尝试设计制作一台模糊控制宠物烘箱,作为模糊逻辑应用於机械设计程序的推演实例.藉由宠物烘箱的设计历程,描述如何以模糊逻辑来阐释顾客需求,并建立一设计程序,进而建构系统的模糊控制器,使模糊逻辑和模糊控制成为设计者容易掌握,应用的设计工具.
本章节中先对本设计案例的背景作简单介绍,并从中了解顾客需求,第二节则将所得到的顾客需求依其型态不同分别量化为工程规格,再依工程规格完成本案例的系统架构设计,第三节依据完成的设计架构进行硬体制作与整个系统的软硬体整合,第四节进行实验评估及修改,完成整个设计案例的设计制作.
顾客需求了解
当要设计一台模糊控制宠物烘箱,一开始要先对顾客需求有所了解,然后合理的将顾客需求量化为工程规格,如此才能完成顾客真正所需求的产品设计.要了解顾客需求主要可以从顾客的访谈或以问卷调查的方式来了解,当顾客提出他的需求时并不会很明确的产品规格,而通常是对所需的产品功能,规格作大略的口语化描述,所以当设计者接到顾客需求时,往往必须花费很大的心力来处理这些模糊,不明确的顾客需求.
案例简介
对於有养宠物的家庭来说,替宠物梳洗是必要的.但是常常会为了洗完后要如何弄乾宠物而大伤脑筋.一般的宠物主人可能一手拿著吹风机,一手抓著宠物防止宠物乱跑的方式来吹乾宠物皮毛,如此下来必定花费不少宝贵的时间与体力,有的主人只好花钱把宠物送到宠物美容院,给别人清洗,烘乾以减少不必要的麻烦.
而在宠物美容院中,烘乾宠物也是一件麻烦的工作,且要处理的宠物也不少,因此市面上有宠物烘乾机来辅助烘乾宠物的工作,以减少人力处理.店家在帮宠物洗完澡后,只需把宠物放入烘箱内并设定好烘乾时间及温度即可,所以对宠物店来说,宠物烘箱是一项很方便的产品.但是由於市售烘箱构的限制,有很难烘乾宠物腹部的缺点且噪音大,价格不便宜(约二至三万元),因此仅有一些专门的宠物美容院采用,而并不常见於一般家庭中.
本设计案例是设计一台适用於家庭的宠物烘箱,除了有效烘乾宠物及改善市售烘箱的缺失外,在操作手续方面采用模糊控制方法来简化操作步骤.本宠物烘箱以猫作为烘乾对象,之后再扩大范围至适用於其他宠物.
顾客需求
对於顾客需求了解有许多方式,其中对顾客的访谈或作问卷调查是常用的,如有相关产品则对竞争对手的评估也是一项重要的工作.以本设计案例来说,目前市面上已经有专门烘乾宠物的机器,如图3.1所示.
市售宠物烘箱
为了更了解顾客需求,在与宠物店店员进行访谈后,以店员在使用市售烘箱的观点来评估市售烘箱的优缺点.如表3.1所示为目前较广为使用的宠物烘箱机型的评估:
市售宠物烘箱评估
市售宠物烘箱
规格
尺寸:610×480×480 mm3
功能:定时,定温,加热,送风
材质:不锈钢外壳,压克力箱门
送风:单一风向,由上往下送风
加热:电热丝加热
优点
1,有宠物排泄物容器
2,有压克力箱门,避免宠物不安
3,定时,定温控制
缺点
1,耗电量大,噪音大
2,宠物腹部,腿部皮毛不易烘乾
3,须人工调整烘乾时间及温度
由上表可以得知,市售宠物烘箱主要的优点在於有宠物排泄物容器,容易清理烘箱,另外有压克力箱门,避免宠物处於封闭空间产生不安全感,且操作人员也可以观察宠物的情形.而在主要缺点方面,因其送风方式由上往下,且宠物在箱内大多是趴著,因此很难烘乾宠物的腹部,腿部的皮毛.在烘乾的程序中,必须依宠物的体型,毛多寡长短来设定烘乾时间与温度,对於非专业人士来说并不容易设定,且设定不适当的温度更会造成宠物的不舒服.
