譚 藝，陳 歡

（1.上海建峰職業(yè)技術(shù)學(xué)院，上海201900；2,同濟(jì)大學(xué)，上海200092）

目前，家用洗衣機(jī)的洗滌粉的用量多少，仍依靠人工辦法進(jìn)行控制，其結(jié)果很難使洗衣機(jī)的洗滌效果達(dá)到最佳狀態(tài)。如何設(shè)計(jì)一種能隨洗滌量、洗滌強(qiáng)度和水的硬度不同，而能自動(dòng)調(diào)節(jié)洗滌粉用量的加料裝置，這對(duì)改善洗衣機(jī)的工作性能、提高洗滌效果具有非常重要的實(shí)際意義。

基于以上的目標(biāo)，筆者提出了一種隨洗滌量、洗滌強(qiáng)度和水的硬度不同而能自動(dòng)調(diào)節(jié)洗滌粉用量的加料機(jī)構(gòu)。使用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由光電傳感器反饋位置信號(hào)形成閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)。采用8位微控制器，采用模糊控制策略。并將其用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。最后設(shè)計(jì)制作了一個(gè)位置控制系統(tǒng)的演示機(jī)構(gòu)，以此調(diào)試控制算法。

1 目標(biāo)的描述

控制系統(tǒng)可根據(jù)用戶在控制面板上設(shè)定的三個(gè)參數(shù)：洗滌量、臟的程度和水的硬度，通過(guò)控制算法得出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出滿足需要的洗滌粉量。

2 方案的描述

2.1 出料機(jī)構(gòu)

首先為實(shí)現(xiàn)洗滌粉的定量輸出，設(shè)計(jì)如圖1的機(jī)械機(jī)構(gòu)。

圖1 出料機(jī)構(gòu)剖面圖

此機(jī)構(gòu)的軸在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，旋轉(zhuǎn)一定的角度，軸旋轉(zhuǎn)一周輸出若干單元格的洗滌粉。每個(gè)單元格的體積（洗滌粉的體積）是由單元格的長(zhǎng)度、半徑以及一周內(nèi)單元格的數(shù)量確定的。在確定了這3個(gè)尺寸參數(shù)后，每單元格輸出的洗滌粉量也就確定了。這樣輸出定量洗滌粉的任務(wù)，通過(guò)這個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。為便于制作和控制，我們選擇了4個(gè)單元格形式。

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是這個(gè)控制系統(tǒng)的基本組成部分，也是關(guān)鍵的內(nèi)容，其為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制策略提供動(dòng)力。在現(xiàn)實(shí)中機(jī)械的驅(qū)動(dòng)，主要有電氣、液壓和氣壓3種方式。由于我們的整個(gè)機(jī)構(gòu)是個(gè)小型化的設(shè)備，所以直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式更合適。步進(jìn)電機(jī)也是一種選擇，但考慮到本機(jī)構(gòu)是一個(gè)精度要求比較高的角位置控制系統(tǒng)，所以需要采用反饋控制的方式。在這種狀況下，由于直流電機(jī)較步進(jìn)電機(jī)更易控制，所以決定采用直流電機(jī)。通過(guò)對(duì)負(fù)載的估算、驅(qū)動(dòng)對(duì)象運(yùn)動(dòng)規(guī)律的確定、傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算等，確定直流電機(jī)的功率。最后選型電機(jī)采用KYSAN公司的ZGA20RS79i型直流減速電動(dòng)機(jī)。其額定電壓為直流12V，輸出最高轉(zhuǎn)速為80 r/min，轉(zhuǎn)矩為12 N·m。

使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。MPC17510是Freescale公司的一款集成H橋控制電路的芯片。

2.3 反饋機(jī)構(gòu)

軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位置信號(hào)，需要通過(guò)傳感器反饋，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器采用SUNX的光電傳感器。其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 反饋機(jī)構(gòu)原理圖

為了更適宜整個(gè)方案的機(jī)械出料結(jié)構(gòu)，我們自制一個(gè)面盤。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其形狀為一圓盤，在相對(duì)的90°位置都有一通孔，用于透光。光電盤安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上。這4個(gè)通孔的位置，也正對(duì)應(yīng)了出料機(jī)構(gòu)的每90°的一個(gè)出料位置。

在控制方面，只要用微控制器捕捉傳感器信號(hào)的上升沿或下降沿，并進(jìn)行軟件計(jì)數(shù)，就得到了主軸的轉(zhuǎn)角位置信號(hào)。

