畢業(yè)設計論文~文獻綜述~楊翔

1、 AGV文獻綜述楊翔課題的來源及意義 AGV ( Automatic Guided Vehicle)即自動導引小車，它是一種以電池為動力，裝有非接觸導向裝置和獨立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動化搬運車輛。它的主要特征表現(xiàn)為具有小車編程、停車選擇裝置、安全保護以及各種移載功能，并能在計算機的監(jiān)控下，按指令自主駕駛，自動沿著規(guī)定的導引路徑行駛，到達指定地點，完成一系列作業(yè)任務。其系統(tǒng)技術和產(chǎn)品已經(jīng)成為柔性生產(chǎn)線、柔性裝配線、倉儲物流自動化系統(tǒng)的重要設備和技術。 隨著各種AGV新產(chǎn)品的不斷開發(fā)，如自動牽引車(AGT)，自動導引叉車(AGVT)，無導引線的激光導引車(LGV)等，AGV技術不斷發(fā)展，促成了先進

2、的柔性生產(chǎn)線，自動化物流系統(tǒng)的實現(xiàn)，從而極大地提高了生產(chǎn)自動化程度和生產(chǎn)效率。由于現(xiàn)代化生產(chǎn)觀念日益受到重視，對生產(chǎn)線運行、物流系統(tǒng)的柔性要求越來越高。在產(chǎn)品換型、多種產(chǎn)品混合生產(chǎn)線運行、調整產(chǎn)量、重新組合生產(chǎn)線等方面，AGV必將得到迅速發(fā)展和普及應用，這不僅是現(xiàn)代化工業(yè)迅速發(fā)展的需要，更主要是由AGV本身所獨具的優(yōu)越性決定的。 國外從20世紀50年代在倉儲業(yè)開始使用AGV，目前，其應用己深入到機械加工、家電生產(chǎn)、微電子制造、卷煙等多個行業(yè)，生產(chǎn)加工領域成為AGV應用最廣泛的領域。在國內，AGV的應用也逐漸開始并發(fā)展起來。在制造業(yè)的生產(chǎn)線中，AGV能高效、準確、靈活地完成物料的搬運任務。并且可

3、由多臺AGV組成柔性的物流搬運系統(tǒng)，搬運路線可以隨著生產(chǎn)工藝流程的調整而及時調整，使一條生產(chǎn)線上能夠制造出十幾種產(chǎn)品，大大提高了生產(chǎn)的柔性和企業(yè)的競爭力。1974年瑞典的Volvo Kalma:轎車裝配廠為了提高運輸系統(tǒng)的靈活性，采用基于AGVS為載運工具的自動轎車裝配線，該裝配線由多臺可裝載轎車車體的AGVS組成，采用該裝配線后，裝配時間減少了2096，裝配故障減少39%，投資回收時間減少57%，勞動力減少了5%。目前，AGV在世界的主要汽車廠，如通用、豐田、克萊斯勒、大眾等汽車廠的制造和裝配線上得（磁導式ASV控制系統(tǒng)設計與研究-武漢理工大學碩士學位論文-葉菁）AGV的發(fā)展與現(xiàn)狀自動引導車

4、(AGV)是20世紀50年代開始發(fā)展起來的一種自動化物料搬運設備，能承載一定的質量在出發(fā)地和目的地之間自主駕駛、自動運行。 根據(jù)美國物流協(xié)會定義，AGV是指裝備有電磁或光學等自動導引裝置，能夠沿規(guī)定的導引路徑行駛，具有小車編程與停車選擇裝置、安全保護以及各種移載功能的運輸小車。AGV是現(xiàn)代物流系統(tǒng)的關鍵裝備。它是以電池為動力，裝有非接觸導向裝置，獨立尋址系統(tǒng)的無人駕駛自動運輸車。AGVS是自動導引車系統(tǒng)，它由若干輛沿導引路徑行駛，獨立運行的AGV組成。AGVS在計算機的交通管制下有條不紊地運行，并通過物流系統(tǒng)軟件而集成于整個工廠的生產(chǎn)監(jiān)控與管理系統(tǒng)中。從AGV的發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)有50多年的歷史，

5、隨著應用領域的擴展和用戶要求的提出，自動引導車的種類和形式變得多種多樣，根據(jù)不同的分類方法，如引導方式、驅動轉向形式、充電方式、移載方式，可以把自動引導車分為不同的類型。20世紀50年代是AGV的研發(fā)開始階段，美國Barrett電子公司十此時開發(fā)成功了第一臺AGV ，它是一種牽引式小車，由該小車組成的系統(tǒng)于1954年在South Carolina州Columbia市的Mercury Motor Freight公司投入運行。20世紀60-70年代是AGV的發(fā)展階段，除Barrett公司以外，Webb和Clark公司在AGV市場中也占有相當?shù)姆蓊~。由于這時期歐洲公司已對托掀的尺寸與結構進行了標準化

