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1、高等教育自学考试本科毕业论文单片机的全自动洗衣机自动控制系统设计考生姓名： 准考证号： 专业层次： 本 科 院 （系）：机械与动力工程学院指导教师： 职 称： 讲 师 重庆科技学院二O一O年十二月二十日高等教育自学考试本科毕业论文单片机的全自动洗衣机自动控制系统设计考生姓名： 准考证号： 专业层次： 本 科 指导教师： 院 （系）：机械与动力工程学院重庆科技学院二O一O年十二月二十日摘 要基于模糊控制的全自动洗衣机控制器自动控制系统, 所有的电路都是在单片机的控制下工作的，是以新一代凌阳16位单片机SPCE061A为核心，可以实现洗衣机的智能控制,提高洗衣质量,节约能源。全自动洗衣机是一种全新
2、的家用电器，能够自动检测到衣物的重量和脏污程度，自动决定进水量，从而能自动完成洗衣过程。洗涤程序是通过模糊推理得到的，故能达到好的洗涤效果。本次硬件设计制作了单片机的接口和外围硬件电路，其中包括洗衣机状态检测模块;显示电路和电机正反转电路等。以及软件程序的编写，其中包括主程序，检测子程序，电机正反转子程序等。本系统还利用凌阳SPCE061A出色的语音功能，对洗衣机进行报警与提示。最后是我们的联机调试，有软硬件配合完成整个系统的基本功能。关键词：模糊控制,单片机,全自动洗衣机,SPCE061ASCM full-automatic washing machine is automaticcontr
3、ol system designABSTRACTThe automatic control system of the automatic Washing Machine Controller based on fuzzy control with single chip computer SPCE061A can be implemented by intelligence control, so the quality of washing is improved and the source is saved. Automatic washing machine is a new hou
4、sehold appliance which can automatically detect the weight and degree of dirty and automatically determine the water, so it can automatically complete washing process. Because washing procedure is adopted by the fuzzy reasoning, it can achieve a good washing effect.This hardware design has been prod
5、uced MCU hardware interface and the external circuits, among them including the signal to collect the electric circuit , the electrical engineering is positive and negative to turn electric circuit etc. And the software procedure is wrote, which includes the main procedure, the data collects the sub
6、- procedure, the electrical engineering is positive and negative to turn sub- procedure etc. Finally, with the match of the soft and hardware, the basic function of the system is completed.Keywords: Fuzzy Control,Washing Machine,SPCE061A 目 录 中文摘要I英文摘要II1绪论12全自动洗衣机自动控制系统的硬件设计22.1 重量传感器22.2 浑浊度传感器32.3
7、 水位传感器42.4 直流电机52.5 凌阳16位单片机SPCE061A53自动控制系统的电路设计73.1 系统的时钟电路设计73.2 语音输出电路设计73.3 电源电路设计83.4 信号检测电路设计93.5 洗涤电路设计103.6 显示电路设计113.6.1 状态显示电路113.6.2 时间显示电路113.7 语音报警电路124软件设计134.1 全自动洗衣机中的模糊控制134.2 模糊控制系统144.2.1 模糊控制系统的组成144.2.2 模糊控制器基本结构154.3 基于模糊控制的全自动洗衣机控制器的设计164.3.1 模糊控制输入量174.3.2 模糊控制的输出量194.3.3 模糊
