試析模糊控制技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用

祝賀 馬超 陳常山 王泉 韓昱 金寧

【摘要】只要是很難建立數(shù)學(xué)模型的場(chǎng)所或者不能建立數(shù)學(xué)模型的都可以采用模糊控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行操作，模糊控制技術(shù)能夠把專(zhuān)家或者操作者的知識(shí)及控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成用語(yǔ)言變量解釋的控制規(guī)則，接下來(lái)就可以用規(guī)則去控制系統(tǒng)。模糊控制技術(shù)是智能控制的一個(gè)重要分支，是模仿人的思維的一種控制技術(shù)，是基于模糊推理和語(yǔ)言規(guī)劃的一種高級(jí)控制決策，也是智能控制的一種最高級(jí)階段?，F(xiàn)在，模糊控制技術(shù)的理論正日趨成熟，模糊控制技術(shù)的應(yīng)用也在迅速發(fā)展，模糊控制技術(shù)能夠極大地提升家用電器的自動(dòng)化水平和智能化水平。本文主要探討模糊控制技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：模糊控制理論;模糊控制技術(shù);家用電器

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)家用電器的需求越來(lái)越多，對(duì)家用電器的要求也越來(lái)越高，家用電器的功能逐漸完善，家用電器的操作也越來(lái)越復(fù)雜，模糊技術(shù)進(jìn)一步與家用電器進(jìn)行融合，不但縮短了產(chǎn)品周期，而且使產(chǎn)品更具實(shí)用性和獨(dú)特性，使人們的生活更加的便利。家用電器的工作模式、運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境條件的差異非常大，操作者的現(xiàn)有知識(shí)水平有很大的差異，操作意識(shí)有極大的隨意性和很大的經(jīng)驗(yàn)成分，這些現(xiàn)實(shí)情況決定了家用電器的應(yīng)用模糊技術(shù)具有很大的優(yōu)越性。

模糊控制也就是讓人們把實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行形象化的描述和總結(jié)，用語(yǔ)言表達(dá)為不精準(zhǔn)的決策規(guī)則和一組定性的條件語(yǔ)句[1]。模糊控制技術(shù)在嵌入式控制系統(tǒng)和家用電器產(chǎn)品中的應(yīng)用越來(lái)越多的一個(gè)主要的原因是：?jiǎn)纹瑱C(jī)上的外圍器件和接口對(duì)于許多的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠使用，所有的模糊編碼一般不會(huì)給儲(chǔ)存空間及處理空間帶來(lái)問(wèn)題，大多數(shù)的模糊控制技術(shù)應(yīng)用都能夠使用較為廉價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)得到實(shí)現(xiàn)，除了少數(shù)的有特定要求的應(yīng)用必須要專(zhuān)用的模糊集成芯片外。

1. 模糊控制理論

1.1 模糊控制的概念

模糊控制技術(shù)就是“模糊理論”應(yīng)用在具體的控制技術(shù)上。1965年，首先提出模糊理論的是美國(guó)的控制專(zhuān)家L、A扎德，模糊論是把事物具有某一屬性的程度用隸屬度來(lái)描述，并不是把事物用精確的量來(lái)描述，例如用二值邏輯中的“1”來(lái)表示事物完全具有某一屬性，用二值邏輯中的“0”來(lái)表示完全不具有某一屬性，用0或者1之間的某一實(shí)數(shù)來(lái)表示介于兩者之間[2]。一般把扎德教授認(rèn)為是模糊理論的開(kāi)山鼻祖，1974年，把模糊理論應(yīng)用到蒸汽機(jī)的控制上是倫敦大學(xué)的梅登民教授，從而證實(shí)了模糊理論的有效性，從此模糊理論開(kāi)始應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

模糊控制也就是模糊邏輯控制，不同于工業(yè)技術(shù)中的精確控制，而是通過(guò)對(duì)模糊邏輯運(yùn)算、模糊邏輯判斷、模糊集合及模糊邏輯推理等技術(shù)措施進(jìn)行處理后，得到的對(duì)特定對(duì)象進(jìn)行控制的一種方法。也就是對(duì)一些難以精確計(jì)算的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了使復(fù)雜的控制過(guò)程簡(jiǎn)單化，可以使用數(shù)字電路進(jìn)行實(shí)施。

1.2 模糊控制的原理

由傳感器進(jìn)行輸入量的采樣保持（此輸入量一般是精確量），把這個(gè)輸入量進(jìn)行模糊化處理為模糊信息輸入，同時(shí)把人的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為若干條模糊規(guī)則，經(jīng)過(guò)相關(guān)的模糊數(shù)學(xué)處理后輸入計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)把輸入的模糊信息及已經(jīng)存入的模糊規(guī)則進(jìn)行推理比較，決定模糊判決，輸出這個(gè)判決去完成控制操作[3]。

（1）輸入模糊化的精確量

將傳感器收集到信息的誤差范圍設(shè)定在[-a，+a]之間連續(xù)的變化量，接著把連續(xù)的精確量進(jìn)行離散化處理;確定這個(gè)論域的量化因子和級(jí)數(shù)，讓每一級(jí)相對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊的子集，也就是進(jìn)行模糊化的處理[4]。選取量化因子和級(jí)數(shù)的時(shí)候要看控制的精度，級(jí)數(shù)太多，就會(huì)使控制程序復(fù)雜，級(jí)數(shù)太少，不能達(dá)到控制精度。