6、，使得AGV的發(fā)展速度加快。到70年代中期歐洲約裝備了520個AGVS系統(tǒng)，共有4800臺AGV。20世紀80年代末，國外的AGV達到發(fā)展的成熟階段，此時美國的AGV生產(chǎn)廠商從1983年的23家劇增至1985年的74家。1984年，通用汽車公司便成為AGV的最大用戶，1986年已達1407臺(包括牽引式小車、叉車和單兀裝卸小車)，1987年又新增加1662臺。與此同時口本的AGV發(fā)展也比較迅速，1966年一家運輸設備供應廠與美國的Webb公司合資開設第一家AGV工廠。到1988年，口本AGV制造廠已達20多家，如大福,Fanuc公司、Murata(村田)公司等。到1986年，口本累計安裝了23

7、12個AGV S，擁有5032臺AGV o目前，全世界AGVS保有量在16000套以上，AGV在10萬臺以上。近年來，國內AGV的應用也受到越來越多的重視，2000年以前主要有沈陽新松、云南昆船、北京起重機械研究所等幾個生產(chǎn)廠家，且沒有成批生產(chǎn)。目前，除上幾家外，安徽合力、上海新奧托、北京機科、吉大易飛、泊頭中山、深圳口東電子、上海大福等廠家紛紛積極搶占國內市場。全國AGVS不超過60套，AGV不超過400臺，其中煙草和汽車行業(yè)應用最多，已有20多家采用了AGV，其中絕大部分采用激光導引技術和電磁導引技術。雖然國內AGV還沒有成批量生產(chǎn)，但其發(fā)展趨勢和發(fā)展前景是非常樂觀的?，F(xiàn)代AGV的應用領域

8、已十分廣泛，主要應用領域有制造業(yè)、倉儲業(yè)、港口碼頭、食品化工、煙草等行業(yè)，并且在郵局、書館、醫(yī)院和危險工作地點等場所也有廣泛的應用前景。如通用、豐田、大眾等汽車廠的制造和裝配線上AGV都得到了普遍應用。海爾集團十2000年投產(chǎn)運行的開發(fā)區(qū)立體倉庫中，9臺AGV組成了一個柔性的庫內自動搬運系統(tǒng)，成功地完成了每天23400件的出入庫貨物和零部件的搬運任務。玉溪紅塔集團、紅河卷煙廠在應用激光引導的AGV完成托招貨物的搬運工作。 （AGV驅動轉向一體化機構及其導航控制研究-吉林大學碩士學位論文-谷玉川)AGV系統(tǒng)組成AGV主要由以下幾個功能模塊組成:主控單元，導引單元，驅動單元，通訊單元，安全與輔助單

9、元和供電單元等，如圖所示。其中主控單元即車載控制系統(tǒng)是整個AGV的核心部分，在硬件上一般用PLC控制器或單片機實現(xiàn)。它是小車行駛和進行作業(yè)的直接控制中樞，主要完成的功能為:接受主控計算機下達的命令、任務;向主控計算機報告小車自身狀態(tài)(包括小車目前所處的位置，運行的速度、方向、故障狀態(tài)等);根據(jù)所接受的任務和運行路線自動運行到目的裝卸站，在此過程中，自動完成運行路線的選擇，運行速度的選擇，運行方向上小車之間的避讓，安全報警等。導引單元的功能在于保證小車沿正確路徑行走，并保持一定精度要求。近幾十年來，隨著研究的深入，許多新的導引定位方式被逐漸采用，使得AGV的性能得到長足發(fā)展，主要表現(xiàn)在路徑設定更

10、加靈活機動、變更更加簡單易行，同時賦予機器人感知和回避障礙性能以及多輛小車協(xié)調工作等許多方面。AGV的導引方式按有無導引路線可分為三種，一是固定路徑方式，包括電磁制導方式、光學控制帶制導方式、激光制導方式和超聲波制導方式;二是半固定路徑方式，包括標記跟蹤方式和磁力制導方式;三是無路徑方式，包括地面幫助制導方式、用地圖上的路線指令制導方式和在地圖上搜索最短路徑制導方式。驅動單元根據(jù)主控信號完成小車的加速，減速，起，制動和轉彎。主要由車輪、減速器、制動器、電機及速度控制器等部分組成。AGV驅動命令由計算機或人工控制器發(fā)出，它激勵主動力接觸器線圈將電源接通驅動電機速度控制器。驅動的速度與方向是兩個獨

