模糊控制在智能雨刮系統的應用

王欣香

摘要：在分析雨量傳感器雨量大小的基礎上，設計了一種基于模糊控制和PWM調速的智能雨刮控制系統。該系統以變化的雨量大小為參量，智能控制雨刮電機的轉速，保持擋風玻璃清晰。

關鍵詞：雨量傳感器；模糊控制；PWM調速；智能雨刮；

0 前言

汽車工業是國民經濟發展的支柱產業之一，雨刮系統是汽車的重要組成部分，機械雨刮在使用過程中會分散駕駛員的注意力，往往成為發生交通事故的重要安全隱患。隨著技術的發展，汽車正從一種單純的交通工具向著滿足人們需求、安全、節能、環保的方向發展，雨刷產品也逐漸向智能化發展。

1 控制系統的工作原理

本智能雨刮系統以51單片機AT89C51為主機，L298為電機驅動，雨量傳感器為檢測元件。雨量傳感器實時檢測前擋風玻璃的雨量大小，雨量傳感器的輸出信號送給單片機，進行處理后獲得測量結果，模糊控制部分根據測量結果，利用模糊控制規律運算出相應的控制量。執行部分由PWM調速電路完成，它根據控制量實現電機的調速，驅動雨刷機構快速掃除擋風玻璃上的雨水，從而達到保持駕駛者良好視野的目的。

2 模糊控制器的設計

雨刮電機轉速與諸多非線性因素有關，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則。為靈活調整模糊控制器，在輸入輸出關系中加入調整因子[1]，實現控制規則的調整，以適應不同的雨雪天氣情況，達到希望的控制效果。

系統的輸入為雨量偏差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：

系統為適應不同的雨量要求，采用多個調整因子的控制規則為[2]：

式中a1、a2、a3、a4為調整因子，且0

憑經驗選定初始調整因子：a1=0.4，a2=0.5，a3=0.6，a4=0.7構成初始單純型，以目標函數

為性能指標進行尋優，雨刮電機轉速經自尋優后獲得一組優化的調整因子：a1=0.42，a2=0.54，a3=0.65，

a4=0.85。將a值代入多個調整因子的控制規則中，經過計算，再根據實際經驗及人工修正，得到優化的模糊控制規則，如表1所示。

表1構成整個模糊控制器的核心，是系統模糊算法的結果。將控制表存到單片機的存儲器中，并編寫一個相應的查找控制表的子程序[3]。

3 雨刮電機的PWM調速設計

PWM信號是利用單片機AT89C51編程實現的[4]，選用定頻調寬法，即PWM脈沖信號的周期是固定的，通過調節PWM脈沖的寬度改變PWM脈沖信號的占空比，從而改變雨刮電機電樞兩端的平均電壓值，實現直流電機的調速。根據經驗設定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，同時對單片機的定時器T0設置相應初值后，可計算T0發生一次溢出中斷的時間，并在T0的中斷函數中設置溢出中斷發生一次，OV的值加1。對OV值進行判斷，當OV值小于t值時，單片機引腳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OV值大于t，P3.7輸出低電平，ENA變為低電平，L298被禁止，無電壓輸出，此時PWM脈沖信號為低電平。如此反復，形成的PWM信號即為電壓脈沖信號。當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。

系統的軟件設計主要采用C語言對AT89C51進行編程，選用模塊化的結構設計，各模塊相對獨立。本軟件主要由鍵盤模塊、顯示模塊、模糊控制模塊、通信模塊、中斷服務模塊等組成。

4 結束語

結果表明， 該自動雨刷控制系統具有較高控制精度，良好的動態性能，能有效保持擋風玻璃的清晰度，提高雨霧天氣下的行車安全，滿足汽車駕駛者的需求；實際應用中由于擋風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，用戶設定的擋風玻璃清晰度與雨量傳感器輸出信號之間的對應關系必須進行實驗測定。

[參考文獻]

[1] 聞新，周露，李東江.MATLAB模糊邏輯工具箱的分析與應用[M].北京：科學出版社，2001，112- 128.

[2] 李士勇. 模糊控制·神經控制和智能控制論[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工業大學出版社， 1996.

[3] 肖金球.單片機原理與接口技術[M】清華大學出版社：2004.

[4] 余永權，曾碧.單片機模糊邏輯控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，1995.

（作者單位：山東科技職業學院 機電工程系，山東 濰坊 261053）