??? 摘? 要: 闡述了洗衣機(jī)洗滌度及與之關(guān)聯(lián)密切的衣服臟污程度和性質(zhì)等參數(shù)的模糊識別方法。采用長期學(xué)習(xí)和短期學(xué)習(xí)、有教師學(xué)習(xí)和無教師學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了對洗衣機(jī)洗凈度等參數(shù)比例因子在模糊化過程中的自適應(yīng)修正，以提高洗衣機(jī)的模糊控制品質(zhì)。

　　關(guān)鍵詞: 模糊控制? 模糊化? 比例因子? 學(xué)習(xí)方法

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　　美國加利福利亞大學(xué)控制論專家扎德(L.A.zcdoh)于1965年提出的模糊數(shù)學(xué)至今已廣泛地滲透到自然科學(xué)與社會科學(xué)的各個領(lǐng)域。由于它在多變量非線性系統(tǒng)中具有良好快捷的判斷能力，因此在精度要求不太高的工程控制系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。洗衣機(jī)則是其應(yīng)用領(lǐng)域之一。

　　真正意義上的全自動洗衣機(jī)應(yīng)能自動識別衣質(zhì)、衣量、衣服臟污程度和性質(zhì)(泥污為主，還是油污為主等)。據(jù)此自動決定進(jìn)水量、洗滌和漂洗方式、冼 滌時間以及自動投入適量和適型的洗滌劑。而洗滌和漂洗方式、洗滌時間、洗滌劑數(shù)量和劑型與衣量、衣質(zhì)、衣服臟污程度、性質(zhì)、水溫有關(guān)；水溫又與衣質(zhì)臟污性質(zhì)有關(guān)，所以完備的洗衣機(jī)模糊控制器中的模糊推理機(jī)的輸入量和輸出量的信息流圖如圖1所示。眾所周知，模糊控制器通常由模糊化、模糊控制邏輯推理庫、解模糊等模塊組成。但無論其控制模式如何變化，其最終目的是確保衣服的洗滌干凈，因此洗凈度的檢測是任何真正意義上的全自動洗衣機(jī)所必需的，因受篇幅所限，本文僅闡述洗凈度及與之關(guān)聯(lián)較密切的衣服臟污程度和性質(zhì)等參數(shù)的模糊識別方法的實(shí)現(xiàn)。

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1 洗凈度的檢測

　　在洗衣機(jī)出水管放水閥前安裝一對發(fā)光元件和光敏器件的裝置，檢測出水透明度以實(shí)現(xiàn)模糊判斷衣服臟污程度和性質(zhì)及漂洗干凈度。其檢測裝置示意圖如圖2所示。

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　　顯然，V₀越大則出水的水質(zhì)透明度越高，因此利用V₀的大小及其變化率即可模糊判斷衣服骯臟性質(zhì)和程度及漂洗干凈度。其檢測過程和原理簡述如下:

　　(1)向洗衣桶灌水測V0，此時V0為最大值V_0max，并以此值為基準(zhǔn)V_RF。

　　(2)浸潤衣服啟動滾筒。如衣服以泥污為主，那么V₀下降的速率遠(yuǎn)大于以油污為主的衣服。

　　(3)根據(jù)V₀變化率，結(jié)合衣質(zhì)衣量通過模糊推理確定洗滌劑的劑型、劑量和洗滌水溫、洗滌方式和洗滌時間。

　　(4)洗凈時間的確定:在理想情況下V₀和洗滌時間的關(guān)系如圖3所示。

　　顯然經(jīng)t_H后衣服已洗凈。然而，實(shí)際上由于不少衣服均會褪色，經(jīng)tH后的V0值具有如下特點(diǎn):一是略小于V_RF；二是V₀隨漂洗時間的增長幾乎保持不變。所以，只有當(dāng)這兩特點(diǎn)均具備時，才表明衣服已漂洗干凈。如僅具備第二個特點(diǎn)則表明漂洗液已處于飽和狀態(tài)，必須換水再次漂洗直至第一個特點(diǎn)也具備。至于圖3洗滌和漂洗的切換時間t_R，可通過洗滌過程中V₀的變化率大小來確定，當(dāng)V₀變化率接近于零時，即為兩者的切換時刻。

