楊 帆，許衍彬

（河北科技學(xué)院 河北 保定 071000）

1 引言

控制算法包括眾多分支，而模糊控制是科技工作者現(xiàn)在關(guān)心的焦點之一。傳統(tǒng)的控制算法得到了廣泛研究，但是其必須依賴非常逼真的精確地對象建立模型前提下，而現(xiàn)在的控制任務(wù)，簡單的模型根本不能滿足我們的任務(wù)要求。所以在實踐工作中，按照人腦的思維，使復(fù)雜的工作系統(tǒng)模擬一個經(jīng)驗豐富的工作者從而得到滿意的結(jié)果。所以，通過將人腦的思維放到系統(tǒng)中，充當(dāng)控制思想，實現(xiàn)對苛刻控制任務(wù)的設(shè)計。本論文主要是關(guān)于模糊控制的洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計研究，通過參數(shù)的設(shè)計，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保省電、高效、整潔的系統(tǒng)任務(wù)要求，滿足人們對智能洗衣機的各種要求，而且優(yōu)質(zhì)的控制算法可以提高系統(tǒng)運算處理速度。

2 研究背景

科技迅速發(fā)展的當(dāng)今時代，人們關(guān)注更多的是自己的生活舒適性，而生活最近的就是自己的家居環(huán)境，所以智能家居越來越多地走入我們的生活。但是智能家居不是一個簡單的環(huán)境，不是一個簡單的居所，而是融入更多的科技。我們希望從睡醒開始就可以帶給我們方便，給予我們更加舒服的體驗，包括家庭的安全性、環(huán)境審美的藝術(shù)性、環(huán)保健康舒適性等[1]。

智能家電是離我們最近的智能設(shè)備。傳統(tǒng)的設(shè)備體積龐大，幾乎不具備科技性，具備大量的耗能，滿足不了人們對于品質(zhì)的要求，而且壽命非常短，這都給智能電器很大的發(fā)展空間。例如傳統(tǒng)的洗衣機，不能按照洗衣的數(shù)量控制用水量，不能通過衣物的臟的程度調(diào)節(jié)洗滌程度，只是根據(jù)衣物的重量實現(xiàn)對于洗滌參數(shù)的設(shè)計，對衣物具有一定的損壞性，而且非常浪費水資源，所以慢慢退出市場。而新型的智能洗衣機將控制算法運用到了其中，融入更多最新的科技算法于其中，所以正在慢慢改變這一切，再也不是簡單的機械設(shè)備，而融入更多的傳感器用于對數(shù)據(jù)的采集，更加高性能的微型計算機對數(shù)據(jù)進行處理。電子元件的快速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)高效的實時數(shù)據(jù)共享，也滿足了智能電器的技術(shù)要求，所以智能家電就成為了當(dāng)今聚焦的熱點研究方向。

3 研究方案設(shè)計

3.1 模糊控制器

首先，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)置控制系統(tǒng)的工作架構(gòu)形式。通過控制對象的輸入變量的個數(shù)多少情況，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以劃分為簡單的單一變量控制結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的多種變量的控制結(jié)構(gòu)。單變量的控制器可以分為如下三種：一維模糊控制器。其控制對象是輸入的信號與給定的標(biāo)準信號之間的差值量。所以系統(tǒng)復(fù)雜性是比較低的，這便是很難滿足系統(tǒng)的高精度要求。二維控制器。除了差值以外，輸入量引入了偏差量參數(shù)的程度的變化量，這樣能更好地反應(yīng)動態(tài)特性，相對于前者，也具有更好地控制特性。三維控制系統(tǒng)的輸入量。除了以上兩種以外，又把變化量的變化率引入輸入，三個輸入同時控制著系統(tǒng)，精度會更高，但是由于控制量增多，響應(yīng)時間會更長，響應(yīng)速度也會受到影響[2]。

3.2 輸入輸出模糊集

模糊是人類獨有的程度狀態(tài)量，例如好、高、暖和、胖、快、慢等。而這些程度量該如何讓計算機也能感受到呢？常規(guī)的工作中，我們憑借經(jīng)驗知識進行控制可以得到理想的效果。所以科學(xué)技術(shù)人員設(shè)想將這些程度概念引入系統(tǒng)之中，即將專家的知識以某種狀態(tài)引入系統(tǒng)當(dāng)中。通過類似人腦來控制整個系統(tǒng)，實現(xiàn)良好的效果。但是這個程度怎么讓計算機感受到呢，所以引入隸屬度，通過數(shù)值的大小體現(xiàn)程度的狀態(tài)。隸屬度的范圍是[0,1]，即數(shù)值越大，程度越強。而在此就需要對輸入量和輸出量通過定義隸屬函數(shù)進行模糊化的處理，以實現(xiàn)系統(tǒng)的要求[3]。