8、控制规则204.4 软件设计思路214.4.1 输入端口设置214.4.2 输出端口设置224.4.3 软件设计主流程图225结论24致谢25参考文献26论文原创性声明附录I1 绪 论随着自动化技术的深入发展,单元技术和自动化技术的不断综合应用，使人类从复杂、危险、繁琐的劳动环境中解放出来并大大提高控制效率。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。为了实现各种复杂的控制任务，首先将被控制对象和控
9、制装置按照一定的方式连接起来，组成一个有机的总体，这就是自动控制系统。在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值，例如温度，压力或飞行航迹等；而控制装置则是对被控对象施加控制作用的机构的总体，它可以采用不同的原理和方式对被控对象进行控制，但最基本的一种是基于反馈控制原理的反馈控制系统。在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行控制的任务，这就是反馈控制的原理。本文设计是基于模糊控制的全自动洗衣机控制器自动控制系统, 所有的电路都是在单片机的控制下工作的
10、，是以新一代凌阳16位单片机SPCE061A为核心，可以实现洗衣机的智能控制,提高洗衣质量,节约能源。全自动洗衣机是一种全新的家用电器，能够自动检测到衣物的重量和脏污程度，自动决定进水量，从而能自动完成洗衣过程。洗涤程序是通过模糊推理得到的，故能达到好的洗涤效果。文中硬件设计制作了单片机的接口和外围硬件电路。它包含洗衣机状态检测模块，显示电路和电机正反转电路等。而软件程序的编写包括了控制主程序，检测子程序，电机正反转子程序等。2 全自动洗衣机自动控制系统的硬件设计硬件结构框图及软件流程图是该系统的重要组成部分,在整个控制过程中,模糊控制软件起了决定性的作用。本设计中采用了凌阳公司的SPCE06
11、1A作为控制核心，以单片机为核心结合接口芯片及外围电路以实现洗衣机的智能控制。其中模糊控制器的设计是关键环节，采用传感器检测洗衣过程必需的物理量，进入模糊控制器，通过模糊推理，实现对洗衣机自动识别衣量，自动识别肮脏程度，自动决定水量功能的控制。通过几个传感器收集到的信息，包括衣物重量，水位，衣物的脏污程度的信息，经过处理器综合判定后，便自动选择出最适当的水位、洗涤时间和洗衣动作等工作参数，并按照衣物的大小及脏污程度等信息，执行最佳洗涤程序。因此，即人们只需轻轻一按洗衣机的启动键，余下的事就都由洗衣机自动完成了。为了使控制效果好,设计简单,采用矛盾分析方法：根据衣物重量确定水位高低和洗涤过程中的
12、浑浊度信息修正实际的洗涤时间的长短和漂洗次数的多少。输入量分别由水位传感器，重量传感器和浑浊度传感器确定水位，衣物重量和浊污程度，并经模数转换后送入单片机的输入端口，并经过控制器根据模糊推理规则确定进水量，洗涤时间等。输出量有水流方式（电机正反转）和洗涤时间等。我们根据全自动洗衣机的自动控制系统工作原理，给出了硬件结构框图，如图2.1所示。图2.1 系统硬件设计框图2.1 重量传感器衣物重量检测电路如图2.2所示（见下页）.具体检测重量时,首先注入一定的水位,然后起动主电机旋转,接着断电让主电机以惯性继续运转直到停止.在主电机断电惯性旋转时间内,主电机处于发电状态,会产生感应电动势输出.显然,
13、随着布阻抗大小的不同,主电机处于发电机状态的时间长短也不同.因此,只要检测出主电机处于发电机状态的时间长短,就可以反过来推理出布阻抗的大小.主电机发电时间愈长,布阻抗就愈小;反之布阻抗就愈高.主电机发电时间可直接通过检测起动电容两端输出电势,并将此电势半波整流后,由光电隔离后放大整形为一矩形脉冲系列的脉冲数而定.脉冲个数反映布阻抗的大小,脉冲个数多,布阻抗小,反之亦然,据此通过模糊推理即可得到重量.如图1.3所示，衣量传感器能区分四档衣量(多量、中多量、中少量、少量).图2.2 衣物重量检测电路图2.3 衣物重量的判断方法2.2 浑浊度传感器电路如图2.4，2.5所示（见下页）,浑浊度传感器安
14、装在排水阀上端附近出口管上。原理:利用二极管的光透过洗涤液射到光敏三极管,洗涤液的污浊程度影响光透度,洗涤液越污浊,光透度越小,而光透的大小影响光敏三极管输出电压V,一般光透度越大,V的值越大。因此通过检测V值可知光透度的大小。 图2.4 浑浊度传感器的电路 图2.5 浑浊度程度2.3 水位传感器水位检测的精度直接影响洗净度、水流强度、洗涤时间等参数。对于模糊控制的洗衣机,要求水位的检测必须是连续的,故常采用谐振式水位传感器。谐振式水位传感器是利用电磁谐振电路LC作为传感器的敏感元件,将被测物体的变化转变为LC参数的变化,最终以频率参数输出。其工作原理是:将水位的高低通过导管转换成一个测试内腔
