智能控制（家电产品中）

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1、1 智能控制在家电产品中的应用 在世界上 日本首先将模糊逻辑和模糊控制技术应用于开发新一代家电产品 1990年2月 日本松下电器率先推出模糊控制全自动洗衣机产品 以此为开端 日本许多电器公司相继将模糊控制技术应用于吸尘器 空调器 电饭煲 微波炉 电冰箱 摄像机等新型家用电器产品上 并打入和占领了国际市场 模糊控制的家电产品的生产和制造 可以有效地使用厂家多年积累下的技术 而且用过去的方法设计很困难的性能 也能按用户的期望赋予给产品了 这类产品操作简单 同时能把老工人和熟练操作者的长年经验和技术赋予给产品 用户就能像熟练者一样巧妙地操作和控制 使它能够在很大程度上富有人情味地满足人的需要 这就是

2、模糊控制家电产品的魅力 2 模糊控制电饭锅 模糊电饭锅是一种多功能家用烹任器具 与传统的电饭锅相比具有许多优越性 能自动地判定饭量 水 米比等信息 从而做出合适的控制决策 达到省时 省电的目的 煮出来的米饭颗粒均匀 富有光泽 口感好 可提高人的食欲 营养价值高 便于人体吸收外形美观 功能多 操作使用安全 方便 3 1 吸水过程 t0 t1 把米洗好后浸泡在水中 使大米吸足水分 若吸水不足 则米粒内部容易形成硬心 一般情况下 大米本身含有14 左右的水分 在开始大功率加热之前 让大米的含水率达到25 左右 这样就可使米的内部均匀地受热 使大米变成膨胀状 水温越高 米吸水的速度就越快但是 水温一旦

3、超过60 米中含有的 淀粉就会转化为 淀粉 变成糊状 保持水温在60 以下 实验表明 最佳温度为35 米饭的烹饪过程 理想的烹任米饭过程分为几个阶段 4 2 升温煮饭过程 tl t2 把已吸足水分的米饭采用大功率加热 使水温较快地上升到100 升温速度要适当 不然在大米的糊化温度 大约63 进行第二次吸水时 升温速度过快 也会造成火生饭 实验发现 升温时间和米饭的味道及质量有很密切的关系 升温时间在10min左右时 烧出的米饭综合效果最佳 米饭的烹饪过程 5 3 维持沸腾阶段 t2 t3 在水温上升到100 后 应在此温度下维持一段时间 以促进米粒中的 淀粉转化为 淀粉 在此阶段中 加热功率可

4、以适当减少 只要维持沸腾状态即可 直到内锅中的水完全被米吸收或蒸发掉 此时内锅底部的温度上升 产生出香味 应停止加热 实验发现 保持米饭的温度在98 以上达20min左右 米饭的味道较好 米饭的烹饪过程 6 4 补炊过程 t3 t4 在断电之后 温度将慢慢下降 当温度降到100 左右时 再通电加热一段时间 可以把米粒上多余的水分蒸发掉并且使米饭的内部也受到加热 在补炊结束时 米饭已经成形 并且有一股香味 米饭的烹饪过程 5 焖饭过程 t4 t5 在补炊结束后 米粒上基本没有多余的水分 应停止加热 利用余热可使米饭膨胀变得松软可口 也可促使米粒的全部淀粉 化 6 保温过程 t5之后 在焖饭结束后

5、 进入保温阶段 在此阶段 加热器断断续续地工作 使内锅温度保持在70 左右 7 模糊控制技术的应用 1 普通自动电饭锅的不足利用常规的控制方式可以实现充分吸水及沸腾后保温 但是要保持升温至沸腾的时间为10min左右 实现起来存在一些困难 原因是 如果要加热工序所经历的时间在10min左右 在第一吸水阶段就应该推断出饭量 但是 环境温度 初始水温 米的温度 电源电压的波动 加热板及内锅形状 控制回路的有关特性对推断饭量均有影响 在短短的10min内 一边推断饭量 一边进行控制 很难达到期望的温度控制要求 这就希望在吸水阶段来完成饭量的确定问题 8 模糊控制技术的应用 2 模糊控制电饭锅的基本思想

