基于模糊控制算法的同步風(fēng)擋雨刷控制器*

李云紅，張 恒，張亞林，王震亞

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710048）

基于模糊控制算法的同步風(fēng)擋雨刷控制器*

李云紅，張 恒，張亞林，王震亞

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安710048）

針對(duì)某客機(jī)風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷，提出一種基于模糊控制算法的同步風(fēng)擋雨刷控制器設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過手動(dòng)操作選擇主、從兩組風(fēng)擋雨刷工作檔位，實(shí)時(shí)捕獲并記錄雨刷工作周期，將主控雨刷工作周期分量T及主控與從控雨刷的工作周期差量ΔT作為模糊控制系統(tǒng)的兩個(gè)輸入量，經(jīng)模糊控制系統(tǒng)輸出主控雨刷控制信號(hào)U，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)主控雨刷的工作周期，從而實(shí)現(xiàn)兩組風(fēng)擋雨刷單獨(dú)或精準(zhǔn)地同步控制。

模糊控制;風(fēng)擋雨刷；同步控制器；客機(jī)；主從控制；實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)

1 引言

MD-90飛機(jī)的風(fēng)擋雨刷原先由一個(gè)四位開關(guān)控制，后來為了提高安全性，避免因操作開關(guān)故障而使兩個(gè)風(fēng)擋雨刷都不能工作，因而改為由兩個(gè)四位開關(guān)分別各自操縱一個(gè)雨刷[1-2]，由此帶來了兩組風(fēng)擋雨刷無法精準(zhǔn)同步協(xié)作的問題。針對(duì)這一設(shè)計(jì)缺陷，設(shè)計(jì)了基于模糊控制算法的同步風(fēng)擋雨刷控制器。

模糊控制屬于智能控制范疇，它是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。模糊理論作為現(xiàn)代信息科學(xué)的一個(gè)重要概念和方法論，它的科學(xué)性和有效性越來越引起人們的重視[3-5]。隨著模糊控制理論的完善和模糊控制技術(shù)的成熟,模糊控制器也得到了實(shí)際應(yīng)用,它無需建立精確的數(shù)學(xué)模型,而是由人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和思維進(jìn)行推理。因此模糊控制技術(shù)對(duì)于難以獲得數(shù)學(xué)模型和模型粗糙的系統(tǒng)有獨(dú)特的控制優(yōu)勢(shì),克服了非線性因素對(duì)系統(tǒng)造成的影響[6-9]。

基于模糊控制算法的同步風(fēng)擋雨刷控制器能夠?qū)崿F(xiàn)MD-90客機(jī)上主、從兩組風(fēng)擋雨刷分別單獨(dú)工作以及精準(zhǔn)地同步協(xié)作。利用模糊控制技術(shù)對(duì)于難以獲得數(shù)學(xué)模型和模型粗糙系統(tǒng)獨(dú)特的控制優(yōu)勢(shì)，克服了非線性因素對(duì)雨刷控制系統(tǒng)造成的影響[10]，同時(shí)在一定程度上減少計(jì)算量，提高控制器的實(shí)時(shí)控制效果。

2 基于STM 32的風(fēng)擋雨刷控制器設(shè)計(jì)

基于STM32的同步風(fēng)擋雨刷控制器由主控制單元、從控制單元及串行通信接口單元組成，主、從控制單元的硬件結(jié)構(gòu)相同，風(fēng)擋雨刷控制器原理圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)擋雨刷控制器原理圖

同步風(fēng)擋雨刷控制器有兩個(gè)工作模式：主、從風(fēng)擋雨刷單獨(dú)工作模式及同步協(xié)作模式。單獨(dú)工作時(shí)，主、從風(fēng)擋雨刷可分別實(shí)現(xiàn)高速、中速、低速、停止四個(gè)檔位的切換；當(dāng)主、從風(fēng)擋雨刷運(yùn)行過程中處于同一檔位時(shí)，系統(tǒng)開啟同步協(xié)作模式?；诖谕ㄐ诺南嚓P(guān)協(xié)議，主控制單元實(shí)時(shí)接收到由從控制單元發(fā)送的雨刷運(yùn)轉(zhuǎn)周期數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)改變自身雨刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)主、從風(fēng)擋雨刷精準(zhǔn)地同步控制。另外，從控制單元也實(shí)時(shí)接收由主控制單元發(fā)送的雨刷位置、是否開啟同步等信號(hào)用以實(shí)現(xiàn)同步協(xié)作。