产品设计的顾客需求对象除了宠物的主人,宠物店店员…等使用者之外,另外可经由专家建议或设计者本身得到其他设计需求.为了对宠物的习性作进一步了解,使得所设计的宠物烘箱更适合宠物,在请教动物医院的医师之后,得知猫的体温约38.5℃,且其习性怕吵杂,不喜欢待在封闭的空间内…等等资讯,可作为设计产品的参考.因此,在经过与宠物主人,店员,动物医院医师…等等顾客的深入访谈以及自行讨论评估的结果,大致可整理出下列几项口语叙述的顾客需求:
顾客需求表
需求
顾客
将湿的宠物烘乾
主人,店员
烘乾完毕则停止
主人,店员
烘乾期间不能太热
主人,医师
尺寸合适,不占空间
主人
需透气,舒适安全
医师,主人
操作简便
店员,主人
安全,易维修
主人,店员
省电
店员,主人
系统设计架构
在了解顾客需求后,设计者须将这些模糊,不明确的顾客需求量化为明确的工程规格,再依据所订定的工程规格制作成品.本节将把口语化的顾客需求量化为明确的工程规格,以完成整个宠物烘箱的设计架构.
工程规格建立
对於顾客需求的叙述,依顾客口语表达可分类为「单一型」以及「关联型」两类.「单一型」是指顾客在提出需求时,针对单一特徵作需求描述.而所谓「特徵」就是指产品的状态或是产品动作的描述,单一型的顾客需求通常为硬体的规格,譬如"我要产品重量轻"就是对"重量"单一的状态特徵作描述,若是顾客要"速度快"此需求,就是指顾客要产品的动作特徵"速度"的要求.而「关联型」则是指顾客描述需求时,针对几个特徵的关系作需求描述,此类型的顾客需求通常是指控制动作,譬如"水温过低时要加热",此口语叙述就是对状态特徵"水温",及动作特徵"加热"两者关系作叙述.因此依顾客口语表达,将表3.2所列的顾客需求分类如下,
「单一型」的顾客需求有:
(1)尺寸合适
(2)需透气
(3)操作简便
(4)省电
(5)舒适安全
「关联型」的顾客需求有:
(1)将湿的宠物烘乾
(2)烘乾完毕则停止
(3)烘乾期间不能太热
对於单一型的顾客需求量化成工程规格的方式,仍采用传统常用的QFD来量化为明确的工程规格.而对於关联型的顾客需求则尝试以模糊逻辑方式来转换,藉以达成顾客需求.
(一)「单一型」顾客需求的处理
单一型的顾客需求转换采用QFD来量化求得工程规格,主要原因是QFD所能处理的顾客需求是以顾客要的是"什麼"的需求,也就是针对单一特徵的设计需求作处理.而单一型顾客需求的口语叙述,譬如"尺寸合适"这个口语叙述所指的也就是顾客要的是"尺寸"此状态特徵的单一设计需求.因此对於单一型的顾客需求采用QFD来量化设定工程规格.表3.3是根据宠物烘箱的单一型顾客需求所拟定的QFD,顾客需求比重范围在1～5之间,而顾客需求与设计规格之间关系:""代表有强烈关系,""代表有稍弱的关系,空白代表没有关系.而竞争对手的性能评估值在1～5之间,藉以了解竞争对手的优缺点,作为设计产品的参考.利用QFD建立需求与工程规格之间关系评估后,可以订定出烘箱设计的目标规格,再依设计目标规格进行后续的概念设计与制作.