2 自學(xué)習(xí)方法

　　采用自學(xué)習(xí)的目的是考慮到以下三點(diǎn):一是不同系列洗衣機(jī)的光、機(jī)、電特性不同；二是即使洗衣機(jī)系列相同，由于裝配和調(diào)試差別，其光、機(jī)、電特性也會受影響；三是隨使用時間的增長，其光、機(jī)、電特性也要隨之變化。

2.1 學(xué)習(xí)內(nèi)容

　　影響一個模糊控制器的控制品質(zhì)，主要有模糊控制規(guī)則的合理性和模糊化的品質(zhì)。而影響模糊化的品質(zhì)主要有兩個因素:一是各物理量比例因子的取值；二是各模糊語言變量的取值范圍。所以自學(xué)習(xí)內(nèi)容實(shí)際上應(yīng)包含三個內(nèi)容，一是對控制規(guī)則的學(xué)習(xí)修正；二是各物理量在模糊過程中比例因子的自修正；三是各模糊語言變量分檔及其取值范圍的修正。雖然洗凈度是確定控制規(guī)則的一個主要參數(shù)，但控制規(guī)則對洗凈度識別的反作用較弱；此外，就洗衣機(jī)而言，其對控制精度要求不高，所以語言變量分檔精度對洗衣機(jī)控制品質(zhì)相對而言影響次之。因此本文僅討論對洗衣機(jī)控制品質(zhì)影響較大的洗凈度及其關(guān)聯(lián)性較大的一些參數(shù)的比例因子自學(xué)習(xí)修正方法。

　　(1)隨著洗衣機(jī)使用時間的增長，出水透光性檢測器的管壁附著的污垢將隨之增加而降低VRF值。我們在信息調(diào)理模塊中，使用可編程放大器，以前次使用所測得的VRF值為基準(zhǔn)，當(dāng)此后測得V_RF低于前次使用測得V_RF的80%時，則通過調(diào)整放大器增益，使之接近首次使用VRF值。一旦調(diào)節(jié)增益無效則示警告知用戶應(yīng)清洗檢測器管壁。

　　(2)通過自修正洗凈度模糊化比例因子的方法來提高洗凈度的測試品質(zhì)。令V₀在精確量論域中的確定值為X，將它轉(zhuǎn)換成對應(yīng)模糊語言變量論域中的相應(yīng)量時，令其為Y。如采用CRI法，通常是將語言變量的論域轉(zhuǎn)換為有限整數(shù)論域，則有:

式中，q稱為比例因子。

　　由于對精確量的模糊化過程中所采用的語言變量的隸屬函數(shù)圖形的形狀對洗衣機(jī)模糊控制品質(zhì)的影響不大，為簡化自學(xué)習(xí)算法，采用常見三角形形狀。且考慮到洗衣機(jī)控制精度不高，為節(jié)省模糊推理運(yùn)算量和檢測裝置的硬件開銷，對洗凈度隸屬度和洗凈變化率隸屬度的語言變量檔數(shù)分別取4和3檔。如圖4所示。

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2.2 學(xué)習(xí)方法

2.2.1 洗凈度比例因子

2.2.1.1 衣服臟污性質(zhì)和程度比例因子

　　在浸潤洗滌過程中，不斷檢測V₀直至其達(dá)到飽和值V_oL。為此，可分別求得以泥污為主和油污為主的臟污程度比例因子q₁和q₂。

　　式中，V_OL1、V_OL2分別為泥污為主和油污為主V_OL值，m為語言變量中整數(shù)論域元素的個數(shù)。對于語言變量，檔數(shù)取3～4時通常取m=8。利用泥污的V₀平均變化率δ₁高于油污為主的V₀平均變化率δ₂，通過模糊推理，可對洗滌的衣服臟污性質(zhì)進(jìn)行模糊判斷，相應(yīng)的臟污性質(zhì)比例因子q₃為:

式中t₁、t₂分別為泥污為主和油污為主的衣服在浸潤工作時，V₀達(dá)到V_OL所用的時間。V₀隨時間t變化趨勢如圖5所示。

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　　應(yīng)該指出浸潤衣服的水溫也會影響圖5曲線和q₃，所以在構(gòu)造模糊推理庫時應(yīng)給予考慮。臟污性質(zhì)的隸屬函數(shù)如圖6所示。

