CN109634124A - 一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法 - Google Patents
一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，包括如下步骤：S1：采集毛刷电机的实时电流值，计算毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec；S2：将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec量化处理后模糊化处理；S3：根据模糊化处理后的毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec，查模糊控制查询表，获得比例阀输入电压的输出量u；S4：将输出量u与输出变量量化因子Ku相乘，获得实际输出量U。本发明优化了毛刷与车身之间的安全间距，极好地保护车身表面油漆，安全性高，且提高了清洗速度，节水环保。
Description
技术领域
本发明涉及洗车机技术领域，尤其是涉及一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法。
背景技术
随着汽车技术的飞速发展，人们对汽车的消费观念有了极大的改变，从过去单一的功能追求为主迅速转变为追求个性化、舒适化、美观化的消费观念。这极大地带动了汽车清洗保养、美容护理等行业的发展,汽车改装、汽车美容、汽车保养等汽车相关产业已成为一个极具发展潜力的投资热点。汽车清洗作为汽车美容前期一个必不可少的工序，具有广阔的市场前景。现有洗车机在洗车过程中，毛刷向车身靠近是依靠气缸推动的，气缸伸缩是由比例阀控制的，但现有洗车机未考虑气缸伸缩强度对毛刷电机电流变化的影响，从而无法精确控制毛刷的运动，无法保证毛刷与车身之间的安全有效间距，使洗车控制效果大打折扣，清洗效率低，安全性能差。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术的不足，提供了一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，本发明优化了毛刷与车身之间的安全间距，极好地保护车身表面油漆，安全性高，且提高了清洗速度，节水环保。
为了实现上述目的，本发明提供了一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，包括如下步骤：
S1：采集毛刷电机的实时电流值，计算毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec；
S2：将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec量化处理后模糊化处理；
S3：根据模糊化处理后的毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec，查模糊控制查询表，获得比例阀输入电压的输出量u；
S4：将输出量u与输出变量量化因子Ku相乘，获得实际输出量U。
进一步地，步骤S1中，通过电流传感器采集毛刷电机的实时电流值。
进一步地，步骤S1中，毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec的计算过程如下:
设定洗车机正常洗车时采集的毛刷电机的电流值I0作为模糊控制器的设定值，实际电流I(k)、I(k-1)分别为本次和上次采集得到的毛刷电机的电流值，在采样时间dt内得到的毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec为：
e(k)＝I(k)-I0；
e(k-1)＝I(k-1)-I0；
ec＝[e(k)-e(k-1)]/dt＝[I(k)-I(k-1)]/dt。
进一步地，步骤S2中，将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec进行量化处理的具体过程如下：
(1)将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec进行限幅量化处理，具体过程为：
设定毛刷电机额定电流的取值范围为(emax、-emax)，毛刷电机额定电流误差变化率的取值范围为(ecmax,-ecmax)；
当毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec分别大于emax与ecmax时，取电流偏差e等于emax,电流偏差变化率ec等于ecmax；
当毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec分别小于-emax与-ecmax时，取电流偏差e等于-emax,电流偏差变化率等于-ecmax；
(2)毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec经限幅化处理后，对采样时间dt内第k-1次电机电流I(k-1)和第k次电机电流I(k)变化进行统计，根据下式将毛刷电机的电流偏差e、电流偏差变化率ec和输出量u转化为论域[-n,n]之间的数值：
其中：a,b为精确量集合e、ec、u的上下限，n为论域,x为采样时间dt内得到的e与ec之间的连续量，y为在论域[-n,n]间的连续量y，最终得到毛刷电机的电流偏差e、电流偏差变化率ec和输出量u的隶属度；