主、從控制單元的基本結(jié)構(gòu)主要由檔位選擇模塊、STM32控制器、PWM信號(hào)調(diào)理電路、PWM調(diào)速器、雨刷電機(jī)、濾波電路、雨刷機(jī)構(gòu)、串行通信接口等部件構(gòu)成。其中，檔位選擇模塊用以實(shí)現(xiàn)風(fēng)擋雨刷不同速度檔位的切換及控制器工作模式的選擇。STM32控制器根據(jù)接收到的檔位信號(hào)判斷風(fēng)擋雨刷控制器的工作模式，結(jié)合串行通信接口等信息，輸出PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)控制雨刷電機(jī)的擺動(dòng)速度，驅(qū)動(dòng)雨刷機(jī)構(gòu)掃除擋風(fēng)玻璃上的雨水，并在同步工作模式下控制主、從風(fēng)擋雨刷精準(zhǔn)地同步協(xié)作。

3 模糊控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 采集數(shù)據(jù)處理

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得在風(fēng)擋雨刷控制器輸入檔位不同時(shí)，主控風(fēng)擋雨刷擺動(dòng)一周所需的時(shí)間（工作周期），并且從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中抽出具有代表一般性的一組數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 主控雨刷工作周期T（單位：s）

表1中分別給出了主控雨刷在高速、中速、低速檔位時(shí)工作周期T的20個(gè)數(shù)據(jù)。由表格1可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)主控雨刷處于高速檔位時(shí)，其工作周期T（單位：s）集中分布于[1.7,2.0]區(qū)間；中速檔位時(shí)，其工作周期T（單位：s）集中分布于[2.3,2.6]區(qū)間；低速檔位時(shí)，其工作周期T（單位：s）集中分布于[2.8,3.2]區(qū)間。

實(shí)驗(yàn)又測(cè)得從控風(fēng)擋雨刷的工作周期數(shù)據(jù)，并計(jì)算主控與從控雨刷工作周期差量ΔT，發(fā)現(xiàn)ΔT（單位：s）集中分布于[-0.6,0.6]區(qū)間。令T和ΔT作為模糊控制器的兩個(gè)輸入，設(shè)定控制規(guī)則，即得到模糊控制器。

3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

首先對(duì)模糊控制器的兩個(gè)輸入量T與ΔT進(jìn)行模糊化，由于主控雨刷工作周期分量T的取值范圍是（1.7,3.2），主控與從控雨刷工作周期差量ΔT的取值范圍是（-0.6,0.6），為了簡(jiǎn)化算法，分別將T與ΔT的取值范圍對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化為（0,1）與（-1,1），以此作為兩個(gè)輸入模糊集合，U則設(shè)定為主控雨刷輸出控制信號(hào)的模糊集合。μ（T）和μ（ΔT）作為輸入隸屬度函數(shù)。T的隸屬度函數(shù)為：

μmin（T），μmid（T），μmax（T）分別表示為：

ΔT的隸屬度函數(shù)為：

其次是建立模糊控制規(guī)則。模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，它相當(dāng)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的校正轉(zhuǎn)置或補(bǔ)償器，是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容[11-13]。根據(jù)雨刷控制的實(shí)際要求，結(jié)合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)、對(duì)系統(tǒng)的輸入—輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，歸納總結(jié)同步風(fēng)擋雨刷控制器的模糊控制規(guī)則R：

R1：IF（Tis min）and（ΔTis min）then（Uis min）

R2：IF（Tis mid）and（ΔTis min）then（Uis mid）

R3：IF（Tis max）and（ΔTis min）then（Uis max）

R4：IF（Tis min）and（ΔTis max）then（Uis mid）

R5：IF（Tis mid）and（ΔTis max）then（Uis max）

R6：IF（Tis max）and（ΔTis max）then（Uis max）

R7：IF（Tis min）and（ΔTis min(-)）then（Uis min）

R8：IF（Tis mid）and（ΔTis min(-)）then（Uis mid）

R9：IF（Tis max）and（ΔTis min(-)）then（Uis max）

R10：IF（Tis min）and（ΔTis max(-)）then（Uis min）

R11：IF（Tis mid）and（ΔTis max(-)）then（Uis min）

R12：IF（Tis max）and（ΔTis max(-)）then（Uis mid）

主控雨刷輸出控制信號(hào)U的隸屬度為：

通過實(shí)驗(yàn)確定[p q r]的參數(shù)為：

R1：[-0.7473-0.6247 0.8523]；

R2：[-0.7040-0.2914 0.7239]；

R3：[-0.4719-0.2944 0.5587]；

R4：[-1.7323 0.0711 0.5834]；

R5：[-0.7494-0.1783 0.6798]；

R6：[-0.6492-0.2186 0.6984]；

R7：[0.1626-1.4904 0.4350]；

R8：[-0.8446-0.3487 0.7819]；

R9：[-0.5615-0.1627 0.6430]；

R10：[-1.1819 0 0.8598]；

R11：[-1.5950-0.1824 1.3306]；

R12：[-0.7393-0.2789 0.7534]；

建立了輸入輸出的語言變量、隸屬度函數(shù)和模糊規(guī)則后，需要確定模糊推理的合成規(guī)則，這里采用“最大—最小”合成規(guī)則，輸出合成采用連接詞also計(jì)算[14]。以R1為例，最終確定合成運(yùn)算為：