11、立的變量，分別由計算機控制。為了安全，制動器的制動力由彈簧力產(chǎn)生，這樣在緊急斷電故障時仍能提供制動能力。采用電氣解脫松開是這類制動器通常的做法。速度調節(jié)可采用不同的方法，如用脈寬調速或變頻調速等。AGV在直線行走、拐彎和接近停位點時要求不同的車速，直線行走速度可高達1 m/s，拐彎時為0. 2m/s-0. 6m/s，接近停位點時為0. 1 m/s o緊急停車繼電器獨立于微型計算機之外，其通斷狀態(tài)應由與安全有關的系統(tǒng)(如車擋與按鈕等)來確定。通訊單元實現(xiàn)控制臺與AGV的信息交換。一般采用無線局域網(wǎng)通訊方式。運行中的AGV通過無線局域網(wǎng)通訊系統(tǒng)與AGV交換信息。實現(xiàn)AGV之間的避撞調度，工作狀態(tài)檢

12、測，任務的調度。 安全與輔助單元是為保護AGV自身及現(xiàn)場人員，運行環(huán)境設施的安全而采用的多級硬、軟件安全措施。為了避免AGV在系統(tǒng)出故障或有人員經(jīng)過AGV工作路線時出現(xiàn)碰撞，一般都帶有障礙物探測及避撞、警音、警視、緊急停止等裝置。 供電單元可隨時檢測AGV小車自身的電池容量，當電池容量下降到一定值時，就會向系統(tǒng)發(fā)出充電需求的信號，由系統(tǒng)向該臺AGV發(fā)出充電命令(此命令有絕對的優(yōu)先權)。當AGV到達充電站后，系統(tǒng)通過I/O接口控制地面充電設備，對其進行充電。充滿后，充電需求信號消失，AGV小車可繼續(xù)接受其他任務。 AGV系統(tǒng)組成結構示意圖安全保護 為了避免碰撞產(chǎn)生的負面影響，確保運行環(huán)境中人和物

13、的安全，AGV自身的防護設施非常重要。除設有非接觸式光電探測外，還裝有急停擋板等機械安全防護措施。 在實際應用中，每臺AGV都會設置有障礙物接觸式緩沖器。一般地，障礙物接觸式緩沖器設置在AGV車身運行方向的前后方，緩沖器的材料具有彈性和柔軟性，這樣，即使產(chǎn)生碰撞事故，也不會對與之碰撞的人和物及其自身造成大的傷害，故障解除后，能自動恢復其功能。緩沖器的寬度，在正常情況下，大于或等于車身寬度，當產(chǎn)生碰撞事故時，緩沖器能及時使自動搬運車停車。障礙物接觸式緩沖器是一種強制停車安全裝置，它產(chǎn)生作用的前題是與其它物體相接觸而發(fā)生一定的變形，從而觸動有關限位裝置，強行使其斷電停車。顯然，這種機構的作用將受到

14、路面的光滑平整度、整車及載貨重量、運行速度、限位裝置的靈敏度等因素的影響，其安全保護措施是終端安全保護屏障。移動結構AGV驅動的方式大致可分成兩種，一種為兩臺電機各置于左、右兩邊，利用兩臺電機正、反轉的運作與兩輪差速的方式達到左右轉，前進后退或停止，即差速型。另一種方式則類似汽車的轉向及傳動方式，即前輪為轉向輪，后輪為驅動輪，稱為舵輪型。前輪利用伺服電機控制連接前輪的連桿，帶動前輪左、右轉向，而后輪直接利用步進電機與減速機構帶動承載車前進，停止或后退。 圖2.差速型轉向流程圖這兩種傳動方式有不同的控制流程，第一種利用兩個左、右電機差速轉彎，因此控制流程圖如圖2所示。經(jīng)由傳感器感應地面軌道回傳轉

15、向訊號后，馬上經(jīng)由控制系統(tǒng)判斷轉向位置，當位置正確時承載車則繼續(xù)前進，反之，電機即會繼續(xù)轉向直到傳感器與地面軌道子系統(tǒng)回傳直行訊號。此種傳動方式當承載重量過大(如大于5公斤)時，可能會因電機扭力不足無法作動。而第二種則類似汽車轉向及傳動方式，如圖3所示，經(jīng)由傳感器與地面軌道子系統(tǒng)回傳轉向訊號后即時判斷，控制步進伺服電機旋轉的角度后，輸出訊號讓承載車繼續(xù)前進。 圖3.舵輪型轉向流程圖舵輪型AGV是由作為導向電機的位置控制器和作為運行驅動電機的速度控制器組成，但一般對速度控制器的要求不高。由于其運行速度對運行特性有影響，對于同一輛AGV，速度增加時，系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性變差，因此，只要導向系統(tǒng)滿足AGV