（2）進(jìn)行模糊控制規(guī)則的建立

這個(gè)過(guò)程就是把人的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，成為可操作性的控制規(guī)則，由此制定出總的控制表進(jìn)行存儲(chǔ)，這個(gè)控制表已經(jīng)給出了各種條件下的相對(duì)應(yīng)的模糊判決關(guān)系。在進(jìn)入模糊化的輸入信息之后，用微處理器將其和總控制表的行列相比較，然后做出判斷輸出。

輸入的時(shí)候用一維可以，用多維也可以，一般多用一維輸出[5]。當(dāng)進(jìn)行多維輸入、多維輸出的時(shí)候，為了簡(jiǎn)化程序及減少控制規(guī)則的條數(shù)，多采用分開(kāi)處理的辦法。

（3）模糊判決的輸出

模糊指令反映語(yǔ)言的終極目標(biāo)是按照不同的模糊子集內(nèi)容來(lái)進(jìn)行的?？刂茖?duì)象要根據(jù)不同的取值組合進(jìn)行靈活的操作，接著進(jìn)行更加精準(zhǔn)的表達(dá)和控制，由此推出一個(gè)普通集合的映射，對(duì)控制變量進(jìn)行分析和決斷，再通過(guò)取中位數(shù)算法、隸屬全度算法、加權(quán)平均算法等，接著進(jìn)行智能化的判斷對(duì)于模糊控制的結(jié)果。

2.? 模糊控制技術(shù)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用范圍

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，模糊控制技術(shù)也越來(lái)越完善，許多的家用電器像炒菜機(jī)、洗衣機(jī)、空調(diào)、電飯煲、微波爐、吸塵器等智能家用電器上，這種模糊控制技術(shù)模型都已經(jīng)得到了應(yīng)用，對(duì)于微處理器的處理精度的提高主要是通過(guò)智能化的傳感進(jìn)行?，F(xiàn)代化智能家電的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都離不開(kāi)模糊控制技術(shù)的隨機(jī)適應(yīng)性。在未來(lái)的家電發(fā)展進(jìn)程中，只有不停的滿(mǎn)足消費(fèi)者的實(shí)際需要，做好流程建設(shè)和路徑分析，實(shí)行場(chǎng)景化的智能操作控制，才能夠提升控制等級(jí)，簡(jiǎn)化操作流程，實(shí)現(xiàn)智能操作的全面覆蓋，對(duì)人類(lèi)的雙手進(jìn)一步的解放，創(chuàng)建更大的社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文以熱水器為例，探討模糊控制技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用。

2.2 電熱水器的模糊控制

（1）原理的應(yīng)用

使用模糊控制的智能電熱水器，能夠在獨(dú)立測(cè)溫的過(guò)程中，運(yùn)用智能化的測(cè)控軟件進(jìn)行智能傳感工作[6]。第一，在使用智能傳感器控制溫度的過(guò)程中，能夠按照人的指令進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)，保證水溫和設(shè)定的溫度偏差在正0.5℃和負(fù)0.5℃之間的位置。第二，運(yùn)用模糊控制指令算法能夠自動(dòng)化的檢測(cè)漏電系統(tǒng)，還能夠提供自動(dòng)控制的防干燒功能，技術(shù)人員根據(jù)可預(yù)約自檢工作系統(tǒng)、獨(dú)立編程系統(tǒng)遙控進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析電熱水器的運(yùn)行狀態(tài)，業(yè)主按照這種實(shí)現(xiàn)約定的方法，能夠遠(yuǎn)程操控電熱水器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)機(jī)并且按時(shí)供應(yīng)熱水。第三，使用模糊控制的智能電熱水器能夠有效的減少業(yè)主因?yàn)榈却裏崴速M(fèi)掉的時(shí)間，也能夠使保溫的時(shí)效延長(zhǎng)，這樣既節(jié)省了資源，又達(dá)到了預(yù)約使用熱水、即燒即熱的效果。

（2）流程的應(yīng)用

在使用的過(guò)程中，要現(xiàn)用模糊控制軟件進(jìn)行初始溫差的收集，也就是環(huán)境溫度和水溫設(shè)定值兩者之間的差值，對(duì)水溫變化的速率進(jìn)行計(jì)算，預(yù)定用水時(shí)間應(yīng)人為的進(jìn)行設(shè)置并輸入，傳感器進(jìn)行模糊化的數(shù)據(jù)收集，其相對(duì)應(yīng)的模糊量轉(zhuǎn)化為DA/DC，在設(shè)定的時(shí)間到達(dá)時(shí)馬上預(yù)定開(kāi)機(jī)設(shè)計(jì)，作為一個(gè)定量的輸出量DT[7]。當(dāng)熱水器運(yùn)行的過(guò)程中，能夠進(jìn)行合理化的調(diào)控這個(gè)輸出量和輸入量，可以分為大、中、小三級(jí)，再對(duì)具體的時(shí)間和溫度范圍通過(guò)量化控制模型進(jìn)行靈活的控制，根據(jù)邏輯列表、經(jīng)驗(yàn)排布規(guī)則，在微控制器中進(jìn)行輸入，當(dāng)輸入量進(jìn)入后，提前計(jì)算出時(shí)間輸出，計(jì)時(shí)器就能夠到時(shí)連通電路，將熱水燒好，更加便捷的為業(yè)主服務(wù)。

3.? 結(jié)論

研究模糊控制技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用，能夠提升家用電器的控制水平，有利于提高模糊控制理論研究的科學(xué)化程度。模糊控制技術(shù)的理論正日趨成熟，模糊控制技術(shù)的應(yīng)用也在迅速發(fā)展，模糊控制技術(shù)能夠極大地提升家用電器的自動(dòng)化水平和智能化水平。

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