基于模糊控制的智能洗衣机

最优控制与智能控制基础文献总结报告-1-1课题背景及意义现代洗衣机是利用电能产生机械作用来洗涤衣物的清洁电器。洗衣机主要由箱体、洗涤脱水桶、传动和控制系统等组成，有的还装有加热装置。洗衣机一般专指使用水作为主要的清洗液体，有别于使用特制清洁溶液及通常由专人负责的干洗。洗衣机的出现，将人们从诸如手搓、棒打等重复而又令人疲劳的简单劳动中解放出来，提高了清洗衣物的工作效率，继而提高了人们的生活质量。随着科学技术的不断进步，人们对洗衣机的制造水平和性能指标也日益提升，基于模糊控制的智能洗衣机便是顺应时代发展的科技产物之一。回顾洗衣机的发展史，1858年，一个叫汉密尔顿·史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机，标志着用机器洗衣的开端。次年在德国出现了一种用捣衣杵作为搅拌器的洗衣机。1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人比尔·布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。1880年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。1910年，美国的费希尔在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。1922年，美国玛塔依格公司改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。1932年，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、脱水在同一个滚筒内完成。第一台自动洗衣机于1937年问世。这是一种前置式自动洗衣机。1955年，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，以电脑（实际上微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。1974年英国学者E.H.Mamdani首次把模糊集合理论成功地应用在锅炉和蒸汽机的控制之中，在自动控制领域中首开模糊控制在实际工程上应用之先河[1]。到了80年代，以模糊控制和神经网络为代表的智能控制技术广泛地运用到洗衣机的制造过程中。90年代初，模糊家电风靡日本，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，进一步促进了模糊技术的发展[2]。上个世纪80年代末期到90年代中期先后提出了模糊近似推理、模糊自适应控制、模糊神经元网络和模糊自适应推理系统等。给模糊技术的应用注入了新的活力，最优控制与智能控制基础文献总结报告-2-开辟了十分诱人的光明前景。1990年日本松下电器首先设计生产了模糊洗衣机，这是世界上第一个应用模糊控制器的消费产品[3]。模糊控制是一种非线性的控制方法,主要针对那些无法取得数学模型或数学模型相当粗糙的系统。首先要对被控对象按照人们的经验总结出模糊规则,采用模糊量,借助微电脑对这些信息按照模糊规则转换为控制量,来完成自动控制。近年来,模糊控制在家用电器控制中得到较广泛的应用,采用模糊控制的洗衣机,可具有自动识别衣质、衣量、脏污程度、脏污性质、自动决定水量、自动投入恰当的洗涤剂等功能,不仅实现了洗衣机的全面自动化,也大大提高了洗衣的质量,具有很强的实用性和较好的发展前景[4]。模糊控制洗衣机俗称“傻瓜”洗衣机，是在模糊智能控制下，模仿人的思维进行判断操作的一种新型全自动洗衣机。模糊控制洗衣机是通过传感器来进行信息量的获取，并将收集到的信息量送到微电脑，经微电脑综合判定后，按照洗涤物的重量、质地选择适当的水位、洗涤时间、洗涤动作等工作参数，执行最佳的洗涤程序。使用时，操作者只需轻轻地按一下洗衣机的“启动”键，洗衣机便可自动完成洗涤的全过程。