16、最高速度運行時的響應要求，也就可以滿足其他狀態(tài)下的響應要求。另外，負載變化的干擾對舵輪型AGV的導向系統(tǒng)影響較小，這對其運行導向系統(tǒng)的設計和調試很有利。（磁導式ASV控制系統(tǒng)設計與研究-武漢理工大學碩士學位論文-葉菁）電機選擇 自動引導車是電動車的一種，而電機是電動車的驅動源，提供給整車提供動力。目前常用的電動車輛驅動系統(tǒng)有二種: 一種是直流電機驅動系統(tǒng)，20世紀90年代前的電動汽車幾乎全是直流電機驅動的。直流電機本身效率低，體積和質量大，換向器和電刷限制了它轉速的提高，其最高轉速為6000-8000r / min。日本的“Lanser”電動車，馬自達公司的“Bango車等使用的都是直流勵電動

17、機;但由十其缺點目前除了小型車外，電動車很少采用直流電機驅動系統(tǒng)。 第二種是感應電機交流驅動系統(tǒng)。該系統(tǒng)是20世紀90年代發(fā)展起來的新技術，目前尚處十發(fā)展完善階段。電機一般采用轉子鼠籠結構的二相交流感應電動機。電機控制器采用矢量控制的變頻調速方式。其具有效率高、體積小、質量小、結構簡單，免維護、易十冷卻和壽命長等優(yōu)點，該系統(tǒng)調速范圍寬，而且能實現(xiàn)低速恒轉矩，高速恒功率運轉，但交流電機控制器成本較高。目前，世界上眾多著名的電動汽車中，多數(shù)采用感應電機交流驅動系統(tǒng)。 第三種是永磁同步電機交流驅動系統(tǒng)，其中永磁同步電機包括無刷直流電機(BDCM)和相永磁步電機(PMSM) 。PMSM 和 BDCM相

18、比，永磁同步電機交流驅動系統(tǒng)的效率較高，體積最小，質量最小，也無直流電機的換向器和電刷等缺點。但該類驅動系統(tǒng)永磁材料成本較高，只在小功率的電動汽車中得到一定的應用。但永磁同步電機是最有希一望的高性能電機，是電動汽車電機的發(fā)展方向。AGV分類：按引導形式分類：AGV按照不同的導引方式可以劃分為: GPS導引，電磁導引，慣性導引，直接坐標導引，磁帶導引，激光導引，光學導引，圖像識別導引等。電磁引導：電磁導引是較為傳統(tǒng)的導引方式之一，目前仍被許多系統(tǒng)采用，它是在AGV的行駛路徑上埋設金屬線，并在金屬線加載導引頻率，通過對導引頻率的識別來實現(xiàn)AGV的導引。電磁導引主要優(yōu)點是引線隱蔽，不易污染和破損，導

19、引原理簡單而可靠，便于控制和通訊，對聲光無千擾，制造成本較低。電磁感應傳感器主要是由兩個感應線圈組成的，可同時采入導引線的感應信號。通過比較兩個線圈中信號的強弱便能得到電磁感應傳感器的偏移量，通過一定的導引計算后就可實現(xiàn)AGV的電磁導引。磁帶引導： 磁帶導引技術與電磁導引相近，不同之處在于采用了在路面上貼磁帶替代在地面下埋設金屬線，通過磁感應信號實現(xiàn)導引。磁帶導引靈活性比較好，改變或擴充路徑較容易，磁帶鋪設也相對簡單。但此導引方式易受環(huán)路周圍金屬物質的干擾，由于磁帶外露，易被污染，對機械損傷極為敏感，因此導引的可靠性受外界因素影響較大。適合于環(huán)境條件較好，地面無金屬物質干擾的場合。磁帶導引原理