宠物烘箱单一型顾客需求QFD表
比重
尺寸
耗电量
透气孔
加热
速度
零件数
市售
烘箱
尺寸合适
3
3
需透气
3
4
操作简便
5
2
省电
3
3
舒适
4
2
安全性高
5
3
单位
mm3
W
mm2
℃/sec
个
---
规格目标
500*500*600
1000
20*20
0.1
<30
市售烘箱
610*480*480
1500
( 5*14
0.2
(二)「关联型」顾客需求的处理
关联型的顾客需求因为口语叙述并非只有针对单一特徵作说明,且此类型需求的关联会随使用过程而改变状态动作,难以利用QFD量化成固定,明确的工程规格.譬如"将湿的宠物烘乾",此叙述并不是单一特徵的描述,而是有牵涉到"湿","烘乾"等两个特徵,也就是有隐含"在什麼状态特徵下,应作什麼动作"特徵的意思,此类型需求包括多个特徵的描述.另外,因为牵涉到系统的动作反应,所以大多数的关联型顾客需求都与产品的性能控制有关.对於产品性能的控制,设计者通常会根据系统的输入状态,系统的输出应该作哪些反应的方式以控制理论来建立控制系统.若利用一般控制理论设计控制系统时,必须建立系统的数学模型,然而并非所有的控制系统都能建立其模型,尤其与使用者经验有关的操作动作更是难以建立数学模型,而且顾客作需求描述时也不一定明确指出系统输出入状态.
所以,对於关联型顾客需求量化方式,本研究尝试利用较能适切描述使用者经验的模糊逻辑来处理.此类型的顾客需求的转换方式是先将顾客需求用「语意分解」方式得到模糊逻辑的语言变数及规则,再依此建立模糊逻辑系统以达到量化为工程规格的目的,以下对宠物烘箱关联型顾客需求的转换作说明.
顾客在表达需求时的叙述通常是"What"的型式表现,也就是顾客本身需要"什麼".而当设计者要实现顾客需求时,会尝试将有"什麼"需求转化成"如何"达到此需求,也就是"How"的型式.设计者可将口语化的顾客需求以使用者经验判断转换为"当…则…"的叙述来思考"如何"达到需求为目的,此转化的动作将其定义为「条件化」,将顾客的口语需求叙述条件化得到「条件式叙述」.条件化后的顾客需求称为「条件式设计需求」.
因此,分别对宠物烘箱各关联型顾客需求进行条件化处理,"将湿的宠物烘乾"这句口语叙述利用使用者的经验判断可以"当宠物皮毛是湿的状况,则利用热风吹乾"方式来达到目的,由此得到在"皮毛是湿"的情况作"吹热风"动作;"烘乾完毕则停止"可用"当宠物皮毛是乾的状况,则停止烘乾"方式来达到目的,从描述中可知在"皮毛是乾"的情况下需作"停止烘乾"的动作;而"烘乾期间不能太热"以使用者的经验可用"当烘乾的温度太高,则改吹凉风"来达到目的,也就是在"温度太高"的情况作"吹凉风"的动作.将上述口语化的关联型顾客需求条件化整理如图3.2所示:
宠物烘箱关联型顾客需求条件化
条件式叙述是由几个状态或动作特徵所组成的,这些状态,动作特徵必须量化为可量测的物理量才能进行控制动作.从条件式叙述中的各个特徵来定义烘箱模糊逻辑系统的「语言变数」.以"皮毛是湿的"为例,此状态特徵以语言变数"湿度"判断皮毛是湿或乾的,而"吹热风"此动作特徵则以语言变数"热量"及"风速"来达到吹热风的要求.图3.3为从条件式设计需求叙述定义满足需求的语言变数:
宠物烘箱语言变数定义
在条件式叙述中的状态,动作特徵除了语言变数外,须给定程度变化的叙述才能完整描述一状态或动作特徵.譬如"皮毛是湿的"转换成"湿度高","皮毛是乾的"转成"湿度低","吹热风"转成"热量高而风速低","吹凉风"转成"热量低而风速高"…等等.程度"高","低"描述给定的方式是根据状态或动作特徵叙述以使用者的经验来判定.这些语言变数的程度也就是模糊逻辑中语言变数的「术语」.因此语意分解的最后步骤,再将条件式设计需求叙述依据语言变数,术语转换成模糊逻辑型式的"IF…THEN…"规则式叙述,其处理方式如图3.4所示:
条件式叙述规则化
整个宠物烘箱的各个关联型顾客需求经过上述程序步骤进行语意分解,最后可以整理得到规则式叙述,表示如下:
IF 皮毛湿度高 THEN 热量高 and 风速低
IF 皮毛湿度低 THEN 热量低 and 风速零
IF 箱内温度高 THEN 热量低 and 风速高
然而在转化成规则式叙述后,程度描述仍须有量化的程度值才能实际运用於产品的功能控制.程度值给定是以模糊逻辑的归属函数来进行量化的定义,下一节将分别定义各语言变数术语及代表程度值的归属函数.
