机虽能实现多种洗涤方案，但却只能实现其固有功能，为了让全自动洗衣机更加能够自动合理完成洗涤任务，我认为可对各款洗衣机添加自学习能力，使其不仅对已有的方案应用自如并能够不断积累经验实现更好的“全自动”，让人们以按键后就不再担心洗衣质量。
为此，可在洗衣机中添加“知识库修正器”，这种知识库修正器能接受信号，改变模糊控制器规则库中的规则，但这种改变只是改变局部，并不改变整个规则库。
这种局部学习可以使模糊控制器记住曾经做出的改变，从而模拟人的经验对洗涤方案做出局部变化。
这里还有一种更高级的方案来补充模糊控制不能自学习的缺陷，即把模糊控制与神经网络技术相结合，神经网络具有出色的非线性映射能力，且具有大规模并行处理能力、自学习能力和自适应能力，其缺点是知识表达比较困难、学习速度慢。
将模糊控制与神经网络控制相结合产生的模糊神经网络继承了神经网络的学习能力，通过对数据样本的学习，可以自动总结模糊规则、调整隶属度函数、处理模糊信息和完成模糊推理，良好的运用将会使其性能优于单纯的模糊控制。
这样，当一台洗衣机具备完善的模糊控制规则，且还能保持良好的稳态，通过自适应调节以减少干扰提高洗衣机本身的适应力，再加入知识库修正器、神经网络控制等使洗衣机具备自学习能力，这一系列研究思路的完善将使全自动洗衣机在模糊控制的基础上更加高性能。
3.2MATLAB系统仿真[13][14][15]
在我选择的模糊规则中，将输入变量分三级，包括：
负载（大、中、小），质料（棉制品偏多、棉和化纤制品各半、化纤制品偏多），水温（偏高、中等、偏低）；输出变量分五级，水流强度（特强、强、中、弱、特弱），洗涤时间（特长、长、中、短、特短）。
根据输入变量和输出变量的分级组合，对于水流强度和洗涤时间就可用27条模糊规则表示。
模糊控制规则如下：
质量
输水温
负载出
棉制品偏多
棉和化纤各半
化纤制品偏多
偏
低
中
等
偏
高
偏
低
中
等
偏
高
偏
低
中
等
偏
高
偏大
水流
时间
特强
特长
强
长
强
长
强
长
强
长
中
中
中
长
中
中
中
中
中等
水流
时间
中
长
中
中
中
短
中
长
中
中
中
中
中
中
弱
中
弱
短
偏小
水流
时间
弱
中
弱
中
弱
短
弱
中
弱
短
弱
短
弱
中
弱
短
特弱
特短
（1）用一个二维Mamdani型模糊控制器实现全自动洗衣机的模糊控制，建立一个FIS编辑器界面，FIS编辑器如下图所示：
（2）编辑输入、输出的隶属度函数，编辑的结果如下图所示：
（3）建立模糊控制规则：
（4）观测模糊推理过程：
（5）输入、输出变量之间的整体相关情况：
参考文献
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