1、1智能控制在家电产品中的应用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
2、地满足人的需要，这就是模糊控制家电产品的魅力。2 模糊控制电饭锅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。31吸水过程(t0t1)p 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
3、水的速度就越快p 但是，水温一旦超过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。米饭的烹饪过程米饭的烹饪过程 理想的烹任米饭过程分为几个阶段42升温煮饭过程(tlt2)p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。p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。米饭的烹饪过程米饭的烹饪过程 53维持沸腾阶段(t2t3)p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
4、的淀粉转化为淀粉。在此阶段中，加热功率可以适当减少，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。米饭的烹饪过程米饭的烹饪过程 64补炊过程(t3t4)p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。米饭的烹饪过程米饭的烹饪过程 5焖饭过程(t4t5)p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
5、使米粒的全部淀粉化。6保温过程(t5之后)p在焖饭结束后，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模糊控制技术的应用 1普通自动电饭锅的不足 p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。p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
6、来完成饭量的确定问题。8模糊控制技术的应用模糊控制技术的应用 2模糊控制电饭锅的基本思想 p(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。p(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
7、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做为输入变量，根据这三个信息来综合推算饭量Q。锅锅顶顶传传感感器器锅锅底底传传感感器器模模糊糊推推理理室温室温Tr初期水温初期水温T0温度变化温度变化Td饭量饭量Q9模糊控制技术的应用模糊控制技术的应用 p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。p初期水温和温度变化的隶属度函数分别定义 p饭量的隶属度函数定义 10模糊控制技术的应用模糊控制技术的应用 p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 p推论的结
8、果是根据下式求均值p(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：)(,minijijixfiiiQQ)(温度差(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模糊控制技术的应用p(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
9、，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。p3 模糊控制的实施过程12模糊控制技术的应用模糊控制技术的应用p(2)词集、论域、隶属函数的确定 把温度差的论域量化为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
10、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模糊控制技术的应用p(3)模糊控制规则的建立 通过对人们控制经验的总结，得到了有关的温度控制规则表:p(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
11、控制响应表 16模糊控制技术的应用模糊控制技术的应用p(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模糊电饭锅的硬件电路 18 软件系统设计软件系统设计 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
12、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。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
13、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
14、大小。21洗净度传感器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：wkeII101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 wkeII212k2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：wkkeII)(121222洗净度传感器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V
15、1、V2，其比为：wkkeVV)(1212两边取对数，则变为：wkkVV)()ln(1212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
16、过度越高。24布量、布质传感器布量、布质传感器布量、布质传感器的检测电路及机理 首先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
17、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)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
18、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，T1T6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，以决定最佳水流和最佳洗涤时间的模糊全自动洗衣机系
19、统。把表示布量和布质的电机反电压的脉冲衰减时间及时间差作为模糊控制的输入，而把水流强度和洗涤时间作为模糊控制的输出，根据模糊推理决定控制指令。30基于布量、布质的模糊控制基于布量、布质的模糊控制模糊控制系统输入、输出模糊变量的隶属函数这样的模糊全自动洗衣机，能够根据布量和布质的输入信息，选择最佳水流、最佳洗涤时间、洗涮时间、脱水(甩干)时间，实现全自动洗衣的目的。31模糊全自动洗衣机的特点模糊全自动洗衣机的特点由于应用了模糊理论，能够表示洗涤物的污浊程度和洗涤时间的复杂关系，因此可以根据不同的污浊程度进行细致的洗涤。在给水之前由布量传感器检测出洗涤物的量，由此设定最佳水位，进而进一步检测出布质
20、，根据模糊推理可以合理地确定最佳洗涤水流和洗涤时间。粉末洗涤剂和液体洗涤剂对透过度的影响，可以由输入变量的定标因数修正进行处理。根据水质不同，尤其是硬水可以考虑在洗净度传感器的排水管内壁附着金属肥皂膜，可以有效地修正定标因数。此外，除采用电气方面修正外，每次洗涤结束后用清水冲刷洗净度传感机构是必要的。模糊全自动洗衣机不仅在计算机程序中采用模糊推理，而且也将智能传感器，电子的和机械的关键技术融于其中。因此，它能像人似的做最合适的洗涤，不会因过量洗涤损伤衣物并能节省时间和节约电能。32模糊控制吸尘器模糊控制吸尘器24.2.1模糊吸尘器设计的基本要求24.2.2灰尘传感器24.2.3模糊控制吸尘器(
21、1)任何人都能简单方便地使用，且都能达到很好的吸尘效果。(2)对于不同地板面都能实现通畅、舒适地操作(3)能获得相当满意的吸尘效果。(4)低噪声，即使夜间也可使用。为了实现上述要求，有必要根据灰尘量和地板面材质不同自动控制吸力。为此，在吸管内设置光电传感器用以检测灰尘量，其光电信号送入灰尘传感器，再对灰尘传感器输出信号进行模糊推理，决定相应的吸力。33灰尘传感器灰尘传感器模糊吸尘器的微处理机，控制回路和操纵部分都集中设置在手把操作部。灰尘传感器安装在手把操作部的导管内，把发光二极管(红外线型)和三极管相对设置，并使红外线成束状发射。当灰尘通过时，因红外线被遮蔽，到达三极管的红外线的量发生了变化
22、。取出变化部分放大后，经过波形整形变为脉冲。通过计量脉冲数目来判定灰尘量的多少。将0.1秒间脉冲数的积累值作为灰尘量。34灰尘传感器灰尘传感器灰尘传感器的表面一有污垢，红外线的透过率变小，于是检测红外线微分的变化可以克服污垢产生的影响。传感器检测出灰尘量的变化随着扫除的进行，灰尘量下降，但随着地板面材料不同下降速度不同。木地板和榻榻咪容易去掉灰尘，而地毯的灰尘难以去掉，因此下降速度慢。这样一来，根据去掉灰尘的变化量就可知道地面的材质。35模糊控制吸尘器模糊控制吸尘器模糊吸尘器的控制系统框图模糊控制吸尘器的目的是根据灰尘量的多少及地板面材质不同，进行模糊推理，确定最佳的吸力。当吸尘的时候，吸力过
23、强吸嘴就会吸住了地面，操作性能变坏。相反，吸力过弱会产生吸不净灰尘的情况。因此，对应地板面的灰尘量和地板状况存在着一个最佳吸力。所以为了权衡吸力和操作性的最佳关系，以实现操作方便、性能优异的吸尘器，采用模糊推理决定吸力是适宜的。36 模糊控制吸尘器模糊控制吸尘器模糊推理的结构：全部控制规则，其中P1P15表示吸力从被检测出的单位时间灰尘累积值(灰尘量)和地板面的状态(地板材质)决定当时的吸力。37模糊控制吸尘器模糊控制吸尘器模糊变量的隶属函数曲线：本系统采用的模糊推理方法是用后件实数型的简化模糊推理，这样可使推理运算简单，存储容量小，参数容易调整。模糊控制规则的建立和参数的调整，是在一般家庭监控的数据和开发者扫除技术的条件下完成的。38模糊控制吸尘器模糊控制吸尘器模糊吸尘器的模糊推理的输入输出关系：因为对应于灰尘量和地面材料采用模糊推理确定最佳吸力，所以不会发生吸力过强吸管吸住地板难以操作和吸力不足漏掉灰尘。