(3)设定毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec的量化因子分别为Ke和Kc，
Ke＝n/e；
Kc＝n/ec；
其中，n为论域；
将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec分别与Ke和Kc相乘，使毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec进行等级量化后落在模糊控制器设定的模糊论域内。
进一步地，步骤S2中，将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec量化处理后进行模糊化处理的具体过程如下：
设定毛刷电机的电流偏差e的基本论域为[e,-e],电流偏差变化率ec的基本论域为[-ec,ec]，输出量u的基本论域为[-u，u]，毛刷电机的电流偏差e、电流偏差变化率ec和输出量u的的模糊集均取为(NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB)，其中NB为负大，NM为负中，NS为负小，ZE为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大。
进一步地，步骤S3中，模糊控制表的建立过程如下：
(1)确定模糊控制规则：
对不同条件下的毛刷与被洗车之间的间距进行相应的控制，根据洗车机毛刷电机电流控制毛刷与被洗车之间的间距，确认系统模糊控制规则：当毛刷电机的电流偏差e为正大时，无论电流偏差变化率ec处于何种状态，应使输出量u较快减小，以尽快消除偏差，加大毛刷与被洗车的间距；
当毛刷电机电流偏差e为正小时，则应根据电流偏差变化率ec来确定输出量u的变化；当电流偏差变化率ec为负值时，电流偏差e有继续增加的趋势，则输出量u应选择负中或者负小，以减小偏差；当电流偏差变化率ec为正值时，电流偏差e正在减小，此时输出量u应选择负小或零，以此类推，确定m个模糊关系R，从而得出模糊控制规则表；
(2)建立模糊控制查询表：
根据模糊控制规则表，采用二维输入—单输出系统的模糊控制器，利用加权平均法进行模糊判决，设定毛刷电机的电流偏差e的论域元素为行，电流偏差变化率ec的论域元素为列，毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec相应的交点为输出量u，制得模糊控制查询表。
进一步地，步骤S3中，查模糊控制查询表，采用加权平均法进行模糊判决，获得比例阀输入电压的输出量u：
其中，i(xi)指有效论域，xi指各有效论域的权重。
进一步地，步骤S4中，输出变量量化因子Ku为：
Ku＝n/u，其中n为论域。
进一步地，根据实际输出量U，获得气缸伸缩量K为：
U＝K/I+d，
其中I为采集的毛刷电机的电流值，d为毛刷电机电流为额定电流时气缸的原点伸缩量。
本发明的有益效果：本发明在现有单纯利用气缸控制毛刷与被洗车身之间的间距基础上，考虑气缸伸缩强度对毛刷电机电流变化的影响，利用电压型比例阀控制气缸伸缩强度，将模糊控制法与比例阀电压大小变化相结合，建立了气缸伸缩强度变化的模糊输出模型，根据被洗车型与毛刷接触的工作面变化的不确认性，建立模糊输出模型的模糊控制规则和模糊控制表，在保证车油漆不被伤害前提下，毛刷与被洗车身之间的间距由以前的固定150mm缩短到95mm，缩短了36％，提高了被洗车的清洗度，节水环保。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的框架流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步说明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本实施方式提供的一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，包括如下步骤：
S1：采集毛刷电机的实时电流值，计算毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec；
S2：将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec量化处理后模糊化处理；
S3：根据模糊化处理后的毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec，查模糊控制查询表，获得比例阀输入电压的输出量u；
S4：将输出量u与输出变量量化因子Ku相乘，获得实际输出量U，将此得到的实际输出量U作为比例阀实际输入电压，以控制气缸的伸缩。
步骤S1中，通过电流传感器采集毛刷电机的实时电流值。
步骤S1中，毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec的计算过程如下:
设定洗车机正常洗车时采集的毛刷电机的电流值I0作为模糊控制器的设定值，实际电流I(k)、I(k-1)分别为本次和上次采集得到的毛刷电机的电流值，在采样时间dt内得到的毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec为：
e(k)＝I(k)-I0；
e(k-1)＝I(k-1)-I0；
ec＝[e(k)-e(k-1)]/dt＝[I(k)-I(k-1)]/dt。
步骤S2中，将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec进行量化处理的具体过程如下：
