趙巧妮

(湖南鐵道職業(yè)技術學院， 株洲 412001)

基于模糊控制的機車雨刮控制器的設計

趙巧妮

(湖南鐵道職業(yè)技術學院， 株洲 412001)

機車雨刮器是機車運行的眼鏡布，起著擦拭前窗玻璃上的雨水的作用，給駕駛員一個干凈明亮的視野，保證機車的行車安全。機車雨刮器的控制部分目前均由人工控制，由人來決定雨刮臂運行的速度和時間，這在一定程度上分散了駕駛員的注意力，增加了機車司機的工作強度。在機車智能化、人性化發(fā)展的趨勢下，研究一種基于模糊控制的機車雨刮控制器，確定了模糊控制的輸出、輸入變量，依據(jù)設計的要求設定了模糊控制規(guī)則，并進行了系統(tǒng)的仿真，仿真結果表明它能自動依據(jù)檢測到的雨水量、自動控制雨刮，電機工作在不同的掛刷轉速和周期，符合設計要求。

人工； 模糊控制； 自動檢測； 仿真

0 引言

自從1926年德國的博世公司發(fā)明第一個雨刮器以來，雨刮器在機車運行史上起著舉足輕重的作用。它是機車運行的眼鏡布，起著擦拭前窗玻璃上的雨水的作用，給駕駛員一個干凈明亮的視野，保證機車的行車安全。機車雨刮器的控制部分目前均由人工控制，由人來決定雨刮臂運行的速度和時間，這在一定程度上分散了駕駛員的注意力，增加了機車司機的工作強度，在機車智能化、人性化發(fā)展的趨勢下，本論文研究一種基于模糊控制的機車雨刮控制器，它能自動的檢測前窗玻璃上的雨水量，依據(jù)檢測到的雨水量自動控制電機工作在不同的轉速，控制雨刮臂以合適的速度和時間刮刷[1-2]。

1 模糊控制概述

模糊控制屬于智能控制的范疇。它是以模糊集合理論、模糊語言以及模糊邏輯為基礎的控制，屬于非線性的智能控制。

它的主要特點是利用人的經(jīng)驗知識來對控制對象進行控制的方法，它不僅需要系統(tǒng)的理論，還需要許多實際的應用知識。所以它一般應用在無法用嚴謹?shù)臄?shù)學控制模型，但是可以利用即可利用人(熟練專家)的經(jīng)驗和知識來很好地控制。故模糊控制即是將人的智力和數(shù)學控制系統(tǒng)很好結合的控制方法[3-4]。

模糊控制的基本原理，如圖1所示。

圖1 模糊控制框圖

首先是精確的輸入信號被模糊化，根據(jù)各種分類被安排成不同的隸屬度，在依據(jù)已有的知識庫和經(jīng)驗庫利用設定的模糊推理規(guī)則來確定模糊輸出；再通過一定算法將模糊輸出量轉換成精確量輸出，得到被處理器識別的數(shù)字信號，以此來控制負載工作[5]。

2 雨刮模糊控制器框圖

本論文的模糊雨刮控制器框圖，如圖2所示[6-7]。

圖2 雨刮模糊控制器框圖

雨刮模糊控制器是指通過雨滴傳感器來檢測雨量的大小，以此來達到自動控制電機雨刮臂的運轉速度、刮刷時間等目標。由于雨量傳感器的對信號的檢測會受環(huán)境的影響，是非線性的，難用一個確定的數(shù)學模型來定論，故可利用人們的經(jīng)驗，利用模糊控制理論，結合實際情況，確定模糊推理規(guī)則，對雨量傳感器的輸入信號進行分析，將輸入信號(量)模糊化，依據(jù)人們的經(jīng)驗推理得到模糊量的輸出，在將模糊輸出清晰化即可控制電機的運行，啟動雨刮臂做不同速度的刮擦運轉，構成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。