3.3 推理機

在人腦思維中，對于存儲的經(jīng)驗、知識的運用都是通過按照某種事實進行推理分析得到一定的結(jié)論，所以這是人類固有的事實推理能力。而對于模糊控制系統(tǒng)，其融入了專家智慧到其中，所以需要搭建與之匹配的推理程序來完成對應(yīng)的推理分析過程。模型中的推理過程，按照搭建模型里的傳感器數(shù)據(jù)作為輸入量，通過設(shè)定的模糊規(guī)則，實現(xiàn)推理過程，進行方程組的求解，獲得最終的模糊運算聯(lián)系。而其中所設(shè)定的控制變量要具有一定的功能。推理過程存在很多種，而一般采用的方法如下：正向推理即根據(jù)既定事實進行符合推理邏輯的分析；反向推理即根據(jù)假定結(jié)論逆推事實來驗證其正確性，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計的要求，本文則采用的正向推理過程。

3.4 隸屬函數(shù)

由于程度量是人類所固有的感知狀態(tài)，如何使得控制算法數(shù)據(jù)參量也可以擁有程度概念，所以引入了隸屬函數(shù)作為程度函數(shù)量，對于不同的控制系統(tǒng)可以設(shè)置不同的隸屬函數(shù)，在一定經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，這樣構(gòu)建的隸屬度更準確，更能滿足算法的程度值的要求。一般首先確定不精確地隸屬函數(shù)，在不斷實驗數(shù)據(jù)完善獲得最終的函數(shù)。包括以下方法：（1）統(tǒng)計法，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)中關(guān)于模糊量的概念進行統(tǒng)計，獲得程度統(tǒng)計量；（2）主觀法，結(jié)合人們的主觀意識和足夠經(jīng)驗推理出；（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，其強大的學(xué)習(xí)功能，自動推測出隸屬函數(shù)。

4 系統(tǒng)設(shè)計

本節(jié)主要介紹了基于模糊算法的洗衣機系統(tǒng)的主要運行流程和基本的設(shè)計思路，詳細地闡述了每個部分的原理和功能，介紹其中每個環(huán)節(jié)的的功能和模塊之間存在的聯(lián)系[4]。

4.1 控制模型

由于模糊控制洗衣機主要通過待洗的衣物的狀態(tài)來確定衣物洗滌的時長，而通過市場統(tǒng)計，衣物的待洗狀態(tài)主要是油脂程度和污泥的程度，所以本系統(tǒng)選擇這兩個參量作為洗衣機模糊控制器的輸入。然后，將污泥的程度進行劃分為三個等級：少、中、多；油脂量參數(shù)劃分為：少、中、多三個等級；洗滌時長劃分為：短、中、長[5]。

4.2 模糊規(guī)則

模糊規(guī)則是模糊控制器的重要構(gòu)成，是其算法的重要數(shù)據(jù)處理核心，規(guī)則是專家總結(jié)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)或者知識儲備。是人類歷史長河總結(jié)歸納出來的，是按照人類的本能認知的體現(xiàn)，并通過語言文字得到傳承。而其中的因果規(guī)則也是長期積累的，所以通過模糊規(guī)則體現(xiàn)在算法語言中。通過邏輯推理的形式以語言表現(xiàn)出來[6]。算法系統(tǒng)設(shè)置的規(guī)則如下：若衣物的污漬越多，同時衣物的油脂越多，則系統(tǒng)設(shè)定的洗滌時間越長。若衣物的污漬中等，同時衣物的油脂中等，則系統(tǒng)設(shè)定的洗滌時間適中。若衣物的污漬很少，同時衣物的油脂很少，則系統(tǒng)設(shè)定的洗滌時間越短[7]。

5 數(shù)據(jù)分析

基于MATLAB的模糊控制洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計主要由衣物的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、控制規(guī)則匹配、結(jié)果執(zhí)行四個部分組成，數(shù)據(jù)采集的重點即對衣物的污漬、油脂狀態(tài)進行分析，而分析得到的數(shù)據(jù)作為模糊控制規(guī)則的輸入匹配，最終傳輸給控制器的核心給出輸出結(jié)果和清洗時長。本系統(tǒng)設(shè)計的模糊控制系統(tǒng)能很好地結(jié)合這兩方面的輸入，調(diào)整清洗時長，從而實現(xiàn)節(jié)能、高效、科學(xué)的洗衣效果。

模糊控制洗衣機控制系統(tǒng)設(shè)計通過人工智能技術(shù)將操作人員的知識經(jīng)驗以規(guī)則的形式作為知識數(shù)據(jù)依據(jù)存入計算機算法中，通過強大的軟硬件技術(shù)體現(xiàn)其強大的功能，作為模糊決策的的重要依據(jù)。未來智能控制算法不僅體現(xiàn)在智能家居之中，還會更好地運用在醫(yī)院醫(yī)療數(shù)據(jù)的診斷，城市交通的管控、會計規(guī)律統(tǒng)計等，更好地造福于人類。