(1)将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec进行限幅量化处理，具体过程为：
设定毛刷电机额定电流的取值范围为(emax、-emax)，毛刷电机额定电流误差变化率的取值范围为(ecmax,-ecmax)；
当毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec分别大于emax与ecmax时，取电流偏差e等于emax,电流偏差变化率ec等于ecmax；
当毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec分别小于-emax与-ecmax时，取电流偏差e等于-emax,电流偏差变化率等于-ecmax；
(2)毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec经限幅化处理后，对采样时间dt内第k-1次电机电流I(k-1)和第k次电机电流I(k)变化进行统计，根据下式将毛刷电机的电流偏差e、电流偏差变化率ec和输出量u转化为论域[-n,n]之间的数值：
其中：a,b为精确量集合e、ec、u的上下限，n为论域,x为采样时间dt内得到的e与ec之间的连续量，y为在论域[-n,n]间的连续量y，最终得到毛刷电机的电流偏差e、电流偏差变化率ec和输出量u的隶属度；
以下表1、表2和表2分别毛刷电机的电流偏差e、电流偏差变化率ec和输出量u的隶属度表：
表1电流偏差e的隶属度表
表2电流偏差变化率ec的隶属度表
| ec | -6 | -5 | -4 | -3 | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| NB | 1.0 | 0.8 | 0.4 | 0.1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NM | 0.2 | 0.7 | 1.0 | 0.7 | 0.2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NS | 0 | 0 | 0.2 | 0.7 | 1.0 | 0.9 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ZO | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PS | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.9 | 1.0 | 0.7 | 0.2 | 0 | 0 |
| PM | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.2 | 0.7 | 1.0 | 0.7 | 0.2 |
| PB | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.1 | 0.4 | 0.8 | 1.0 |
表3输出量u的隶属度表
| u | -6 | -5 | -4 | -3 | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| NB | 1.0 | 0.8 | 0.4 | 0.1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NM | 0.2 | 0.7 | 1.0 | 0.7 | 0.2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| NS | 0 | 0.1 | 0.4 | 0.8 | 1.0 | 0.8 | 0.4 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| ZO | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.2 | 1.0 | 0.2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| PS | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.4 | 0.8 | 1.0 | 0.8 | 0.4 | 0 | 0 |
| PM | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.2 | 0.7 | 1.0 | 0.7 | 0.2 |
| PB | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.1 | 0.4 | 0.8 | 1.0 |
其中表1-3中变量档定义如下：“NB”—负大，“NM”—负中，“NS”—负小，“ZO”—零,“PS”—正小,“PM”—正中，“PB”—正大。
(3)设定毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec的量化因子分别为Ke和Kc，
Ke＝n/e；
Kc＝n/ec；
其中，n为论域；
将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec分别与Ke和Kc相乘，使毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec进行等级量化后落在模糊控制器设定的模糊论域内。