15、气体变化的压力,驱动内腔上方的一块隔膜移动,带动隔膜中心的磁芯在某线圈内移动,从而线圈电感发生变化。由此引起谐振电路的固有频率随水位变化。水位测量电路如图2.6所示（见下页）,为便于与单片机接口,水位传感器采用数字振荡电路,电感与电容组成的三点式振荡电路经C2耦合接入数字式谐振放大器A1,随着水位变化,谐振频率作相应变化,放大器在a点输出,经A2整形,由c点输出,此时即可将数字量接到单片机。图2.6 水位检测电路2.4 直流电机我们采用5v的直流电机，它有两根引出来的线，只要将一端接正另一端接负，就可以使电机转起来，将两根线反接，直流电机就可以反过来转动。电机驱动电路很简单。我们采用桥式驱动电
16、路。2.5 凌阳16位单片机SPCE061ASPCE061A是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机。SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具硬件在线实时仿真器和程序烧写器。它利用了SPCE061A片内置的在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其芯片的仿真头直接连接到目标电路板上SPCE061A相应管脚，直接在目标电路板上的CPU-SPCE061A调试、运
17、行用户编制的程序。PROBE的另一头是标准25针打印机接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机IDE集成开发环境软件包下，完成在线调试功能。另外，凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。它的较高的处理速度使unSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。在此环境中，不仅可以支持标准C语言和汇编语言，可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用为软件开发提供了方便的条件。输入/输出接口（简称为I/O口）是单片机与外设交换信息的通道。输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。输出端口负责向外界传送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信
18、号等。unSP内有并行和串行两种方式的I/O口。并行口线路成本较高，但是传输速率也较高；与并行口相比，串行端口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。SPCE061A有两个16位的通用并行口：A口和B口。这两个端口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。SPCE061A提供了32位控制结构的I/O端口，每一位都可以单独用于数据输入或输出。每个独立的位可通过以下3种控制向量来作设定：I/O数据向量DataI/O方向向量DirectionI/O方式向量Attribution每3个对应的控制向量组合在一起，形成一个控制字，用来定义相对应I/O端口位的输入输出状态和方式。例如，假设需要I/O口是带
19、下拉输入引脚，则相对应的Data、Attribution和Direction的值均被设为“0”。如果需要I/O口是带唤醒功能的悬浮式输入引脚，则Data、Attribution和Direction的值被设为“010”。与其它的单片机相比，SPCE061A除了每个I/O口可以单独定义其状态外，每个对应状态下的I/O口是端口性质电路都是内置的，在实际的电路中不需要再外接。例：设I/O口为带下拉电阻的输入端口，在连接硬件时不用再外接下拉电路。A口和B口的Data、Attribution和Direction的设定值均在不同的寄存器里，用户在进行/O端口设置时要特别注意这一点。I/O端口的组合控制设置如
20、表1.1所示：表2.1 I/O端口的组合控制设置DirectionAttributionData功能是否带唤醒功能功能描述000下拉是带下拉电阻的输入引脚001上拉是带上拉电阻的输入引脚010悬浮是悬浮式输入引脚011悬浮否悬浮式输入引脚100高电平输出（带数据反相器）否带数据反相器的高电平输出（当向数据位写入“0”时输出“1”）101高电平输出（带数据反相器）否带数据反相器的低电平输出（当向数据位写入“0”时输出“1”）110低电平输出否带数据寄存器的低电平输出（无数据反相功能）111高电平输出否带数据寄存器的高电平输出（无数据反相功能）3 自动控制系统的电路设计3.1 系统的时钟电路设计u
