26传感器在模糊控制洗衣机中的应用研究.docx
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26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
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
TheSensorsappliedresearchinthefuzzycontrolofwashingmachines
Author：
Zhangdanyang
Tutor：
Hejintian
Abstract
Accordingtopeople'sexperience,thefuzzycontrolsummarizesthefuzzyruletothecontrolledmemberatfirst,andthenaccordingtothefuzzyrule,itmakesthedecision-makingtocompletetheautomaticcontrolbythemonolithicintegratedcircuittothisinformation.
First,thisarticlewilloutlinethefuzzycontrolthebasicprincipleandthecharacteristic,andelaboratesthefuzzycontrolinwasher'sapplicationaspect.Forexample,intheclothingwashingprocess,thefuzzyquantitycontainshowmanyclothing's,theliningsoftorhardandsoon,thereforefirstdoesthemassiveexperiments,andsummarizestheartificialwashway,thusformsthefuzzycontrolrule.
Next,accordingtothefuzzycontrolthisarticlewillactprincipletoconducttheconcreteresearchtowasher'swatermonitor,whichismainlythefuzzysensor'sapplicationspecifically,namelytheusefuzzysensorrealizestothewasherwaterlevelsurvey,andthedatawhichobtainsafterthemonolithicintegratedcircuitA/Dtransformationwillbeputout.
Finally,thesimulatorstudyisthefuzzywasherwateringandthedrainingwaterfuzzycontrolthroughtheMATLABsimulator'sinactualdesignapplication.Throughtheestablishmentfuzzyreasoningsystem,thesimulationquantitycompletesthefunctionalrelationsandthefunctionimage,andtheconfirmationobtainsthefuzzysensorformersensormoreintellectualized,convenient,savedmanynonessentialtroublesforpeople'slife.
Keywords:
Fuzzycontrol,Membershipfunction,fuzzyinferencesystem，Fuzzysensor
目录
1绪论1
1.1课题背景及目的1
1.2国内外研究情况1
1.3课题研究方法2
1.4论文构成及研究内容3
2模糊控制及相关知识4
2.1模糊语言的符号描述4
2.2模糊控制的基础知识5
2.2.1模糊传感器的基础知识5
2.2.2模糊传感器的实现方法5
2.2.3Foulloy算法简介6
3模糊洗衣机的水位控制设计8
3.1模糊控制洗衣机的工作流程8
3.2模糊洗衣机的水位控制的研究设计过程8
3.3传感器的选择与应用9
3.3.1由集成硅压力传感器MPX5100A构成的压力调节系统9
3.3.2MAX1463数字传感器信号处理器10
3.3.3压力传感器测量电路10
3.3.4传感器电桥工作原理11
3.4定量分析和计算11
3.4.1 测量电路和量程调整11
3.4.2零点调整和迁移电路12
3.5单片机ADC080913
3.5.1芯片简介13
3.5.2元件设计连线13
3.5.3原理图14
3.6运用MATALAB实现的水位控制仿真14
3.6.1 建立模糊推理系统（FIS）15
3.6.2模糊控制的Simulink仿真16
3.6.3 洗衣机水缸加水时的Simulink仿真16
3.6.4 洗衣机洗涤加水和排水Simulink仿真17
结论19
致谢20
参考文献21
附录22
1绪论
1.1课题背景及目的
1964年美国的L.A.Zadeh教授创立了模糊集合理论,1974年英国的E.HMamdani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、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
1.2国内外研究情况
随着科技的飞速发展，更多的新兴技术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。
1.3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，模糊手机充电器等。
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。
1.4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。
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。
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，…，
〉
Q×Q×…×Q（2.3）
P=〈P1×P2×…×
〉PiS×S×…×S（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：
Q→S，使得Si=M（
），F:
R→P，使得Pi=F（
）成立，且MQ×S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。
2.2.2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：
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0℃～100℃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0.3℃。
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。
2.2.3Foulloy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。
BenoitE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。
StipanicerD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
3.1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。
3.3传感器的选择与应用
3.3.1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（UREF）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。
MC33033（IC1）为电机控制器，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MC33033内部误差放大器和外部电阻R8～R10，构成有滞后作用的比较器。
其工作原理是当
=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=10kΩ、R10=300kΩ时，滞后电压为0．3V，对应于7．5kPa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
3.3.2MAX1463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器
3.3.3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。
3.3.4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
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