步骤S2中，将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec量化处理后进行模糊化处理的具体过程如下：
设定毛刷电机的电流偏差e的基本论域为[e,-e],电流偏差变化率ec的基本论域为[-ec,ec]，输出量u的基本论域为[-u，u]，毛刷电机的电流偏差e、电流偏差变化率ec和输出量u的的模糊集均取为(NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB)，其中NB为负大，NM为负中，NS为负小，ZE为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大。
步骤S3中，模糊控制表的建立过程如下：
(1)确定模糊控制规则：
对不同条件下的毛刷与被洗车之间的间距进行相应的控制，根据洗车机毛刷电机电流控制毛刷与被洗车之间的间距，确认系统模糊控制规则：当毛刷电机的电流偏差e为正大时，无论电流偏差变化率ec处于何种状态，应使输出量u较快减小，以尽快消除偏差，加大毛刷与被洗车的间距；
当毛刷电机电流偏差e为正小时，则应根据电流偏差变化率ec来确定输出量u的变化；当电流偏差变化率ec为负值时，电流偏差e有继续增加的趋势，则输出量u应选择负中或者负小，以减小偏差；当电流偏差变化率ec为正值时，电流偏差e正在减小，此时输出量u应选择负小或零，以此类推，确定m个模糊关系R，从而得出模糊控制规则表，如以下表4所示，其中m＝49：
(2)建立模糊控制查询表：
根据模糊控制规则表，采用二维输入—单输出系统的模糊控制器，利用加权平均法进行模糊判决，设定毛刷电机的电流偏差e的论域元素为行，电流偏差变化率ec的论域元素为列，毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec相应的交点为输出量u，制得模糊控制查询表。
以下表5所示，论域n＝6,离散区间为[-6,6]；表6所示，离散区间为[0,12]，即论域从离散区间[-6,6]加一个偏移量6，转换到离散区间[0,12]。
表5模糊控制查询表
表6转换后的模糊控制查询表
步骤S3中，查模糊控制查询表，采用加权平均法进行模糊判决，获得比例阀输入电压的输出量u：
其中，i(xi)指有效论域，xi指各有效论域的权重。
步骤S4中，输出变量量化因子Ku为：
Ku＝n/u，其中n为论域。
根据实际输出量U，获得气缸伸缩量K为：
U＝K/I+d，
其中I为采集的毛刷电机的电流值，d为毛刷电机电流为额定电流时气缸的原点伸缩量。
本实施方式在现有单纯利用气缸控制毛刷与被洗车身之间的间距基础上，考虑气缸伸缩强度对毛刷电机电流变化的影响，利用电压型比例阀控制气缸伸缩强度，将模糊控制法与比例阀电压大小变化相结合，建立了气缸伸缩强度变化的模糊输出模型，根据被洗车型与毛刷接触的工作面变化的不确认性，建立模糊输出模型的模糊控制规则和模糊控制表，在保证车油漆不被伤害前提下，毛刷与被洗车身之间的间距由以前的固定150mm缩短到95mm，缩短了36％，提高了被洗车的清洗度，节水环保。利用Matlab仿真，可以看出，模糊控制下的电流反馈基本随着被洗车的外形变化没什么变化，最大为4.2A，最小为3.8A,最大值与最小值之间电流差仅为0.4A，而没采用模糊控制法的则电流变化较大,最大为4.5A，最小为3.5A，最大值与最小值之间电流差为1A，本实施方式优化幅度达到60％。
本实施方式还提供了一种采用本实施方式洗车机毛刷运动的模糊控制方法的装置，包括模糊控制器、用于测量毛刷电机的电流传感器和与气缸相连接的比例阀，所述模糊控制器分别与电流传感器和比例阀相连接，通过电流传感器实时反馈毛刷电机电流，并将信号发送至模糊控制器，模糊控制器经分析处理后，输出比例阀输入电压的实际输出量，以控制比例阀，从而控制气缸的伸缩，如此实现毛刷的运动精确控制，保证毛刷与被洗车身之间的安全有效间距。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (9)
1.一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：采集毛刷电机的实时电流值，计算毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec；
S2：将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec量化处理后模糊化处理；
S3：根据模糊化处理后的毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec，查模糊控制查询表，获得比例阀输入电压的输出量u；
S4：将输出量u与输出变量量化因子Ku相乘，获得实际输出量U。
2.根据权利要求1所述的一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，其特征在于，步骤S1中，通过电流传感器采集毛刷电机的实时电流值。
3.根据权利要求1或2所述的一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，其特征在于，步骤S1中，毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec的计算过程如下:
设定洗车机正常洗车时采集的毛刷电机的电流值I0作为模糊控制器的设定值，实际电流I(k)、I(k-1)分别为本次和上次采集得到的毛刷电机的电流值，在采样时间dt内得到的毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec为：