21、nSP的系统时钟信号和CPU的工作时钟信号CPUCLK均来自其时钟系统。其时钟系统基本上由三部分组成：锁相环PLL倍频电路，可编程分频计数器以及时基信号发生器。通过PLL对实时时钟32768Hz尽心倍频处理，产生出Fosc信号，作为系统的时钟源。unSP内核的外围中只有32768Hz的时钟电路。其接法如图3.1所示。图3.1 系统时钟电路3.2 语音输出电路设计凌阳单片机的语音数据经过解码后直接送到DAC口输出。也就是说，它输出的仅仅是高低正电压，只能使扬声器的振片在一个方向振动。要想具有较好的乐质，还需要对输出的电压进行转化，也就是将正电压变换成正负平分的电压。另外，系统的输出口有可能存在高
22、频干扰信号，所以在电路中加入了RC并联高频滤波电路。三极管用来放大DAC的输出，语音输出电路如图3.2所示。图3.2 语音输出电路3.3 电源电路设计在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。它是由电源变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压但这样的电压还随电网电压波动(一般有士10左右的波动)、负载和温度的变化而变化因而在整流、滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度
23、变化时，维持输出直流电压稳定。在此硬件电路中，我们需要电压稳定的直流供电系统。本系统是将220V的交流的电压分别变为+5V（硬件电路）。在小功率整流电路中(1kW以下)，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。这里采用的是单向桥式整流电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器上，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。在此选用的是在负载两端并联电容器C。由于电抗元件在电路中有储能作用，并联的
24、电容器C在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来使负载电压比较平滑，即电容C具有平波的作用。在滤波电路后接入输出电压固定的集成稳压器，由于它只有输入、输出和公共引出端，因此有被称为三端式稳压器，三端式稳压器有启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。电路如图3.3所示。图3.3 电源电路5V直流电压经过SPY0029后给整个系统供电。SPY0029是凌阳公司设计的电压调整IC，采用CMOS工艺。SPY0029具有静态电流低、驱动能力强、线性调整出色等特点。图中的VDDH为SPCE061A的I/O电平参考，接SPCE061A
25、的51脚，这种接法使得I/O输入输出高电平为3.3V;VDDP为PLL锁相环电源，接SPCE061A的7脚；VDD和VDDA为数字电源，分别接SPCE061A的15脚和36脚；AVSS1是模拟地，接SPCE061A的24脚；VSS是数字地，接SPCE061A的38脚。AVSS2接音频输出电路的AVSS2。硬件电路如图3.4所示。图3.4 最小系统的电源电路3.4 信号检测电路设计普通全自动洗衣机的检测部分一般都是由传感器以及对应的A/D和D/A转换来完成的，而检测的内容一般为被洗衣物的重量、被洗衣物的脏净程度和水位。在我们模拟过程中，由于时间与经费的限制，我们用电位器代替了传感器的检测，通过给
26、不同的电位器值来让系统CPU检测需要洗涤的时间和强度。我们用两个电位器来分别模拟洗衣机的脏净检测和衣物重量检测。用2k的电位器来模拟重量传感器，当电阻值在0-1000之间时我们给它定义为衣物重量较轻，若值在1000-2000时我们定义为比较重；同样，我们用2k的电位器模拟了浑浊度传感器，电阻值在0-1000之间时我们定义为脏度轻，若在1000-2000时脏污程度比较重；我们用水位传感器来检测水位的高低。我们是水位传感器相当于液位开关，是膜片-触头开关式。当水满时开关自动闭合，三极管9013导通，则给输入口一个低位信号。在进水期间，三极管9013处于断开状态，系统不断检测水位传感器，若水位传感器
27、检测到水满时，就使三极管9013导通，停止进水。由于SPCE061A单片机有7路模拟量输入口IOA0-IOA6，所以我们可以将传感器输出的模拟量直接接入IOA3,IOA4,IOA5.硬件电路如图3.5所示（见下页）。图3.5 系统检测电路3.5 洗涤电路设计电机的驱动采用双向PWM脉宽调制方式控制。采用这种控制方式可以方便地实现电机的正反转和转速变化。电机驱动电路如图3.6所示。其工组原理为当IOB8端口为低电平、IOB9端口为高电平时，三极管Q5导通，Q5导通又导致Q3和Q2导通，则电流从电源通过Q2、直流电机和Q3构成回路；当IOB8端口为高电平、IOB9端口为低电平时，三极管Q6导通，Q