模糊控制洗衣机采用的传感器有以下几种：水位传感器-可以根据洗涤物的多少自动感知、设定并自动控制水位。布质传感器-可以根据衣物的质地、重量和脏污程度，自动采用洗涤方式。水温传感器-可以根据环境温度和水温，自动控制洗涤时间。光电传感器-可以根据洗涤水在洗涤过程中的透光率决定衣物的脏污程度，自动选择最佳的洗衣程序。模糊控制洗衣机是在普通微电脑洗衣机的基础上发展起来的，它与普通微电脑洗衣机的不同点主要是控制程序和控制精度存在一定的区别。普通微电脑控制洗衣机采用的是量化固定程序，一经设定，便不能改变；而模糊控制洗衣机则是应用模糊控制器代替人脑来“分析、判断”，其工作程序可以在一定程度上随时变化，其控制精度比普通微电脑洗衣机更高、更适用[5]。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.全自动洗衣机能够完成除开启电源、放取衣物之外的全部功能,并保证高质量的洗涤效果.模糊控制器是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最优控制与智能控制基础文献总结报告-3-合成,推理得出控制量,因此不必建立精确的数学模型.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[6]。以上所提到的几点这便是模糊控制应用于洗衣机的主要意义。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我国古代伟大的哲学家和思想家老子曰“精确兮，模糊所伏；模糊兮，精确所依。”模糊数学不是将数学变得模模糊糊，而是用数学的方法去描述客观世界中的模糊现象，揭示其本质和规律。模糊数学在经典数学和充满模糊性的现实世界之间架起一座桥梁。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。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家电控制[7]。国内有关模糊洗衣机研究和制造的主要企业有以下几家：金羚集团有限公司是一家大型家电企业集团、国家大型一档企业、广东省83家重点发展的企业集团之一。1994年，独力承担完成国家“八五”重点技术开发项目《模糊控制技术在洗衣机上的应用》，研制出中国第一台有自主知识产权的模糊控制全自动洗衣机，获1999年国家科技进步三等奖。目前金羚洗衣机已通过了7300次无故障运行试验及UL认证。该公司在国内洗衣机技术创新方面始终处于先进行列。海尔作为国际知名白电企业，在洗衣机的销量上一直处于前三甲。例如XQB60-M918许多应用模糊控制技术的经典机型在国内外持续畅销。如今海尔全自动洗衣机几乎全部采用了智能模糊功能，可对衣物重量与材质对洗衣程序进行模糊控制，以确定水位的高低、时间的长短，自动选择最佳洗衣程序，在精确洗衣的同时，做到了更加省时省电。创业于1968年的美的集团，也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。其旗下的众多洗衣机品牌也同样受到了国内外的使用者的一致好评。美的洗衣机一般外观都很时尚，功能上也比较新潮，近期美的推出幻银系列、逸尚系列波轮洗衣机以及例如MB6001等一系列经典机型，都最优控制与智能控制基础文献总结报告-4-有智能化的洗涤控制系统，能感知衣服的洗净情况，自动调整洗涤时间，同时还有银离子杀菌功能，非常人性化。诸如荣事达、小天鹅（已被美的收购）等国内著名洗衣机品牌在将模糊控制技术应用于产品研发的过程中都取得了成功，该项技术已经相对成熟。在学术领域，国内对于模糊洗衣机的研究也有着丰富的成果。1996年06月路立平在郑州轻工业学院学报上发表的《模糊控制洗衣机混浊度模型及检测》一文中提到，为实现洗衣过程的模糊控制,需要确立洗涤液混浊度的模型及可行的检测方法。以朗伯定律为基础,提出了基于光电检测法的洗衣机洗涤液混浊度的定义和检测方法;在分析了混浊度检测中可能存在的误差和噪声干扰因素后,又提出了能消除误差的相对混浊度模型。