e(k)＝I(k)-I0；
e(k-1)＝I(k-1)-I0；
ec＝[e(k)-e(k-1)]/dt＝[I(k)-I(k-1)]/dt。
4.根据权利要求3所述的一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，其特征在于，步骤S2中，将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec进行量化处理的具体过程如下：
(1)将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec进行限幅量化处理，具体过程为：
设定毛刷电机额定电流的取值范围为(emax、-emax)，毛刷电机额定电流误差变化率的取值范围为(ecmax,-ecmax)；
当毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec分别大于emax与ecmax时，取电流偏差e等于emax,电流偏差变化率ec等于ecmax；
当毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec分别小于-emax与-ecmax时，取电流偏差e等于-emax,电流偏差变化率等于-ecmax；
(2)毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec经限幅化处理后，对采样时间dt内第k-1次电机电流I(k-1)和第k次电机电流I(k)变化进行统计，根据下式将毛刷电机的电流偏差e、电流偏差变化率ec和输出量u转化为论域[-n,n]之间的数值：
其中：a,b为精确量集合e、ec、u的上下限，n为论域,x为采样时间dt内得到的e与ec之间的连续量，y为在论域[-n,n]间的连续量y，最终得到毛刷电机的电流偏差e、电流偏差变化率ec和输出量u的隶属度；
(3)设定毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec的量化因子分别为Ke和Kc，
Ke＝n/e；
Kc＝n/ec；
其中，n为论域；
将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec分别与Ke和Kc相乘，使毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec进行量化后落在模糊控制器设定的模糊论域内。
5.根据权利要求4所述的一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，其特征在于，步骤S2中，将毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec量化处理后进行模糊化处理的具体过程如下：
设定毛刷电机的电流偏差e的基本论域为[e,-e],电流偏差变化率ec的基本论域为[-ec,ec]，输出量u的基本论域为[-u，u]，毛刷电机的电流偏差e、电流偏差变化率ec和输出量u的的模糊集均取为(NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB)，其中NB为负大，NM为负中，NS为负小，ZE为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大。
6.根据权利要求5所述的一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，其特征在于，步骤S3中，模糊控制查询表的建立过程如下：
(1)确定模糊控制规则：
对不同条件下的毛刷与被洗车之间的间距进行相应的控制，根据洗车机毛刷电机电流控制毛刷与被洗车之间的间距，确认系统模糊控制规则：当毛刷电机的电流偏差e为正大时，无论电流偏差变化率ec处于何种状态，应使输出量u较快减小，以尽快消除偏差，加大毛刷与被洗车的间距；
当毛刷电机电流偏差e为正小时，则应根据电流偏差变化率ec来确定输出量u的变化；当电流偏差变化率ec为负值时，电流偏差e有继续增加的趋势，则输出量u应选择负中或者负小，以减小偏差；当电流偏差变化率ec为正值时，电流偏差e正在减小，此时输出量u应选择负小或零，以此类推，确定m个模糊关系R，从而得出模糊控制规则表；
(2)建立模糊控制查询表：
根据模糊控制规则表，采用二维输入—单输出系统的模糊控制器，利用加权平均法进行模糊判决，设定毛刷电机的电流偏差e的论域元素为行，电流偏差变化率ec的论域元素为列，毛刷电机的电流偏差e和电流偏差变化率ec相应的交点为输出量u，制得模糊控制查询表。
7.根据权利要求6所述的一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，其特征在于，步骤S3中，查模糊控制查询表，采用加权平均法进行模糊判决，获得比例阀输入电压的输出量u：
其中，i(xi)指有效论域，xi指各有效论域的权重。
8.根据权利要求1所述的一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，其特征在于，步骤S4中，输出变量量化因子Ku为：
Ku＝n/u，其中n为论域。
9.根据权利要求1所述的一种洗车机毛刷运动的模糊控制方法，其特征在于，根据实际输出量U，获得气缸伸缩量K为：
U＝K/I+d，
其中I为采集的毛刷电机的电流值，d为毛刷电机电流为额定电流时气缸的原点伸缩量。
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