28、6导通又导致Q4和Q1导通，则电流从电源通过Q1、直流电机和Q4和Q1导通，则电流从电源通过Q1、直流电机 和Q4构成回路，且电流方向和前面相反，即电机转向发生变化。通过控制IOB8口和IOB9口电平的高低和高电平导通的时间，就可以控制电机的正、反转和转速。电机控制电路图如3.6所示：图3.6 电机控制电路3.6 显示电路设计3.6.1 状态显示电路D0、D1、D2、D3为衣物检测状态显示，D0、D1、D2、D3分别表示为衣物轻，衣物重，脏度低，脏度重。其组合情况有四种，如下表示。当检测完衣物的状态后，洗涤模块开始动作，各指示灯显示相应的工作状态D4：进水指示灯；D5：洗涤指示灯；D6：漂洗指
29、示灯；D7：排水指示灯；D8：脱水指示灯。表3.1 状态显示电路D0+D2：衣物轻且脏度低D0+D4：衣物轻且脏度高D1+D2：衣物重且脏度低D1+D4：衣物重且脏度高3.6.2 时间显示电路8段LED时一种常用的数码显示屏。这种数码管的每个线段都是一个发光二极管，因而把它叫做LED数码管。如果将其接入正5v的电源则需要接下拉电阻。但在此系统中，LED显示直接接在凌阳单片机的输出口。这种微机输出口的最大驱动能力不会超过14mA，所以本系统直接将LED接在了凌阳单片机的输出口。洗衣机洗衣时间一般在几十分钟左右，所以我们设计了两位一体的显示器，显示时我们不需要小数点。本次设计我们选择的八段数码显示
30、管为共阴数码管，是在各洗涤过程中显示所需的时间其记数方式为倒记时。时间显示电路图如3.7a，3.7b所示（3.7b见下页）：3.7a 时间显示电路图3.7b 时间显示电路图3.7 语音报警电路本次设计的要求为整个系统在运行结束是及时发出声音,来提醒人们洗衣结束。语音是SPCE061A的一大特点.应用SPCE061A可以方便的实现语音的录放,该芯片拥有8路10位精度AD.其中1路AD为音频转化通道,并且内置有自动增益电路.这为实现语音录入提供了方便的硬件条件.2路10位精度的DA,只需要外接2个功放(LM386)即可完成语音的播放。而且它支持标准的c语言,可以实现c语言与凌阳汇编语言的相互调用。
31、如图3.8所示：图3.8 系统报警电路 4 软件设计本次设计是基于模糊控制理论上的全自动洗衣机，用户只需要将衣物放进洗衣机，按下启动键，洗衣机就能自动完成洗涤-漂洗-脱水等一系列操作，当然本次设计中还考虑到半自动时的情况，用户可以根据自己的需求自由选择洗衣机将要进行什么工作，这一点是通过按键来实现的。4.1 全自动洗衣机中的模糊控制在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统
32、的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。自从Zadeh发展出模糊数学之后，对于不明确系统的控制有极大的贡献，自七年代以后，便有一些实用的模糊控制器相继的完成，使得我们在控制领域中又向前迈进了一大步。模糊控制涉及了五个主要部分，即:定义变量、模糊化、知识库、逻辑判断及反模糊化，以下将就每一部分做简单的说明：(1)定义变量：也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上，输入变量有输出误差E与输出误差之变化率CE，而控制变量则为下一个状态之输入U。其中E、CE、U统称为模糊变量。(
33、2)模糊化（fuzzify）：将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值（linguisitc value）求该值相对之隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合（fuzzy subsets）。(3)知识库：包括数据库（data base）与规则库（rule base）两部分，其中数据库是提供处理模糊数据之相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和策略。(4)逻辑判断：模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到模糊控制讯号。此部分是模糊控制器的精髓所在。(5)解模糊化（defuzzify）：将推论所得到的模糊值
34、转换为明确的控制讯号做为系统的输入值。4.2 模糊控制系统模糊控制系统是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种非线性系统。模糊控制与经典控制的根本区别在于它并不需要建立被控对象(或过程)的精确数字模型，而是完全凭人的经验，应用了人的思维和逻辑推理方法来“直观”地进行控制。4.2.1 模糊控制系统的组成模糊控制系统主要有以下四个部分组成:(1)模糊控制器:它是模糊控制系统的核心，它是以模糊逻辑推理为主要组成部分，同时又具有模糊化和去模糊化功能的控制器，根据控制系统的需要，即可选用系统机，又可选用单板机或单片机;(2)输入/输出接口装置:通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号，送至