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　　圖中δ定義為：

2.2.1.2 漂洗干凈比例因子

　　如第一次漂洗時所測V_OL值為V_OL3，由于隨漂洗的次數(shù)增加，V_OL將增大，所以可求得漂洗干凈度比例因子q₄:

2.2.1.3 漂洗干凈度平均變化率比例因子

　　令在每次漂洗中，從漂洗開始，經(jīng)時間t后測得V0值為V_0tn(下標(biāo)n為漂洗順序號)。那么在理想情況下，衣服漂洗干凈時，V_0tn不會隨漂洗時間的增加而增加，所以可求得漂洗洗凈度平均變化率比例因子q₅:

實(shí)驗表明t在3～5分鐘內(nèi)較為合適。然而在漂洗過程中退色或多或少總存在，同時也會有少量纖維顆粒溶于水中，因而通常在滿足V_OL≈V_RF和V_Otn≈V_Ot(n+1)時，可認(rèn)為已漂洗干凈。

2.2.2 比例因子自修正

　　由于布質(zhì)的好壞、顏色的深淺、臟污的性質(zhì)和程度、工作和生活環(huán)境均會影響上述各參數(shù)比例因子的取值，為此我們采用短期學(xué)習(xí)和長期學(xué)習(xí)相結(jié)合及有教師學(xué)習(xí)和無教師學(xué)習(xí)相結(jié)合辦法予以不斷修正，以達(dá)到提高識別精度的目的。下面僅以q₃為例說明之。

2.2.2.1 短期學(xué)習(xí)

　　在每次洗滌過程中不斷計算δ₁和δ₂，一旦出現(xiàn)浸潤洗滌時的δ₁值大于原先保存的δ₁時予以置換。同樣如出現(xiàn)浸潤洗滌時的δ₂小于原先保存的δ₂值也將予以置換。

2.2.2.2 長期學(xué)習(xí)

　　以一年為周期，將本年度的δ_1max和δ_2min作為下一年度的δ₁和δ₂的預(yù)置值。這主要考慮到隨著科技的進(jìn)步和人們工作和生活環(huán)境的改善，δ_1max和δ_2min間差值也將隨之減少。所以可適當(dāng)調(diào)節(jié)控制規(guī)則，以達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2.2.3 有教師學(xué)習(xí)

　　上述兩種均為無教師學(xué)習(xí)。但考慮到洗衣機(jī)初次使用時，不同的家庭其比例因子初值設(shè)定有所不同，加之臟污程度也因人而異。為此在控制面板上設(shè)定7個開關(guān)值，第一個是進(jìn)入學(xué)習(xí)工作狀態(tài)(“1”為自學(xué)習(xí)狀態(tài))，第二、三個開關(guān)組成布質(zhì)狀態(tài)(“11”硬質(zhì)布為主，“00”為軟質(zhì)布為主，“01”硬、軟質(zhì)布各半)，第四、五個開關(guān)組成衣服臟污程度狀態(tài)(“11”為臟，“00”為基本干凈，“01”為稍臟)，第六、七個開關(guān)組成衣服臟污性質(zhì)狀態(tài)(“11”為泥污為主，“00”為油污為主，“01”泥污、油污各半)。自然，只有在第一個開關(guān)為“1”時其余開關(guān)的設(shè)定才有效。顯然，如當(dāng)臟污性質(zhì)開關(guān)設(shè)定為“01”時，可以求得相應(yīng)的臟污性質(zhì)比例因子為δ₃，那么此時用式(10)可估算δ₁，從而實(shí)現(xiàn)有教師的學(xué)習(xí)修正。

　　δ₁=2δ₃-δ₂??????????????????????? (10)

　　以上論述了衣服臟污性質(zhì)、洗凈度等參數(shù)的檢測及其模糊化過程中比例因子的確定方法。本文所提出的這一自適應(yīng)學(xué)習(xí)方法雖然是針對洗衣機(jī)而言，但其設(shè)計思想和方法仍不失一般性。

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參考文獻(xiàn)

1 朱林生，馮根良，余水寶. 一種自適應(yīng)模糊化邏輯結(jié)構(gòu)及其算法的研究.基礎(chǔ)自動化，1999；16(6)：1517

2 劉有才，劉增良.模糊專家系統(tǒng)原理與設(shè)計.北京:北航出版社1995.3