关联型顾客需求的量化
依据上节关联型顾客需求的语意分解步骤,可以了解有哪些语言变数.将宠物烘箱当作系统,则状态特徵为系统输入,而动作特徵为系统输出.因此语言变数再细分,状态特徵衍生的语言变数为输入语言变数,而动作特徵衍生的语言变数则为输出语言变数.利用归属函数的定义来量化语言变数的术语.最后再将关联型顾客需求的条件式叙述以输出入语言变数与模糊规则来完成模糊逻辑控制系统架构.
以下分别为输出入语言变数,归属函数以及模糊规则的定义,
(一)系统输入语言变数定义
根据关联型顾客需求规则式叙述可以得知系统以温,湿度两个特徵状态作反应,也就是可量测之物理量.因此可知宠物烘箱模糊控制系统的输入语言变数有湿度,温度两个变数,分别定义如下:
(1)湿度(Humidity)
配合关联型顾客需求的条件式叙述,宠物的皮毛有湿和乾两种状态.宠物烘箱设计的湿度术语可简单分为"High"和"Low"两个术语,湿度考虑范围在0～99%,两个归属函数是利用使用者经验来定义,根据电子防潮箱对於皮件,织物防潮的相对湿度设定大约40%左右以及使用者对宠物皮毛的感觉来定义术语的程度值.湿度是High的定义是指宠物皮毛的湿度在60%以上,而湿度是Low的定义是指宠物的皮毛的湿度在38%以下,湿度范围在38～60%则依归属度判定.图3.5为湿度归属函数定义:
湿度归属函数定义
(2) 温度(Temperature)
由条件式设计需求的烘箱内温度状态变化,宠物烘箱设计的温度术语可分为"Hot"和"Cold"两个术语,温度考虑范围在0～55℃,两个归属函数的定义是根据猫的体温约38℃以及要烘乾宠物皮毛来考量.温度是Hot的定义是指宠物烘箱内的温度在35℃以上,而温度是Cold的定义是指烘箱内的温度在28℃以下,温度范围在28～35℃则依归属度判定.图3.6所示为温度归属函数定义:
温度归属函数定义
(二)模糊控制系统输出变数定义
根据关联型顾客需求规则式叙述得知烘箱以热量及风速来作反应动作.热量是以电热丝作为加热源,而风速则由风扇转速控制,因此模糊控制系统的输出语言变数定义为风扇风速以及电热丝功率,分别定义如下,
(1)风扇风速(Fan)
宠物烘箱设计的风扇风速术语分为"High","Low"和"Zero",因条件式设计需求中配合"吹热风","吹凉风"及"烘乾停止"三个动作,所以风速的变化至少有三种.风速考虑的范围在0～1.5m/s,其归属函数定义是根据设计者定义,由於电热丝功率限定於1000W,过高的风速将降低烘乾的效果,因此将风速限定在1.5m/s.风速是High的定义是指风扇的风速在1.5m/s以上,风速是Low的定义是指风扇风速在0.5m/s左右,而风速是Zero的定义是指风扇风速在0m/s.图3.7为风扇风速的归属函数:
风扇风速归属函数
(2)电热丝功率(Heat_wire)
根据条件式设计需求中热量变化的要求,宠物烘箱设计电热丝功率的术语分为"High"和"Low",电热丝功率设定考虑到要适用於家庭以及省电的考量,因此范围设定在0～1000W,图3.8为电热丝功率的归属函数:
电热丝功率归属函数
(三)模糊规则推论定义
利用输出入语言变数及术语来表示关联型顾客需求的规则式叙述,也就是将规则式叙述中的状态,动作特徵利用模糊理论的输出入语言变数来表示,而程度及程度值的给定则利用术语和归属函数方式来表示.因此各个关联型顾客需求的规则式叙述可以建立出所需的模糊逻辑控制系统的规则库,如下所示:
1.IF Humidity is HIGH, THEN Heat_Wire is HIGH and Fan is LOW
2.IF Humidity is LOW, THEN Heat_Wire is LOW and Fan is ZERO
3.IF Temperature is HIGH, THEN Heat_Wire is LOW and Fan is HIGH
模糊逻辑控制系统设计架构
经由上述关联型顾客需求转化及量化的过程,可以了解并建构出烘箱模糊逻辑控制架构.输入语言变数为烘箱内的温度(Temperature),宠物皮毛湿度(Humidity),而输出语言变数为风扇风速(Fan)以及电热丝功率(Heat_wire),而模糊规则库以由上述规则式叙述所定义组成.