35、模糊控制器，并将模糊控制器决策出的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象;(3)广义对象:包括被控对象与执行机构，被控对象可以是线性的，也可以是非线性的、定常或时变的等多种情况;(4)传感器:传感器将被控对象或将各种被控量转换为电信号，它在模糊控制系统中占有非常重要的位置，因此它的精度影响着整个控制系统的精度。其基本工作原理是:微机经中断采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到偏差信号。一般选偏差信号e作为模糊控制器的一个输入量，把偏差信号e的精确量进行模糊化变成模糊量，偏差e的模糊量可以用相应的模糊语言表示，得到了偏差e的模糊语言集合的一个子集。
36、再由模糊子集和模糊控制规则(模糊关系)根据模糊推理的合为:。模糊控制系统核心部分为模糊控制器。原理框图如图4.1所示：成规则进行模糊决策，得到模糊控制量。 图4.1 模糊控制系统模糊控制过程可概括为下述4个步骤:(1)根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择系统的输入变量:(2)将输入变量的精确值变为模糊量;(3)根据输入变量(模糊量)及模糊控制规则，按照模糊推理合成规则推理计算输出控制量(模糊量);(4)由上述得到的控制量(模糊量)计算精确的输出控制量，并作用于执行机构。4.2.2 模糊控制器基本结构自1974年英国科学家Mamdani首次将模糊控制理论应用于蒸汽机控制后，模糊控制在工业过
37、程控制、家电、交通运输等方面得到了广泛的应用。20多年来，出现了各种各样的模糊控制器，具体有以下几种:简单模糊控制器，模糊自调整控制器，模糊PID控制器，模糊自组织控制器，模糊自适应控制器，专家模糊控制器和模糊神经网络控制器等。模糊控制器输入变量的个数称为维数，按维数可将模糊控制器分为一维模糊控制器、二维模糊控制器和多维控制器。目前一维模糊控制器应用于一阶被控对象较多，但由于这种控制器的输入变量只有一个，动态控制性能不佳。虽然从理论上，维数越高，控制越精确，但是维数太高会造成控制规则过于复杂，控制算法的实现也会相当困难。因此目前广泛应用的是二维模糊控制器。模糊控制器的基本结构包括四个部分:（1
38、）模糊化：模糊化的基本思想是定义一个模糊语言映射作为从数值域至语言域(符号域)的模糊关系，从而在数值测量的基础上，将数值域中的数值信号映射到语言域上，为实现模糊推理奠定基础。因此它实质上是模糊控制器的输入接口，其作用是将输入的精确量转换成模糊化量。模糊化的具体过程如下:首先对这些数量进行处理，以变成模糊控制器要求的输入量。将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变化到各自的论域范围。将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成模糊量，并用相应的模糊集合来表示。对于一个模糊输入变量e，其模糊子集通常可以以这种方式划分:e:负大，负中，负小，零，正小，正中，正大卜NB，NM，
39、NS，20，PS，PM，PB。（2）知识库：知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量，若论域为连续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向模糊推理提供数据。规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。通常由一系列的关系词连接而成，如if一then，else，also，end，or等。它们反映T控制专家的经验和知识。规则的条数与模糊变量的模糊子集划分有关，划分越细，规则条数越多，但并不代表规则的准确度越高，准确性还与专家知识的准确度有关。模糊控制规则的生成主要有四
40、种方法:基于专家的经验和控制工程知识；基于操作人员的实际控制过程；基于过程的模糊模型；基于学习。(3)模糊推理：模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。模糊推理根据输入模糊量，由模糊控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量的功能部分。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。(4)清晰化：推理结果的获得，表示模糊控制的规则推理功能己经完成。但是这个结果仍然是一个模糊矢量，不能直接用来作为控制量，还必须进行一次转换清晰化 (或解模糊)。清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量(模糊量)变换为实际用于控制的清晰量。它包含以下两部分内容:将模糊的控