20、與電磁導引原理基本相同。激光引導： 激光導引是在九十年代初期開始采用的先進的導引方式，是除GPS(衛(wèi)星定位系統(tǒng))外唯一不需進行地面處理的導引方式。激光導引是在AGV行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過發(fā)射激光束，同時采集由反射板反射的激光束，來確定其當前的位置和方向，并通過連續(xù)的三角幾何運算來實現(xiàn)AGV的導引。此項技術最大的優(yōu)點是，AGV定位精確;地面無需其他定位設施;行駛路徑可靈活多變，能夠適合多種現(xiàn)場環(huán)境，它是目前國外許多AGV生產(chǎn)廠家優(yōu)先采用的先進導引方式。慣性引導： 慣性導引是在AGV上安裝陀螺儀，在行駛區(qū)域的地面上安裝定位塊，AGV可通過對陀螺儀偏差信號與行走距離編碼器

21、信號的綜合計算，及地面定位塊信號的比較校正來確定自身的位置和方向，從而實現(xiàn)導引。 此項技術在航天和軍事上較早運用，其主要優(yōu)點是技術先進，定位準確性高，靈活性強，便于組合和兼容，適用領域廣，已被國外的幾家AGV生產(chǎn)采用。 采用壓電晶體(石英)陀螺作為陀螺導引AGV的導引器件。其特點是體積小、結構簡單、可靠性高、使用壽命長。 陀螺的工作原理簡單地說，就是陀螺在電信號的作用下通過壓電效應以恒定的頻率作等幅振動，當其旋轉時受到一個阻且:其轉動的慣性力作用，從而激發(fā)了垂直于原振動平面的振動，這一感生振動的振幅與轉動角速率成正比，它通過石英的壓電效應產(chǎn)生一個電信號，從而能夠感測轉動角速度。 通過對AGV轉

22、向角速度的計算，及行走距離和地面定位塊對它的修正，就可得到AGV的實時位置。按驅動模式分類： 按驅動形式AGV可分為3種驅動類型:單輪驅動模式(SD一一SteerDriving)，差速驅動模式(Differential Driving)和全方向驅動模式QUAD (QuadMotion)。 單輪驅動是指用一個驅動輪兼有行走和轉向功能，兩個從動輪為固定腳輪，在穩(wěn)定性不夠時，可增加活動腳輪為輔助支撐。此種驅動方式的AGV其運動性能稍差，轉彎半徑較大，但導引的可靠行高。 差速驅動是指AGV左右對稱安裝兩個不帶轉向的驅動輪，以2個或多個活動腳輪為從動輪，依靠左右輪的差速來實現(xiàn)轉向，差速驅動模式的AGV能

23、夠實現(xiàn)單輪驅動的一切功能，轉彎半徑小，靈活性較好，但由于差速模式的限制，驅動輪的磨損較為嚴重。全方向驅動是指以2個驅動輪，均兼有行走和轉向功能，以2個或多個活動腳輪為從動輪，一般2個驅動輪安裝于AGV的前后兩端，當兩個驅動輪轉向角度值相同，方向相反時可實現(xiàn) 2XSD方式的運動(與單輪驅動相同);當兩個驅動輪轉向角度方向相同時可實現(xiàn)平行移動，即AGV的航向角(姿態(tài))不變;當兩個驅動輪轉動900，AGV可按差速模式運動，因此，QUAD型AGV是目前最靈活的，但由于機構復雜，控制硬件成本和控制難度都會相應增加。 (AGV車載控制原理研究-昆明理工大學-碩士學位論文-朱江)測速（測距）傳感器 在測量旋

24、轉體的速度時需要用轉速傳感器檢測轉速。常用的轉速傳感器有以下幾種: 1,測速發(fā)電機 測速發(fā)電機的工作原理類似于發(fā)電機的工作原理，兩者都是將轉動的機械能轉換成電信號輸出。當測速發(fā)電機工作時，在某一瞬間其輸出電壓U、與角速度。成正比，而極性由旋轉方向確定。測速發(fā)電機適合于測量轉速較高的旋轉物體速度。 2,霍爾轉速傳感器 霍爾轉速傳感器是利用霍爾開關元件測轉速的。在待測旋轉體的轉軸上裝上一個圓盤，在圓盤上裝上若干對小磁鋼愈多分辨率越高?；魻栭_關固定在小磁鋼附近，當旋轉體以角速度M旋轉時，每當一個小磁鋼轉過霍爾 3、光電轉速傳感器 直射式光電轉速傳感器開孔圓盤的轉軸與轉軸相連接，光源的光通過開孔盤的孔