6、 1 模糊电饭锅的结构模糊控制电饭锅的结构分为内锅和外锅 以放米的内锅为中心 在其周围分别安置了锅底加热板 大功率 锅身电热丝 小功率 以及锅顶电热丝 小功率 三个加热器 此外 在锅底中心和锅顶出汽口分别设置了两个温度传感器 NTC 其中锅底温度传感器用于检测初期水温和内锅温度的上升情况 锅顶传感器负责检测室温和蒸汽温度 2 吸水过程中饭量的推算室温和初始水温是在开始烧饭至开始加热前一个很短的时间内检测出来并加以贮存的 然后 在内锅加热至接近淀粉 化温度时停止加热 随后 通过检测锅底温度的变化来推算饭量的大小 由于锅底温度受外界因素影响较大 故以初期水温T0 温度变化Td以及室温Tr做为输入变

7、量 根据这三个信息来综合推算饭量Q 9 模糊控制技术的应用 关于模糊推理法则的例子 假设室温为一定值 比如 初期水温为 普通 温度变化为 小 则饭量为Ql 初期水温和温度变化的隶属度函数分别定义 饭量的隶属度函数定义 10 模糊控制技术的应用 一般情况下 第i个法则的适合度 在隶属函数为fij 输入为xij时 可设定为 推论的结果是根据下式求均值 3 升温过程的功率控制升温过程中 虽然锅底传感器检测到的温度和内锅中的米饭温度有一定的关系 但因饭量的不同 这种对应关系也有变化 因此 根据在吸水过程中推定的饭量以及温度差 速度差 利用模糊控制技术实施加热功率的控制 其中温度差和速度差定义为 温度差

8、 e 实测温度值 基准温度值速度差 se 实测温度上升值 基准温度上升值反复进行上述推论和控制过程 直到锅顶传感器检测出米饭沸腾为止 11 模糊控制技术的应用 1 模糊控制系统的结构图第二阶段 升温过程 采用模糊控制方式 使温度在10min内逼近期望温度曲线 因此 设定输入信号是一条随时间的增加 温度按一定斜率上升的曲线 模糊控制器的输入变量为温度差和速度差 输出变量是负载通电的周波数变化量 50Hz 一个周期为20ms 当负载实际通电的周波数发生变化时 通过负载的电流也将改变 电热器产生的热量也随之而变 3模糊控制的实施过程 12 模糊控制技术的应用 2 词集 论域 隶属函数的确定把温度差的

9、论域量化为14挡 e 6 5 1 0 0 1 5 6 且温度差的模糊子集选取的词集 PB PM PS P0 N0 NS NM NB 把速度差的论域量化为13档 se 6 5 1 0 1 5 6 且速度差的模糊子集选取的词集 PB PM PS P0 N0 NS NM NB 13 模糊控制技术的应用 把周波数变化的论域量化为15档 7 6 5 1 0 1 2 5 6 7 且周波数变化的模糊子集选取的词集 PB PM PS O NS NM NB 周波数变化的模糊变量赋值表 14 模糊控制技术的应用 误差变化的模糊变量赋值表 误差的模糊变量赋值表 15 模糊控制技术的应用 3 模糊控制规则的建立通过对

10、人们控制经验的总结 得到了有关的温度控制规则表 4 模糊控制响应表的获取为了节省内存 提高运行速度 通过一系列的模糊运算得到了一个模糊控制响应表 16 模糊控制技术的应用 5 模糊控制算法的实现微机 单片机 实时采集当前的实际锅底温度 可以求得湿度差和速度差 根据E和SE查模糊控制表可以确定周波数的变化率 通过控制负载上的平均功率来达到调节温度的目的 模糊控制响应表 17 模糊电饭锅的硬件电路 18 软件系统设计 主程序设计的目标是要使实际温度模拟 跟随 煮饭过程中的理想温度曲线 因此主程序的结构主要由吸水阶段控制模块 升温过程控制模块 保沸过程控制模块 补炊过程控制模块 保温过程控制模块等组

11、成 软件系统包括主程序和各种子程序两大功能块 子程序主要有 键盘扫描及功能散转子程序模块 定时中断服务程序 采样子程序 滤波于程序 饭量推理子程序 显示 报警子程序 升温过程模糊控制子程序 19 模糊控制全自动洗衣机 日本松下电器于1990年2月出售的模糊全自动洗衣机 在洗涤桶中装有洗净度传感器 它能检测洗涤液透明度 其混浊度表示脏污程度 达到最混浊所花的时间 表示脏污的性质 因为油腻严重 越不易溶解于水 所以这一时间也就越长 再根据布量 布质传感器测出洗涤物量的多少及其洗涤物的布质软硬程度 然后利用模糊推理方法 仿效洗衣技术高超的人 自动确定最佳水位 最佳水流的强度及最佳洗涤时间 甩干时间等