模糊控制宠物烘箱系统运作流程
整个模糊控制宠物烘箱系统运作流程,如图3.9所示.先以A/D卡(类比/数位转换用)撷取烘箱内的温度(Temperature),宠物皮毛湿度(Humidity)的实际变数值,再进行「模糊化」动作(也就是对应到设定的归属函数值)转换成输入语言变数的术语,比如湿度高或温度低…等等,依据模糊规则推论得到模糊的输出语言变数术语(也就是动作特徵的程度反应),必须再经「解模糊化」的动作,将模糊的语言变数术语转换成真实世界的明确输出变数值,以便控制受控系统,系统依所需的动作以I/O介面卡控制风扇风速(Fan)以及电热丝功率(Heat_wire).解模糊化的方式有许多种(参考附录一),本研究采用中心法(CoM),因为其合理性佳,连续性高且计算效率高,适合用於控制.
在完成模糊控制系统架构的设计,利用套装软体「fuzzyTECH」[3][14]辅助建构系统.系统建构完毕便进行电脑模拟以及侦错的工作.电脑模拟的方式是给定模糊控制系统的输入值,由输入值经模糊逻辑判断后得到输出值,再比较输出值是否如预期的结果.若模拟结果有不合理则修改模糊规则或调整归属函数…等等相关因素,使建构的系统能顺利应用於实际硬体.电脑模拟的工作画面如图3.10所示:
电脑模拟画面
模糊逻辑系统电脑模拟侦错的步骤如下:
将各个输入变数值置於Microsoft Excel.
开启fuzzyTECH Assistant作为Excel和fuzzyTECH沟通桥梁.
开启已建构的模糊逻辑系统,语言变数数据存放的栏位.
进行模拟,经由输入值判定输出值,将输出值置於Excel.
模拟结束后,从输入,输出语言变数的数据评估系统可行性.
调整各项因素,再进行模拟,直到系统评估可行后结束.
经由关联型顾客需求语意分解及转化的过程中可以了解所需的模糊逻辑系统控制流程,藉由规则式叙述,语言变数及术语,再搭配各术语归属函数的定义,完成产品的模糊逻辑控制系统架构.由於整个处理程序大都是直接以使用者经验判断决定,对於此类型顾客需求控制动作可以利用模糊控制来达到要求,不仅除去了建构控制系统数学模型的困难,所以对设计者而言是很直觉的设计方式.在建立整个系统的设计架构后便已经完成设计工作中顾客需求量化的工作,后续便依据各类型的顾客需求量化所得的工程规格来制作整个产品系统的软,硬体,下一节即介绍模糊控制宠物烘箱的制作过程.
模糊控制宠物烘箱制作
在完成顾客需求量化为工程规格,并建立宠物烘箱系统架构后,接下来便依据各项工程规格制作宠物烘箱.整个宠物烘箱的制作可分为两部分,一为烘箱的主体架构,另一为烘箱的控制电路.
宠物烘箱主体制作
本设计案例以实现模糊逻辑在机械设计的应用为目的.在设计研发阶段,暂不考虑烘箱商品化的设计要求,以烘箱主要功能的需求设计制作一实验平台作为设计评估用.经由上一节单一型的顾客需求以QFD量化所得的工程规格来制作宠物烘箱硬体,其工程规格的订定如表3.4所示:
宠物烘箱规格表
项目
规格(单位)
备注
尺寸
500*500*600(mm3)
材质
压克力板
风扇
14吋,70(W),110VAC
电热丝
400(W),600(W)各一条,110VAC
透气孔
20*20(mm2)
耗电量
1250(W)
1000W电热丝
250W控制电路
风速
Fuzzy Control
Max:1.5m/s
电热丝功率
Fuzzy Control
Max:1000W
宠物烘箱实验平台主体架构
宠物烘箱的实验平台如图3.11所示,为了实验观察方便采用压克力板为材质.而加热来源由烘箱底部的两条电热丝提供,功率可达到1000W,并且利用风扇将热气由下往上吹拂藉以烘乾宠物的腹部,腿部的皮毛以及顺著风向将湿气由顶罩的透气孔排出.而在烘箱内除了直接以热风吹拂宠物腹部,并且利用引流板将部分热风送至宠物背部附近,以达到均匀烘乾的目的.