3 雨刮模糊控制器電路框圖

雨刮模糊控制器采用間接方式測量雨滴信號，該傳感器裝在機車前窗玻璃內部，通過測量反射回來的紅外線的多少來判斷雨滴信號的多少。反射回來的紅外信號越多，表示雨量越少；反之，反射回來的雨量信號越少，表示雨量越多。

紅外雨滴傳感器檢測雨滴信號過程，如圖3所示。

圖3 雨刮模糊控制器框圖

紅外雨滴傳感器檢測到紅外信號后，經(jīng)過信號調理電路，將紅外信號轉換為相應的電壓信號，此時的電壓信號很微小，需要經(jīng)過放大電路放大至合適的幅值，經(jīng)過A/D轉換電路轉換為處理器識別的數(shù)字信號，送入控制器處理，判別檢測的雨滴量的多少，再經(jīng)過D/A轉換，轉換為模擬信號，控制電機以合適的速度旋轉，控制雨刮臂工作在合適的速度和刮刷時間。

4 雨刮模糊控制器推理過程

紅外雨滴模糊控制系統(tǒng)的主要包含了5個部分，即:定義變量、模糊化、知識庫、邏輯判斷及反模糊化，模糊控制器的設計主要分為6步：

1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。

2)確定輸入變量和輸出變量的模糊子集和論域及其隸屬度。

3)設計模糊控制器的模糊控制規(guī)則。

4)模糊化和去模糊化。

4.1 輸入、輸出變量的確定

通過檢測空中雨滴下落的頻率f和雨滴形狀的大小S，可判別雨量的大小，進而控制機車雨刮臂電機的旋轉速度和刮刷周期時間，控制機車雨刮臂依據(jù)實際雨量大小來做低速(間歇)、低速、中速和高速的刮刷運動，保證雨天機車前窗玻璃的清晰程度，如表1所示。

表1 雨滴大小和下雨頻率對雨刮動作的影響

由于雨滴大小和雨滴下落的頻率不方便測量，測量這兩個量有一定的難度，故在實際檢測雨量大小過程中不直接檢測它們的數(shù)值，轉而檢測雨滴下落在機車前窗玻璃上所占有的面積的百分比來進行分析，這樣簡化了設計模型，但是達到了同樣的控制效果，是切實可行的。

以下雨時機車前窗玻璃面板上雨滴量的多少為輸入變量，機車面板上雨量檢測如圖4所示。

圖4 雨滴檢測圖示

在檢測區(qū)域中，雨量所占檢測區(qū)域的面積越大，表示雨量越大，雨刮臂掛刷速度就要越快，間隔時間就要越短。在這里將雨量所占檢測區(qū)域的面積與檢測區(qū)域的面積比Q來表征雨量的大小，即面積比Q越大，則下落的雨量就越多；面積比Q越小，則下落的雨量就越小。

取Q為雨刮模糊控制器的輸入變量，則Q的取值為[0,100]。當Q取值為0或者接近(略大于)0時，表示無雨或者雨量較?。划擰取值為100或者接近(略小于)100時。輸入量Q取不同值時，代表雨量的大小不同，此時紅外雨滴傳感器將檢測到的雨量的大小轉換為相應的紅外信號。可知無雨時，即Q為0時，紅外雨滴傳感器的將檢測的雨量信號轉換為紅外信號為最大；可知暴雨時，即Q為100時，紅外雨滴傳感器的將檢測的雨量信號轉換為紅外信號為最小，故雨量的大小與為紅外信號的大小成反比，對應的輸出量為雨刮臂的掛刷速V和時間周期T，如表2所示。

表2 雨刮刷掛刷速度與周期

由表2可知雨刮臂的掛刷分為低速(間歇)、低速、中速和高速4個檔位，雨掛刷速v取值分別為{45,30,15,5}，雨刮周期T分別取值為{1.33,2,4,12}。因此，有1個輸入變量Q，2個輸出變量V和T。