式中，μ（R1）為μmin（T）μmin（ΔT）μmin（U），μmin（T*）和μmin（ΔT*）為輸入隸屬度函數(shù)，模糊規(guī)則μmin（U*）為輸出隸屬度函數(shù)，以此類推。

3.3 模糊控制算法仿真

設(shè)定輸入量主控雨刷工作周期分量T與輸出量主控雨刷控制信號(hào)U的隸屬度取值范圍為 [0,1]，輸入量主控與從控雨刷工作周期差量ΔT的隸屬度取值范圍為[-1,1]，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真，系統(tǒng)輸出量U的曲面觀測(cè)窗如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)輸出量U曲面圖

圖2表示了系統(tǒng)在整個(gè)論域上輸出量U與輸入量T、△T的關(guān)系。從系統(tǒng)輸出量曲面圖可以看出，整個(gè)論域內(nèi)曲面連續(xù)、光滑且平緩，表明設(shè)計(jì)的模糊控制算法控制性能優(yōu)良。

為了更好的說明本模糊控制算法的性能，選取一組具有一般性、覆蓋整個(gè)論域的30組T、△T輸入數(shù)據(jù)，通過控制系統(tǒng)得出輸出數(shù)據(jù)U，并與相對(duì)應(yīng)的理論輸出數(shù)據(jù)U*對(duì)比，計(jì)算實(shí)際輸出與理論輸出之間的相對(duì)誤差Y，從而定量分析系統(tǒng)的控制性能。模糊控制算法的誤差分析表如表2所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的模糊控制器的輸出信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)中主控雨刷器與從控雨刷器精準(zhǔn)地同步控制，可將控制系統(tǒng)的絕大部分誤差控制在5%之內(nèi)，從而達(dá)到預(yù)期的控制效果。

模糊控制是智能控制的一個(gè)重要分支，提出的模糊控制算法與常規(guī)PID控制相比具有無需建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型、對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯、非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)噪聲也具有較強(qiáng)的抑制能力。兩種算法的控制結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖4 模糊控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，模糊控制與PID控制相比具有調(diào)節(jié)速度快、超調(diào)量小且響應(yīng)平穩(wěn)等特點(diǎn)。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的基于模糊控制算法的同步風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)采用STM32作為控制器，采用模糊控制算法對(duì)控制器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)模糊控制算法的輸出結(jié)果實(shí)現(xiàn)兩組風(fēng)擋雨刷精準(zhǔn)地同步控制。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該同步風(fēng)擋雨刷控制系統(tǒng)具有較高的控制精度，同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況還可增加或減少模糊控制器的控制規(guī)則，使系統(tǒng)保持良好的動(dòng)態(tài)性能，以此來保持風(fēng)擋玻璃的清晰度，在雨霧天氣給駕駛員更好的視野，保證駕駛員的安全。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，性能可靠，具有較高的使用價(jià)值和很好的市場(chǎng)前景。

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Synchronous Windshield Wipers Controller Based on Fuzzy Control Algorithm

Li Yunhong,Zhang Heng,Zhang Yalin,Wang Zhenya
（College of Electronics and Information,Xi`an Polytechnic University,Xi`an 710048,China）

For the defects of design on the aircraft windshield wipers control system,we propose a synchronous windshield wipers controller based on fuzzy control algorithm.The system manually selects work gear from two windshield wipers,captures in real-time,and records wipers work-cycle. The wiper's cycle T of the main component and the difference wiper's cycle ΔT between the main component and the appurtenant component are chosen as two inputs of the fuzzy control system.U，as the control signal of the main component，is output by the fuzzy control system.So the cycle of the main component can be adjusted by the real-time,in order to achieve independent or precise synchroni-zation control of the two windshield wipers.

Fuzzy control；Windshield wipers；Synchronous controller；Airliner；Master-slave control；Real-time adjustment

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.02.021

TP271

A

1002-2279-（2017）02-0091-05

姓名（出生年-），性別（民族），籍貫（省市或縣），職稱/學(xué)位，主要研究方向，E-mail地址；其他作者姓名，職稱/學(xué)位。標(biāo)題下方每位作者須標(biāo)注上相應(yīng)的單位。單位要具體到二級(jí)單位，并給出其所在省份、城市及郵編。文章一經(jīng)修改完成上傳至網(wǎng)站后，作者及單位不得改動(dòng)。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61401347）；西安工程大學(xué)2016年度研究生創(chuàng)新基金(CX201617)；陜西省科技廳自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016JZ026）

作者簡(jiǎn)介：李云紅(1974-),女（滿族）,遼寧省錦州市人，教授，博士,主研方向：信號(hào)與信息處理技術(shù)、圖像、紅外熱像測(cè)溫技術(shù)。張恒(1991-),男,碩士研究生,主研方向：信號(hào)與信息處理技術(shù)。

2016-11-09