2.4 人機(jī)交互面板及操作過(guò)程設(shè)計(jì)

用戶在操作面板上輸入控制器用于控制量計(jì)算的3個(gè)參數(shù)：洗滌量、臟的程度和水的硬度。

信號(hào)輸入使用通過(guò)電位器分壓得到的電壓信號(hào)，作為模擬量輸入。由于有3個(gè)參考參數(shù)，所以有3路電壓信號(hào)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換模塊得到數(shù)字量，由主控制器根據(jù)控制算法得到控制電機(jī)的控制量。為便于說(shuō)明操作面板的操作形式，用VB程序設(shè)計(jì)一個(gè)模擬界面如圖3所示。

圖3 操作界面

在圖3中的操作面板上，共有3個(gè)條形的電位器調(diào)節(jié)裝置（當(dāng)然也可以是旋鈕狀的調(diào)節(jié)電位器），分別是選擇參數(shù)大小的3個(gè)電位器：

Wasserha咬rte——水硬度；

Waschenstrenge——臟的程度；

WaschenMenge——洗滌量，

以及執(zhí)行鍵starten和狀態(tài)顯示LED燈。

在此操作面板模式下，用戶的操作方法是：

（1）通過(guò)電位器“水硬度”設(shè)定水的硬度；

（2）通過(guò)電位器“洗滌強(qiáng)度”設(shè)定被洗物臟的程度；

（3）通過(guò)電位器“洗滌量”設(shè)定量的多少；

（4）設(shè)定完3個(gè)參數(shù)后按“執(zhí)行”鍵。

在這4步后，執(zhí)行指示燈亮，機(jī)構(gòu)開始工作；工作完成后執(zhí)行指示燈暗，結(jié)束。

2.5 控制器

對(duì)于此反饋控制系統(tǒng)而言，需要有3路AD采樣通道、PWM輸出模塊和鍵盤中斷模塊。選用Freescale公司的08系列微控制器GZ16。其嵌入式軟件的開發(fā)基于Metrowerk公司的Codewarrior軟件。

此閉環(huán)位置控制系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)框圖

3 模糊控制策略及其C語(yǔ)言化

模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎(chǔ)上的一種基于語(yǔ)言規(guī)則與模糊推理的控制理論，是智能控制的一個(gè)重要分支。其區(qū)別于常規(guī)控制策略的是，無(wú)需建立精確的數(shù)學(xué)模型。

機(jī)構(gòu)采用模糊控制規(guī)則，并用C語(yǔ)言將其實(shí)現(xiàn)，以使其能植入微控制器中。

3.1 建立精確輸入成員

模糊成員集為具有true/false值的變量。一個(gè)模糊成員的值域從絕對(duì)true（255）到絕對(duì)false（0）。 對(duì)于這個(gè)模糊控制器，定義以下精確輸入成員：

（1）水硬度。weich(軟)；normal（正常）；hart（硬）。

（2）臟的程度。ss(很臟)；sc(臟)；ws(不太臟)。

（3）洗滌量。sviel(很多)；viel（多）；wenig（少）。

由于在8位的單片機(jī)GZ16的AD轉(zhuǎn)換模塊中，可設(shè)置AD轉(zhuǎn)換的精度為8位或10位。取8位精度。也就是輸入模擬量值在AD轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字量（0～255）。也就是說(shuō)3參數(shù)輸入后的精確值是數(shù)字量0～255。

模糊成員集的圖形化定義如圖5～圖7。

圖5 水硬度的圖形化定義

圖6 臟程度的圖形化定義

圖7 量的多少的圖形化定義

在此定義了3個(gè)可調(diào)的閥值：WH、SS、ME。它們?cè)谲浖袨槌Ａ?，用于?duì)控制系統(tǒng)的微調(diào)。在C語(yǔ)言程序中，定義一個(gè)模糊函數(shù)以便接收精確輸入并計(jì)算各個(gè)模糊成員的值。3個(gè)可調(diào)閥值作為軟件中影響控制器誤差和響應(yīng)時(shí)間的常量。

以下就是此功能函數(shù)：

Die folgende Funktion;

#define WH 64

unsigned char weich,normal,hart;

#define SS 64

unsigned char ws,sc,ss;