4.2 變量模糊化

為了簡化推理和驗算，隸屬函數(shù)選擇最簡單的三角隸屬度函數(shù)。

輸入量Q分為四級，分別是毛毛雨(NM)、小雨(NS)、中雨(PS)和大雨(PM)。

輸出量V和T也分為4級，分別是高速(PM)、中速(PS)、低速(NS)和低速(間歇)(NM)。

4.3 設定模糊控制規(guī)則

紅外雨刮模糊器系統(tǒng)的主要規(guī)則是控制的大致規(guī)則是當 雨量大，則雨刮臂的掛刷時間周期短，掛刷速度快；當雨量小，則雨刮臂的掛刷時間周期長，掛刷速度慢。依據(jù)設定的各個變量的等級，模糊規(guī)則表，如表3所示。

表3 模糊控制規(guī)則表

4.4 去模糊化

主要反模糊化判決方法有：最大隸屬度法，重心法和加權平均法。加權平均法由于其直觀合理、計算簡便，在模糊控制器中應用較多。因此就在這里采用加權平均法得到輸入與輸出的仿真結果，如圖5所示。

(a)v與s觀測圖

(b)t與s觀測圖

由圖5可知隨著雨量的增加，雨刮控制器電機的轉速逐漸增大，周期變小，即雨刮臂的掛刷速度隨著雨量的增大而增加，符合設計的初始要求。

5 總結

通過上文的仿真分析，可知基于模糊控制的機車雨刮控制器解決了機車雨刮自動控制功能。使機車雨量的控制和識別系統(tǒng)具有一定的魯棒性，能有效的減小機車司機的工作負荷，對于機車控制設備的自動化發(fā)展、控制方式的人性化和實用性具有一定的借鑒意義。

[1] 寧慧慧.基于紅外光電傳感器的智能車兩輪差速轉向模糊[J]. 工業(yè)控制計算機，2010(1)：94-95.

[2] 趙巖. 基于模糊PID控制器的汽車雨刮系統(tǒng)的研究[J]. 制造業(yè)自動化，2010(2)：179-180.

[3] 趙巖. 基于模糊控制的汽車智能雨刮系統(tǒng)的研究[D]. 2007.3.，2013(4):34-36.

[4] 魏靜韜. 基于模糊控制的溫度傳感器動態(tài)性能的改進[J]. 石油化工自動化，2005(1):61-62.

[5] 鄧琛. 基于模糊控制的無線傳感器網(wǎng)絡室內定位算法[J]. 計算機應用，2011(8):2062-2064.

[6] 李洪中. 基于模糊控制的智能交通燈系統(tǒng)的研究與設計[D]. 蘭州：蘭州交通大學，2013.6.

[7] 賴強盛. 汽車空調模糊控制[J]. 客車技術與研究，2004(4)：16-17.

Design of Locomotive Wiper Controller Based on Fuzzy Control

Zhao Qiaoni

(Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001, China)

Locomotive wiper is glass cloth of locomotive, which wipes the rain on the windshield， and gives driver a clean and bright vision to ensure traffic safety. Locomotive wiper is controlled by a person who determines the speed and time to run the wiper. Manual control can distract locomotive driver's attention and increase the intensity of the work. The trend of locomotive is intelligent. So we study a locomotive wiper controller based on fuzzy control. The output and the input variables of fuzzy control are determined. Fuzzy control rules are set according to the design requirements and the system is simulated, The simulation results show that wiper motor automatically operats at different speeds and hanging brush cycles based on detected rain amount. and the simulation shows the design meets the requirements.

Artificial； Fuzzy control； Automatic detection； Simulation

湖南省教育廳課題(14C0754)

趙巧妮(1982-)，女，湖南鐵道職業(yè)技術學院，講師，碩士，研究方向：電子技術，傳感器技術

1007-757X(2017)03-0018-03

TP319

B

2016.06.22)