宠物烘箱控制电路
在控制电路部分,藉由上一节关联型顾客需求以模糊逻辑转化的过程可以了解烘箱控制系统的架构.系统输入是利用热敏电阻得知烘箱内的温度,以及利用湿度感测器得知宠物附近的湿度.而系统输出是电热丝功率,以及风扇风速控制.整个控制系统以PC-Base为主,利用PCL-818H A/D卡接收温湿度感测器类比讯号变化,再利用8255 I/O介面卡驱动继电器(Relay)达成风扇及电热丝的多段切换控制目的.整个宠物烘箱控制系统硬体配置如图3.12所示:
宠物烘箱模糊控制系统硬体配置
在模糊控制以中心法解模糊化后的输出值是连续值的变化,在控制方式应采用无段控制方式.但因以无段方式控制,硬体成本将花费较高,所以目前系统输出控制是利用多段方式控制风扇及电热丝.利用三个不同电阻值的水泥电阻来调整风扇转速,使风扇成为三段风速控制,风速分别为0m/s,0.5m/s,1.5m/s.而由单一型顾客需求所订定的电热丝规格得知,以400W,600W两条电热丝互相搭配,输出功率为1000W,使电热丝有四段功率控制,功率分别为0W,400W,600W,1000W.而系统输出值再依其程度比重,由其中一个较接近输出值的段数来控制.风速与水泥电阻搭配关系如表3.5所示.而宠物烘箱I/O多段控制部份电路如图3.13所示.
风速与水泥电阻搭配关系
水泥电阻
风速
备注
56,10W
3(m/s)
实验时作为散热用
150,10W
1.5(m/s)
风速高
220,10W
0.5(m/s)
风速低
无
0(m/s)
风速零
宠物烘箱I/O多段控制电路
宠物烘箱控制程式编写
在了解整个烘箱的运作流程,要控制宠物烘箱的作动,必须编写其控制程式,将系统的输出入整合.控制程式须包含A/D讯号处理,模糊逻辑判断以及I/O控制三个部分.整个宠物烘箱控制系统程式流程,如图3.14所示.
在A/D讯号处理部分,利用处理A/D的副程式驱动PCL-818H A/D卡来抓取湿度模组与热敏电阻的电压讯号,并将电压值换算为湿度,温度值,接收之后等待主程式抓取.
在模糊逻辑判断部分,利用套装软体「fuzzyTECH」来辅助编译模糊逻辑判断的副程式,主程式将烘箱温度,湿度值传至模糊逻辑处理的副程式.经模糊推论判断以及解模糊化后,将风速及电热丝功率值传回主程式.
模糊控制宠物烘箱程式流程
在I/O控制部分,风扇,电热丝功率采用非连续的多段控制,因此在接收模糊逻辑判断的风速及电热丝功率值后根据输出值选择适当的段数来控制I/O驱动继电器控制风扇及电热丝的段数.
在进行I/O控制的同时,纪录温,湿度等数据且动态的绘出温,湿度值以及计算回圈运作时间,假如超过30秒则重新开始,直到使用者按停止键结束程式运作.图3.15为系统的控制程式画面,除了即时显示烘箱温,湿度及风扇,电热丝状态,另外每5秒动态绘出温,湿度与时间关系图.
宠物烘箱控制程式画面
实验模拟与评估
在完成宠物烘箱硬体设计制作及控制程式的编写,并且将整个系统整合以便进行实验模拟与评估修改,使得所设计的产品能符合顾客的需求.另外藉由调整各语言变数术语的归属函数,或设计者自行添加控制规则来实验,使得产品的效能达到更好的效果.