#define ME 64

unsigned wenig,viel,sviel;

void InputMembership(void){

if(wasser_harte<=WH){ //wasser_harte ist AD daten

weich=255;normal=0;hart=0;

}else if(wasser_harte<=127){

weich=255*(wasser_harte-127)/(WH-127);

normal=255*(wasser_harte-WH)/(127-WH);

hart=0;

}else if(wasser_harte<=255-WH){

weich=0;

normal=255*(wasser-harte-255+WH)/(WH-128);

hart=255*(wasser-harte-127)/(128-WH);

}else{weich=0;normal=0;hart=255;}

if(waschen_strenge<=SS){ //waschen_strenge ist AD daten

ws=255;sc=0;ss=0;

}else if(waschen_strenge<=127){

ws=255*(waschen_strenge-127)/(SS-127);

sc=255*(waschen_strenge-SS)/(127-SS);

ss=0;

}else if(waschen_strenge<=255-SS){

ws=0;

sc=255*(waschen_strenge-255+SS)/(SS-128);

ss=255*(waschen_strenge-127)/(128-SS);

}else{ws=0;sc=0;ss=255;}

if(menge<=ME){ //menge ist AD daten

wenig=255;viel=0;sviel=0;

}else if(menge<=127){

wenig=255*(menge-127)/(ME-127);

viel=255*(menge-SS)/(127-ME);

sviel=0;

}else if(menge<=255-ME){

wenig=0;

viel=255*(menge-255+ME)/(ME-128);

sviel=255*(menge-127)/(128-ME);

}else(wenig=0;viel=0;sviel=255;}

}

3.2 建立精確輸出成員

模糊控制器中，輸出量為洗衣粉的總質(zhì)量。但實(shí)質(zhì)上該出料機(jī)構(gòu)把洗衣粉凈質(zhì)量的輸出轉(zhuǎn)換為主軸旋轉(zhuǎn)角度的輸出，而且是90°的整數(shù)倍。

然而出于對(duì)模糊概念上的直觀考慮，定義以下精確輸出成員為洗衣粉的凈質(zhì)量，但其值為主軸轉(zhuǎn)角。

M1(Menge1)、M2、M3、M4、M5；

在此設(shè)置另一個(gè)軟件常量MG(#define MG XXX)，其模糊含義為洗衣粉的凈質(zhì)量，實(shí)際值是主軸轉(zhuǎn)角（見表1）。

表1 各精確輸出成員的關(guān)系表

3.3 定義模糊規(guī)則

定義輸入模糊成員集和輸出模糊成員集的關(guān)系。這些規(guī)則得以直觀地建立控制器。

模糊邏輯規(guī)則包含27條，比如：

Ifweich and ws and wenig then M1;

如果水硬度為軟，洗滌物不很臟并且洗滌量為少，則需要洗衣粉量為M1(MG）;

……

Ifhart and sc and viel then M4;

如果水硬度為硬，洗滌物很臟并且洗滌量為多，則需要洗衣粉量為M4(4MG);

……

此27條規(guī)則，可用三張二維表格清楚地表達(dá)如表2。

表2 27條規(guī)則的二維表

將規(guī)則綜合起來(lái)表示：

M1=(weich and ws and wenig)or(weich and sc and wenig)or(weich and ws and viel)

M2=(weich and ss and wenig)or(weich and sc and viel)or(weich and ws and sviel)or(normal and ws and wenig)or(normal and sc and wenig)or(normal and ws and viel)

M3=(weich and sc and sviel)or(weich and ss and viel)or(weich and ss and sviel)or(normal and ws and sviel)or(normal and sc and viel)or(normal and ss and wenig)or(hart and ws and wenig)or(hart and ws and viel)or(hart and sc and wenig)

M4=(normal and sc and sviel)or(normal and ss and viel)or(normal and ss and sviel)or(hart and ws and sviel)or(hart and sc and viel)or(hart and ss and wenig)

M5=(hart and sc and viel)or(hart and ss and viel)or(hart and ss and sviel)

對(duì)于以上模糊邏輯，and運(yùn)算取最小值，or運(yùn)算取最大值。由此，計(jì)算5個(gè)輸出模糊成員得C函數(shù)如下所示：void OutputMenbership(void){

unsigned char temp1,temp2,temp3,temp4,temp5,temp6;

unsigned char temp7,temp8,temp9;

temp1=min (weich,ws,wenig);temp2=min (weich,sc,wenig);temp3=min(weich,ws,viel);