25、和縫隙板射到光敏元件上，開孔盤隨旋轉體轉一周，光敏元件上照到光的次數(shù)等于盤上的開孔數(shù)。若開孔數(shù)為60，測量的時間為t，測量到的脈沖數(shù)為N，則轉速如下，單位為r/min。 n=N/(t*60)/60=N*t位置識別 AGV的位置卻是AGV導航控制的一個最基本的問題。位置識別大致可分為兩種:一種是利用檢測運動狀態(tài)的內部傳感器進行導航位置推算，另一種是利用外傳感器收集環(huán)境信息進行位置識別。按照第一種識別方法，隨著移動距離的增加，所得到的機器人位置累積誤差將逐步加大，因此僅在近距離移動時才有可能使用這種方式來導航。而后者利用外部傳感器求得環(huán)境信息，并根據(jù)這一信息進行位置識別，進而完成環(huán)境識別。 內部位

26、置識別測量輪式移動機器人運動狀態(tài)的最簡單方法就是根據(jù)車輪的旋轉角度得到移動機器人與道路的相對位置，這一方法的弊病在于車輪直徑的誤差、車輪輪距誤差及車輪打滑和震動等帶來的各種誤差。綜合利用慣性坐標系的運動進行測量的線加速度傳感器和角加速度傳感器來進行導航位姿推算，就能解決上述方法中存在的接觸面上的滑動等問題，這種方法稱為慣性導航。利用內部傳感器進行位姿識別的最好方法是通過使用絕對量傳感器來獲得移動機器人的絕對方位，如使用陀螺、GPS等精密測量裝置，但這類儀器一是受周圍環(huán)境影響較大，二是價格較高。外部位置識別 利用從外部得到的信息來進行位姿識別的方法用許多種，圖4所示為目前正在研究的或是己實用化的

27、方法，大致可分為利用專用標記和利用環(huán)境中已有物體的兩種方式。 圖4.利用外部傳感器的位置識別方法分類 綜合以上幾種位姿識別方法，可以看到在輪式移動機器人上測量車輪移動距離的方法受自身及環(huán)境的影響較大，但是其優(yōu)點并不能埋沒:測量方法及實現(xiàn)簡單、實時性較好、成本低，因此目前輪式移動機器人大都使用這種方法實現(xiàn)位姿識別，首先我們列出差速驅動機器人的微運動狀態(tài)方程，然后來推導兩輪差速驅動移動機器人的導航推算公式。運動學模型建立 運動學模型主要根據(jù)運動學方面的理論直接求得伺服電機端電壓與車速的關系，在這種模型中，自動導引小車的速度只與電機端電壓及電機電樞回路的時間常數(shù)有關，而忽略了車體質量、摩擦阻力對車速

28、的影響。自動導引小車的運動學模型是基于以下幾點假設:自動導引小車是剛性的;自動導引小車運動在水平面上;自動導引小車的左、右輪受力相等，且車輪與地面之間沒有相對滑動;自動導引小車的車體質量、摩擦阻力、負載等的變化對車速的影響忽略不計。（自動導引小車路徑跟蹤控制策略的研究-武漢理工大學-張勇波）幾種控制算法的比較 在目前，人們所采用的自動控制方法有三種，這就是經(jīng)典控制方法、現(xiàn)代控制方法和智能控制方法。 經(jīng)典控制理論是過去人們常用的控制理論，這種控制理論只能解決線性定常系統(tǒng)的控制問題。線性是指系統(tǒng)的輸入量和輸出量的關系是線性的，定常是指系統(tǒng)的輸入和輸出量的關系是恒定的，并不隨時間的變化而變化。經(jīng)典控

29、制方法是以傳遞函數(shù)為基礎實現(xiàn)的。一般的工業(yè)生產(chǎn)過程較多屬于線性定常系統(tǒng)。故可以用經(jīng)典控制方法來控制，經(jīng)典控制方法最典型的就是PID控制方法。其調節(jié)品質取決于PID控制器各個參數(shù)的整定。 現(xiàn)代控制理論可以解決時變系統(tǒng)的控制問題，在時變系統(tǒng)中，輸入量和輸出量的關系隨時間的變化而變化。故而現(xiàn)代控制理論在航空航天和軍事上有很大的作用?，F(xiàn)代控制方法是以狀態(tài)方程為基礎實現(xiàn)。 無論是經(jīng)典控制還是現(xiàn)代控制方法，它們都要求知道系統(tǒng)的數(shù)學模型才能執(zhí)行控制，如果沒有數(shù)學模型，它們對系統(tǒng)就無能為力了。 然而在實際中，有的復雜過程是根本無法求取其數(shù)學模型，或難以求取數(shù)學模型的。因此，采用經(jīng)典控制或現(xiàn)代控制方法都無法解決