宠物烘箱实验平台
整个实验平台如图3.16所示,主要可分为实验用的宠物烘箱,负责烘箱与电脑沟通的控制电路盒以及负责模糊逻辑判断和驱动控制电路的个人电脑三大部分.在实验评估阶段,以湿的卫生纸取代皮毛湿的宠物来烘乾,将固定的水量倒入卫生纸置於烘箱内的固定位置,湿度感测器置於卫生纸上方侦测卫生纸湿度,而温度感测器置於卫生纸附近侦测被烘物附近的温度,再利用PCL-818H A/D卡接收并纪录温,湿度的变化,经模糊逻辑判断以8255 I/O卡来控制风扇风速及电热丝功率.
如此可以得到以模糊逻辑规则进行控制的实验结果,再以非模糊逻辑方式的控制动作来进行烘乾,比较烘乾的效果如图3.17所示.
宠物烘箱实验数据图
由上图中显示可以发现,若只以1000 W电热丝功率来烘乾(图中以Z11代表),湿气可以快速带走但是其温度变化较剧烈,容易造成宠物不舒适.若单独以1.5 m/s的风速来进行烘乾(图中以H00代表),发现其湿度下降幅度并未达到烘乾的目的,且温度并没有上升.若再以1.5 m/s的风速以及1000 W的电热丝功率来进行烘乾(图中以H11代表),发现其效果介於上述两者之间,此方式比较适合用来进行烘乾动作,但当湿气带走(也就是宠物皮毛已经乾的情形),烘箱内温度会持续上升而湿度持续下降,因此也会造成宠物不舒适,除非设定烘乾时间及温度来停止烘乾.为了操作简便的目的,省去功能设定的麻烦,烘箱必须能自动判定已烘乾完毕而停机.以模糊逻辑规则作控制的宠物烘箱,其实验结果(图中以FC75代表),烘乾效果与H11烘乾方式接近,且有效将温,湿度维持在一定的范围内.
再调整湿度的归属函数,如图3.18所示,来验证模糊逻辑控制是否能如预期的,使烘乾后湿度能维持在一定的范围.将术语"低"由38%以下调整至50%以下,而术语"高"由60%以上调整至70%以上,经实验结果显示如图3.19.
湿度归属函数的调整
调整湿度归属函数的实验比较
图中Fc75代表调整前,也是目前采用的湿度归属函数;而Fc751则是代表调整后的归属函数.实验结果发现,未调整时烘乾后湿度维持在43%左右,而调整后则维持在52%左右.因此可以发现藉由湿度归属函数的调整能达到预期的效果,如此验证本模糊控制器可藉由调整各归属函数,使产品性能达到更好是可行的.
宠物烘箱风速,电热丝实验数据
再观察图3.20的风速与时间及电热丝功率与时间关系图,由於系统输出采用多段控制方式,当系统解模糊化后风速值小於0.25m/s且电热丝功率值小於200W,也就是接近烘乾状态时,控制程式会以风速为0m/s及电热丝功率为0W作控制,关闭风扇及电热丝.但因为室内环境湿度较烘箱内高,随时间增长会造成湿度上升.然而系统输出并非连续性的硬体限制,使得电热丝及风扇并不会马上作动,所以造成湿度在一定范围内振荡.要改善此缺点则必须将系统输出以更多段数的方式甚至采用无段的连续控制.
设计者在完成硬体与控制系统整合后,必须根据实验结果来调整模糊控制系统输入或输出语言变数的归属函数定义或者依设计者判断自行增减模糊规则,甚至有必要调整产品的硬体规格,如此才能完成一个效能好且符合顾客需求的产品设计.
设计案例结语
本章利用模糊控制宠物烘箱作为设计案例,在对於模糊,不明确的顾客需求量化为明确的工程规格的处理方式,先对口语叙述的顾客需求予以分类,单一型顾客需求以常用的QFD来量化,而难以利用QFD处理的关联型顾客需求则尝试以模糊逻辑方式来处理,并且利用模糊逻辑建构产品的控制系统,完成整个产品设计架构,使模糊逻辑和模糊控制成为设计者一套直觉,容易掌握运用的设计工具.