M1=max(temp1,temp2,temp3);

temp1=min (weich,ss,wenig); temp2=min (weich,sc,viel);temp3=min(weich,ws,sviel);

temp4=min (normal,ws,wenig);temp5=min(normal,sc,wenig);temp6=min(normal,ws,sviel);

M2=max(max(temp1,temp2,temp3),max(temp4,temp5,temp6),0);

temp1=min(weich,sc,sviel);temp2=min(weich,ss,viel);temp3=min(weich,ss,sviel);temp4=min (normal,ws,sviel);temp5=min (normal,sc,wenig);temp6=min (normal,ss,wenig); temp7=min (hart,ws,wenig);temp8=min(hart,ws,viel);temp9=min(hart,sc,wenig);

M3=max(max(temp1,temp2,temp3),max(temp4,temp5,temp6),max(temp7,temp8,temp9));

temp1=min (normal,sc,sviel); temp2=min (normal,ss,viel);temp3=min(normal,ss,sviel);

temp4=min(hart,ws,sviel);temp5=min(hart,sc,viel);temp6=min(hart,ss,sviel);

M4=max(max(temp1,temp2,temp3),max(temp4,temp5,temp6),0);

temp1=min(hart,sc,sviel);temp2=min(hart,ss,viel);temp3=min(hart,ss,sviel);

M5=max(temp1,temp2,temp3);

}

其中，

min()是用于取最小值的子函數(shù)；

max()是用于取最大值的子函數(shù)。

3.4 去模糊化

使用模糊成員集得加權(quán)平均值，計(jì)算精確輸出。

輸出量為

以上是該機(jī)構(gòu)模糊控制算法的C語(yǔ)言描述。若需要植入微控制器中，還需添加主循環(huán)程序和三個(gè)參數(shù)的AD采樣程序。

4 程序流程簡(jiǎn)介

以上給出了模糊控制的C語(yǔ)言描述，這里給出在Codewarrior平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制的程序流程。

對(duì)于這個(gè)控制系統(tǒng)，所需要的硬件層的控制有：電動(dòng)機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)設(shè)置，執(zhí)行鍵的鍵盤中斷驅(qū)動(dòng)設(shè)置，3個(gè)通道的AD轉(zhuǎn)化的設(shè)置。這些內(nèi)容都在GZ16的初始化程序中完成。程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程圖

控制器在上電之后，首先進(jìn)行初始化，其內(nèi)容前面已介紹過(guò)。初始化完成后，進(jìn)入for(;;)循環(huán)。在沒(méi)有執(zhí)行指令按鍵輸入的情況下，控制器進(jìn)入省電STOP模式。當(dāng)有按鍵輸入操作時(shí)，鍵盤中斷使控制器出STOP模式進(jìn)入正常模式。控制器的模式狀態(tài)由變量work_flag標(biāo)識(shí)。

在用戶選擇完3個(gè)參數(shù)的值后，便按下執(zhí)行鍵。控制器就根據(jù)設(shè)計(jì)的控制算法和用戶輸入的參數(shù)值，計(jì)算出一個(gè)控制量。在此，控制量為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，其值是90°的倍數(shù)。

控制器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，光電傳感器在以計(jì)數(shù)的方式記錄主軸轉(zhuǎn)過(guò)的角度。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到控制量時(shí)，控制器關(guān)閉電動(dòng)機(jī)。

一個(gè)工作周期之后，控制器再次進(jìn)入STOP模式。等待下一次操作的執(zhí)行按鍵輸入。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)位置控制系統(tǒng)的演示機(jī)構(gòu)（如圖9），不是為了完全實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，而是通過(guò)這個(gè)演示機(jī)構(gòu)，不僅能證明方案的可行性，更重要的是可以在此機(jī)構(gòu)上嘗試調(diào)試控制算法。并能進(jìn)行分析，找出不足加以改進(jìn)。

圖9 演示機(jī)構(gòu)

實(shí)際情況證明，控制算法是符合邏輯要求的，但控制效果無(wú)法在此機(jī)構(gòu)上得到說(shuō)明。

[1]Jonathan W.Valvano．嵌入式微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)時(shí)接口技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

[2]韓峻峰，李玉惠，等．模糊控制技術(shù)[M]．上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2000．

[3]謝宋和，甘 勇，等．單片機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，1999．