41、制量经清晰化变换，变成表示在论域范围的清晰量;将表示在论域范围的清晰量经尺度变换变成实际的控制量。常用的清晰化有3种:重心法、最大隶属度法、加权平均法。4.3 基于模糊控制的全自动洗衣机控制器的设计传统洗衣机的使用依赖于人们对被洗涤衣物的重量、质地、脏污程度和脏污性质的判断，并据此来确定洗涤时间和洗涤方式。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，就可能对洗衣机造成功能上的浪费。随着模糊控制技术应用的广泛开展以及家电智能化的社会需求，智能洗衣机日益成为洗衣机行业的主流产品。它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。全自动洗衣机的核心是单片机控制板，它具有
42、检测和控制功能。检测功能是指通过一系列传感器来检测衣量、衣质、脏污程度、脏污性质等指标；控制功能是指根据所检测到的信息来决定洗涤水位、水流方式、洗涤剂投放量和洗涤时间等。设计全自动洗衣机的关键就是如何根据检测到的各项指标来决定洗涤的程式。由于洗衣过程的控制对象难以用精确的数学模型来描述，所以采用传统的控制方法难以取得理想的洗涤效果。而模糊控制方法却能很好地解决这个问题，因为这种方法具有不必建立精确模型、易于实现、与人的思维方式相一致的特点，它为洗衣机全自动功能的实现提供了一条有效的途径。从现在市场上能见到的全自动洗衣机的运行过程可以看出，洗涤时间、洗涤剂投放量、水流强度和水流方式（电机转速）是
43、被控对象的主要参量，衣量、衣质以及衣物的脏污程度和脏污性质是被控对象的主要输入变量。比如对于衣物的脏污程度，人们通常用很脏、一般脏、不太脏等这类模糊语言来描述。事实上，脏污程度和脏污性质的区分并不存在一个明确的界限。因而，对于洗涤过程，输入和输出之间很难找到一个精确的数学模型来描述，用常规的方法难以达到理想的效果，而采用模糊控制技术则能很好地解决这个问题。模糊控制是在总结人们生产实践经验的基础上，通过对输入量模糊化后，根据一定的模糊控制规则，决定对被控对象采用相应的控制策略。模糊控制的优势在于它不需要知道被控对象或过程的数学模型、对于不确定系统，如非线形系统能有效地控制并且具有较强的鲁棒性。模
44、糊控制器设计由模糊化、模糊推理和反模糊化三部分组成，它们都建立在知识库的基础之上。图4.2是全自动洗衣机的模糊控制原理框图： 图4.2 全自动洗衣机的模糊控制原理框图4.3.1 模糊控制输入量模糊控制输入量是模糊推理的前件，对于全自动洗衣机模糊控制器而言，主要有重量、衣质、脏污程度和脏污性质等四个输入量。这四个输入量的模糊子集隶属函数设计如下：重量：论域的语言值定义为多、较多、较少、少四种，其模糊子集隶属度函数见图4.3；衣质： 论域的语言值定义为化纤、混纺、棉布三种，其模糊子集隶属度函数见图4.4；脏污程度：论域的语言值定义为很脏、一般脏、不太脏三种模糊子集隶属度函数见图4.5；脏污性质：论
45、域的语言值定义为油性、中性和泥性三种，模糊子集隶属度函数见图4.6。图4.3 重量隶属度函数 图4.4 衣质隶属度函数图4.5 脏污程度隶属度函数图4.6 脏污性质隶属度函数4.3.2 模糊控制的输出量全自动洗衣机模糊控制的输出是模糊推理的后件，主要包括水位、洗涤时间、洗涤剂投放量和水流强度四个量。这四个输出量的模糊子集隶属函数设计如下：水位：论域的语言值定义为高、较高、较低、低四种，其模糊子集隶属度函数见图4.7水流强度：论域的语言值定义为强、中和弱三种，其模糊子集隶属度函数见图4.8洗涤剂投放量：论域的语言值定义为多、较多、中、较少和少五种，其模糊子集隶属度函数见图4.9洗涤时间：论域的语
46、言值定义为很长、长、较长、中、较短、短、很短七种，其模糊子集隶属度函数见图4.10（见下页）图4.7 水位模糊子集隶属度函数图4.8 水流强度模糊子集隶属度函数 图4.9 洗涤剂模糊子集隶属度函数图4.10 洗涤时间模糊子集隶属度函数4.3.3 模糊控制规则全自动洗衣机的模糊控制规则即洗衣机控制策略，是实现最佳洗涤效果的经验结晶。采用IF-THEN 规则，其表达形式为：IF（衣量）IS（重量的某个语言值）AND（衣质）IS（衣质的某个语言值）AND（脏污程度）IS（脏污程度的某个语言值）AND（脏污性质）IS（脏污性质的某个语言值）THEN水位IS（水位的某个语言值）AND（水流强度）IS（水流强度的某个语言值）AND（洗涤时间）IS（洗涤时间的某个语言值）AND（洗涤剂）IS（洗涤剂的某个语言值）为了简洁地给出模糊控制规则表，对于变量的语言值可采用下面的数字定义：水位：（低、较低、较高、高）=（1、2、3、4）水流：（弱、中、强）=（1、2、3）洗涤