30、問題。 自從1974年英國的Mamdani首次用模糊邏輯實現(xiàn)對蒸汽機的控制之后，模糊控制就成為一種有別于經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制的新的控制方法。模糊控制是基于人們的經(jīng)驗的，而經(jīng)驗是人們智能活動的結晶，故而模糊控制反映著人們的智能對生產(chǎn)過程的自動控制作用。故而模糊控制是比經(jīng)典和現(xiàn)代控制更高一級的控制方法智能控制方法。智能控制方法是現(xiàn)在發(fā)展起來的最新控制方法，目前還在不斷完善和發(fā)展之中，模糊控制則是智能控制方法中的一種方法。由于模糊控制采用人的經(jīng)驗規(guī)則，有時也稱經(jīng)驗控制或規(guī)則控制，模糊控制有如下幾個優(yōu)點: 1、無需預先知道被控制對象的精確數(shù)學模型，所以，可以對那些數(shù)學模型難以求取獲無法求取的對象進行有效

31、控制; 2、由于控制規(guī)則是以人的經(jīng)驗總結出來的條件語句表示的，所以，對于對模糊控制論不熟悉的人來說，也很容易學懂和掌握模糊控制的方法; 3、對被控對象的參數(shù)變化有較強的魯棒性;4、由于表示控制知識是以人的語言形式，故有利于人機對話和系統(tǒng)的知識處理，從而有利于系統(tǒng)處理的靈活性和機動性。根據(jù)上述對幾種自動控制方法的分析，結合本運動控制器的特點，本設計采用模糊控制。事實上由于模糊控制的上述特點，使人們日益樂于應用。目前，在家用電器、工業(yè)生產(chǎn)過程、專家系統(tǒng)都大量采用模糊控制方法。（自主移動機器人控制技術研究-哈爾濱工程大學-王洪濤）模糊控制算法概述模糊控制是近代控制理論中建立在模糊集合論基礎上的一種基

32、于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，它是智能控制的一個重要的分支，是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的智能控制。模糊集合和模糊控制的概念是由美國加利福尼亞大學的自動控制教授L. A. Zadeh在其Fuzzy Sets), (Fuzzy Algorithm和A Relational for FuzzyControl等著名論著中首先提出的，模糊集合的引入可以將人的判斷、思維過程用比較簡單的數(shù)學形式直接表達出來，從而對復雜系統(tǒng)做出符合實際和人類思維方式的處理，并使得有人的經(jīng)驗參與的控制過程成為實際可能。 1973年，L. A. Zadeh教授又進一步研究了模糊語言處理，給出了模糊推理的理

33、論基礎。自從1974年英國Mamdani制造出用于鍋爐和蒸氣機的第一個模糊控制器以來，模糊控制理論和應用技術的發(fā)展歷史只有短短的30多年，雖然其發(fā)展歷史很短，但是發(fā)展速度之快、成果之多以及世人重視之程度卻是少有的，特別是1987年在日本，基于模糊控制的仙臺地鐵開通以后，各種家電的模糊控制產(chǎn)品相繼研制成功冰進入市場，如洗衣機、照相機、攝像機、復印機、吸塵器、電冰箱、微波爐、電飯鍋、空調器、電視機、淋浴器等，這些家電產(chǎn)品在節(jié)約能源、方便使用以及使用效果方面更富有“人情味”，更符合人的實際生活。同時，各種各樣的模糊控制系統(tǒng)也被研制成功。例如，各種熔爐、電氣爐、水泥生產(chǎn)爐的控制系統(tǒng)、核電站的供水系統(tǒng)、

34、汽車控制系統(tǒng)、電梯升降機控制系統(tǒng)、機器人控制系統(tǒng)，以及活躍于航空、宇宙、通信領域的專家系統(tǒng)。這些模糊控偉f系統(tǒng)的應用取得了明顯的效益，并且受到了人們普遍的重視。 模糊理論與應用的研究以及模糊產(chǎn)品的開發(fā)像一股強勁的風浪席卷世界各地。1989年，模糊理論的創(chuàng)始人L. A. Zadeh教授指出:模糊理論是對“徹底的排除不明確事物只以明確事物為對象”的科學界傳統(tǒng)所做的挑戰(zhàn)。這種理論對于如何處理與對待不明確事物，所依據(jù)思路與過去的科學實質上完全不同。他認為模糊理論今后將在兩個領域取得較大進展:一是熟練技術者替代系統(tǒng)，這種系統(tǒng)將人無意識進行的操作由機器替代，如日本仙臺地鐵的自動駕駛系統(tǒng);二是替代專家的專家