12、 这种洗衣机可记忆由13名专家设计的1300多种洗衣方法资料 那些资料是专家们从50多名消费者中调查 搜集得来的 这种洗衣机真正达到了自动化洗衣的目的 在洗涤衣服这个范围内 其复杂程度几乎接近了人脑 24 1 1洗净度传感器24 1 2布量 布质传感器24 1 3基于洗净度的模糊推理24 1 4基于布量 布质的模糊控制24 1 5模糊全自动洗衣机的特点 20 洗净度传感器 洗净度传感器由发光二极管和光敏三极管构成 安装在排水阀上端附近出口管上 发光二极管的光强用光敏三极管转换成电压 由微机读出其大小给出洗涤水的透光度 控制回路从微机来的PWM信号通过低通滤波器后 经电压 电流变换构成控制发光二

13、极管发光强度的电路 发光强度的初值 设定为给水后清水状态时所定的大小 21 洗净度传感器 透光度检测的原理同分光光度计的原理相同 通过已知浓度的透光度和未知浓度的液体的透光度相比较 测定未知的浓度 当某厚度w的液体里射入单色光时 假设入射光强度为I0 透过光强度为I1 透过率为 如果换成其它溶液时 透过光强度变为I2 那么透过率为 k1是已知溶液的吸光度 k2是未知溶液的吸光度 现在 把I1设为清水时透过光的强度 I2为洗涤时透过光的强度 二者之比为 22 洗净度传感器 把清水时的发光输出I0控制为一定 受光元件的输出电压和透光强度成比例 因此 把洗涤时和清水时的受光输出电压分别设为V1 V2

14、 其比为 两边取对数 则变为 即受光元件清水时的输出电压V1和洗涤时的输出电压V2之比 透过度 的对数值 和吸光度的变化成比例 且可以根据洗涤液的污浊情况能被检测出来 23 洗净度传感器 洗净度传感器的输出波形 开始洗涤时 衣服的污浊渐渐溶解洗涤水变浑浊 所以光的透过度变低 这时 透过度降低速度的实质是 泥污 时快 而 油污 时慢 这是因为 泥污 的场合只由洗衣机回转产生的水流的机械力就比较容易去掉 油污 的场合必须由洗涤的效果发挥时才能充分去掉 污浊几乎去掉时 透过度就成为饱和状态 此时污浊量越多透过度越低 污浊量越少透过度越高 24 布量 布质传感器 布量 布质传感器的检测电路及机理 首先

15、分析布量传感器的检测机理 把洗涤桶水位作为计测水位 使电机在某一旋转时间停止 此时 检测作为表现布阻力的反电压 把从接在电机M两端电容器取出电压波形变为脉冲 检测其衰减时间T的长短 反映布量的多少 即布量多 衰减时间长 反之 衰减时间短 其次 分析布质检测过程 当确定了对应于布量最佳水位控制后 用上述同样的顺序再操作 布质通过检测脉冲衰减时间差 T求得 25 基于洗净度的模糊推理 从洗净度传感器的透过度降低的速度 到达饱和的时问 和饱和时的水平 图中的各区域可定性地知道洗涤物的污浊程度 而且由实验能得到数个样本点的污浊情况和洗涤时间的最佳关系然而 实际使用时污浊情况 洗净度传感器的输出特性曲线

16、 是无限的 只有全部的实验数据是不可能近似的 而且洗衣机的洗涤机构决定污浊情况和洗涤时间具有非线性 由数学算式统一表达是困难的 26 基于洗净度的模糊推理 因此 由模糊推理决定洗涤时间 根据模糊推理 由定性表达的数个规则进行推理处理 再由内插方法在整个空间进行非线性表达是可以实现的 模糊推理结构图中 由透过度达到饱和状态的时间T 即污浊性质和当时的输出y 即根据污浊量进行模糊推理决定其后的洗涤时间T 27 基于洗净度的模糊推理 模糊规则由下述形式的6条规则组成 洗涤物的污垢是很历害的油污 洗涤时间很长 洗涤物的污垢是比较轻的泥污 洗涤时间很短控制规则表中 T1 T6是洗涤时间 透过度和饱和时间的隶属函数 28 基于洗净度的模糊推理 控制规则的建立和参数的调节 是在实验室的数据和洗涤熟练者的技术基础上完成的 基于洗净度传感器的透过度和饱和时间模糊推理的输入输出关系 其中纵轴表示洗涤时间 29 基于布量 布质的模糊控制 全自动洗衣机模糊控制的目的 应尽量少损伤布 洗净力强 洗涤时间最短 这样便于实现硬币启动式全自动洗衣机的综合控制 基于布量 布质传感器的输入信息进行模糊推理 以决定最佳水流