最后提出了以脉冲驱动、隔直流传输滤除检测系统中的噪声干扰[8]。2005年06月余剑生在广东技术学院学报上发表的《基于模糊控制的智能洗衣机的设计》一文中，将模糊控制技术应用于全自动洗衣机的控制,给出以PIC16C74为控制器的硬件框图、布量检测电路及模糊控制原理。传感器检测模块共有6个检测电路,它们分别是衣量检测电路、水位检测电路、温度检测电路、水清度检测电路、电源检测电路、盖控检测电路。输出控制电路由触发电路和相应的双向晶闸管组成,控制电路共4路。由双向晶闸管控制主电机的正反转,进水电磁阀控制进水,排水电磁阀控制排水。模糊控制器主要有衣量、水温、脏污程度三个输入量。应用结果表明,采用模糊控制技术的智能洗衣机在洗涤效果和节能等方面优于传统洗衣机[9]。2007年01月刘素芳在山西电子技术学报上发表的《基于模糊控制的洗衣机水位控制的仿真》一文中，在简要介绍MATLAB软件的基础上,结合其模糊逻辑工具箱,介绍了如何利用MATLAB构建洗衣机中有关水位控制系统的仿真模型,叙述了利用模糊逻辑控制模块,引用阀门模块和自建的水箱模块来控制系统仿真过程,并给出了仿真结果和过程参量变化。通过应用MATLAB建立验证模糊洗衣机中水位控制系统,以及对该系统调试和仿真,可以看出该方法既方便、直观,又节约时间,而且可以实现最佳控制效果[10]。2009年05月刘贺在重庆工学院学报（自然科学）上发表的《全自动洗衣机的模糊控制分析》一文中，对全自动洗衣机的模糊控制进行了分析,详细介绍了如何定义洗衣机的模糊控制输入、输出量.根据专家知识和手动操作人员长期积最优控制与智能控制基础文献总结报告-5-累的经验,给出了模糊控制的具体规则。以确定洗衣机洗涤时间为例,利用Matlab进行了仿真研究,采用取小运算对模糊规则进行推理,并采用最大平均法得到反模糊化结果,所得结果与理论计算结果接近相同[11]。2.2国外模糊控制洗衣机的研究现状在日本,1990年被称为“模糊”元年。这是因为大多数的家电产品制造商致力于开发诸如洗衣机、吸尘器、摄像机等“模糊”家电产品,且使其大量投入市场,所以“模糊”作为一个新词而十分流行。1990年2月，日本松下电器公司推出带模糊控制的全自动洗衣机，取名为：“爱妻号”，这是在世界上家用电器行业中运用模糊理论生产出来的第一种家电产品。日立公司也不甘示弱，同年4月亦推出运用模糊理论的新型全自动洗衣机。不久，三洋电气公司也宣布推出了模糊全自动洗衣机。可以说，模糊洗衣机技术起源于日本，而且日本的洗衣机行业处于世界领先地位。德国的西门子作为行业发展领先者，一直是优良品质、时尚设计和可靠性能的代名词，在秉承延续自身品牌形传统优点的同时，西门子全自动洗衣机更以简捷直观的操作系统，强大丰富的功能系统向用户诠释了西门子简约实用的设计理念。例如XQG52-08X268等经典型号堪称集大成的高度智能化、自动化的洗衣机，强大的模糊神经网络智能控制系统不仅能实现精准洗涤，而且可以多方面洞察用户所需，在全过程中进行自检自感，更进行合理的自我调整，交上一份最令用户满意的答卷[12]。韩国三星WF1702NCW/XSC型号的洗衣机，号称滚筒洗衣机里的钻石品质，它是一款应运而生的“聪明”洗衣机，在三星特有的智能模糊控制系统下，它能全程智能感知衣料及重量，进而为用户智能编程，为衣物选择最佳的洗涤时间和用水量。此外，它还有专门洗涤轻污渍、小衣物的10分钟快速洗功能，满足了部分用户的特殊功能需要;独有的桶干燥技术可以杜绝霉菌滋生，为衣物营造干净的洗涤空间，也能延长洗衣机的使用寿命。此外，例如韩国的LG、TCL，美国的Vantage等，都在模糊洗衣机方面有着自己的特色，但是其本质都是相同的。2.3基于模糊控制全自动洗衣机研究的问题和不足最优控制与智能控制基础文献总结报告-6-模糊洗衣机由于不依赖被控对象，其控制性能完全取决与模糊控制器，而模糊控制器的工作效果存在一定的局限性，具体体现在一下几点：确立模糊化和逆模糊化的方法时，缺乏系统的方法，主要依靠经验和试凑；总结模糊控制规则的时候有时候比较困难；控制规则一旦