模糊控制在智能雨刮系統(tǒng)的應(yīng)用

王欣香

摘要：在分析雨量傳感器雨量大小的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制和PWM調(diào)速的智能雨刮控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以變化的雨量大小為參量，智能控制雨刮電機(jī)的轉(zhuǎn)速，保持擋風(fēng)玻璃清晰。

關(guān)鍵詞：雨量傳感器；模糊控制；PWM調(diào)速；智能雨刮；

0 前言

汽車工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一，雨刮系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，機(jī)械雨刮在使用過程中會分散駕駛員的注意力，往往成為發(fā)生交通事故的重要安全隱患。隨著技術(shù)的發(fā)展，汽車正從一種單純的交通工具向著滿足人們需求、安全、節(jié)能、環(huán)保的方向發(fā)展，雨刷產(chǎn)品也逐漸向智能化發(fā)展。

1 控制系統(tǒng)的工作原理

本智能雨刮系統(tǒng)以51單片機(jī)AT89C51為主機(jī)，L298為電機(jī)驅(qū)動，雨量傳感器為檢測元件。雨量傳感器實(shí)時檢測前擋風(fēng)玻璃的雨量大小，雨量傳感器的輸出信號送給單片機(jī)，進(jìn)行處理后獲得測量結(jié)果，模糊控制部分根據(jù)測量結(jié)果，利用模糊控制規(guī)律運(yùn)算出相應(yīng)的控制量。執(zhí)行部分由PWM調(diào)速電路完成，它根據(jù)控制量實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速，驅(qū)動雨刷機(jī)構(gòu)快速掃除擋風(fēng)玻璃上的雨水，從而達(dá)到保持駕駛者良好視野的目的。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

雨刮電機(jī)轉(zhuǎn)速與諸多非線性因素有關(guān)，要使模糊控制器具有良好的控制效果，必須具有較為完善的控制規(guī)則。為靈活調(diào)整模糊控制器，在輸入輸出關(guān)系中加入調(diào)整因子[1]，實(shí)現(xiàn)控制規(guī)則的調(diào)整，以適應(yīng)不同的雨雪天氣情況，達(dá)到希望的控制效果。

系統(tǒng)的輸入為雨量偏差e及雨量變化率c，輸出為控制量t。對變量進(jìn)行模糊化處理獲得E、C及T的模糊子集為：

E、C、T的論域分別為：

系統(tǒng)為適應(yīng)不同的雨量要求，采用多個調(diào)整因子的控制規(guī)則為[2]：

式中a1、a2、a3、a4為調(diào)整因子，且0

憑經(jīng)驗(yàn)選定初始調(diào)整因子：a1=0.4，a2=0.5，a3=0.6，a4=0.7構(gòu)成初始單純型，以目標(biāo)函數(shù)

為性能指標(biāo)進(jìn)行尋優(yōu)，雨刮電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)自尋優(yōu)后獲得一組優(yōu)化的調(diào)整因子：a1=0.42，a2=0.54，a3=0.65，

a4=0.85。將a值代入多個調(diào)整因子的控制規(guī)則中，經(jīng)過計(jì)算，再根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及人工修正，得到優(yōu)化的模糊控制規(guī)則，如表1所示。

表1構(gòu)成整個模糊控制器的核心，是系統(tǒng)模糊算法的結(jié)果。將控制表存到單片機(jī)的存儲器中，并編寫一個相應(yīng)的查找控制表的子程序[3]。

3 雨刮電機(jī)的PWM調(diào)速設(shè)計(jì)

PWM信號是利用單片機(jī)AT89C51編程實(shí)現(xiàn)的[4]，選用定頻調(diào)寬法，即PWM脈沖信號的周期是固定的，通過調(diào)節(jié)PWM脈沖的寬度改變PWM脈沖信號的占空比，從而改變雨刮電機(jī)電樞兩端的平均電壓值，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定PWM脈沖的固定周期為20，上述模糊控制器的輸出控制量t作為PWM脈沖的寬度，同時對單片機(jī)的定時器T0設(shè)置相應(yīng)初值后，可計(jì)算T0發(fā)生一次溢出中斷的時間，并在T0的中斷函數(shù)中設(shè)置溢出中斷發(fā)生一次，OV的值加1。對OV值進(jìn)行判斷，當(dāng)OV值小于t值時，單片機(jī)引腳P3.7輸出高電平，P3.7與L298的ENA引腳相連，故ENA為高電平，L298使能，PWM脈沖信號為高電平；當(dāng)OV值大于t，P3.7輸出低電平，ENA變?yōu)榈碗娖?，L298被禁止，無電壓輸出，此時PWM脈沖信號為低電平。如此反復(fù)，形成的PWM信號即為電壓脈沖信號。當(dāng)模糊控制器的輸出量t增大，PWM脈沖寬度隨著變寬， t值減小，PWM脈沖寬度隨之變窄。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要采用C語言對AT89C51進(jìn)行編程，選用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各模塊相對獨(dú)立。本軟件主要由鍵盤模塊、顯示模塊、模糊控制模塊、通信模塊、中斷服務(wù)模塊等組成。

4 結(jié)束語

結(jié)果表明， 該自動雨刷控制系統(tǒng)具有較高控制精度，良好的動態(tài)性能，能有效保持擋風(fēng)玻璃的清晰度，提高雨霧天氣下的行車安全，滿足汽車駕駛者的需求；實(shí)際應(yīng)用中由于擋風(fēng)玻璃清晰度受降雨量大小、汽車行駛速度、駕駛員視距等因素影響，用戶設(shè)定的擋風(fēng)玻璃清晰度與雨量傳感器輸出信號之間的對應(yīng)關(guān)系必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。

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[2] 李士勇. 模糊控制·神經(jīng)控制和智能控制論[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1996.

[3] 肖金球.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M】清華大學(xué)出版社：2004.

[4] 余永權(quán)，曾碧.單片機(jī)模糊邏輯控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1995.

（作者單位：山東科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，山東 濰坊 261053）