35、系統(tǒng)。為使專家頭腦中所進行的思考與決策能實現(xiàn)自動化，模糊理論將起重要的作用。當然，模糊控制并不能解決所有可能性的問題，但是，只要不回避現(xiàn)實中的不確定事物，并加以認真對待，就有可能大大的提高在不確定(模糊)環(huán)境中進行智慧思考與決策的人及機器的能力。 L. A. Zadeh教授提出的模糊集合論，其核心是對復雜的系統(tǒng)或過程建立一種語言分析的數(shù)學模式，使自然語言能直接能夠直接轉化為計算機所能接受的算法語言。模糊集合理論的誕生為處理客觀世界中存在的一類模糊性問題提供了有力的工具，同時，也適應了自適應科學發(fā)展的迫切需要。 模糊邏輯與模糊控制的研究與應用發(fā)展是很迅速的，研究成果主要集中以下幾個國家和地區(qū)：(

36、1)日本模糊控制技術的研究與應用 當代的一些高新技術的發(fā)展似乎有這樣一個趨向，即歐洲以理論研究為主導，美國將技術研究作為熱點，而日本則從事應用技術的開發(fā)工作。在模糊控制技術的應用開發(fā)上，日本起步較早并率先推出商品，而且，逐漸成為這項技術的主導國家，在模糊控制技術的應用研究方面，日本已經(jīng)走在世界的前列。從20世紀70年代初，日本就開展模糊控制的研究。1972年日本關東地區(qū)成立了模糊系統(tǒng)研究會，1980年關西地區(qū)成立了模糊科學研究會，接著在1989年創(chuàng)建了國際模糊工程研究所(LIFE)，并且在這一年有關模糊技術的產(chǎn)品年產(chǎn)值就達到10億日元，其中真正以模糊技術為核心的產(chǎn)品約占十分之一。日本在應用方面

37、最典型的成果有:仙臺地鐵的模糊控制系統(tǒng);三菱、日立和富士分別開發(fā)的電梯模糊控制系統(tǒng):理光研究的聲音模糊識別系統(tǒng);日本電機硝子開發(fā)的玻璃熔化爐模糊控制系統(tǒng):大日本涂料開發(fā)的彩色印刷圖像評價系統(tǒng);NTT和法政大學合作研制的模糊推理系統(tǒng)等。日本將模糊控制技術作為跨世紀的熱點技術，幾乎每天都有新的模糊控制產(chǎn)品問世。(2)美國和歐洲模糊控制技術的研究狀況 美國的模糊工程是從美國宇航管理局(NASA)開始的。NASA早在1966年就給Zadeh提供經(jīng)費。目前，美國在模糊控制方面的研究僅次于日本。在美國，從20世紀80年代就開始研制模糊控制器。最早應用模糊邏輯控制的是水泥生產(chǎn)的控制，Lafarg。公司在世界

38、各地的水泥窯爐中有25個使用了包含模糊邏輯的G2實時專家系統(tǒng)。1993年IEEE神經(jīng)網(wǎng)絡協(xié)會的刊物(IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEM)在美國創(chuàng)刊，這是模糊系統(tǒng)理論已經(jīng)作為一個獨立學科發(fā)展的標志。美國政府機構(主要是美國國防部)也開始致力于神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊邏輯的研究，除了休斯頓的約翰遜宇航中心把模糊邏輯應用于航天飛行器的對接和姿態(tài)控制外，位于華盛頓特區(qū)的NASA格達特宇航飛行中心也把模糊邏輯應用于機器人控制和圖像處理，加州的NASA艾姆茲研究中心也在進行信息處理的模糊應用研究。 歐洲對模糊邏輯的研究主要集中在模糊控制上。英國倫敦大學的Mamdani教授于1974年

39、首先把模糊理論應用于鍋爐和蒸氣機的控制，開創(chuàng)了模糊控制的先河;1976年的英國的R. M. Tong發(fā)表了第一篇有關模糊控制的論文;德國政府對模糊控制技術的開發(fā)應用極為重視，并已經(jīng)投入了8億美元進行模糊邏輯及相關技術的研究，Inform公司是其主要的研究單位之一，第三代模糊微處理器Fuzzy-166芯片就是由工nform公司和Siemens公司聯(lián)合開發(fā)的。Fuzzy-166是一個具有具有推理命令、模糊化命令和解模糊命令的模糊芯片。1991年春，在漢諾威工業(yè)博覽會上展出了一輛用于用模糊邏輯研究復雜動態(tài)問題的控制作用而制作的模型小車。由于德國本身所具有的先進工業(yè)技術和科研條件，在模糊控制技術的硬件

40、方面也已經(jīng)毫不費力的走在了世界的前列。(3)我國模糊控制技術的研究與發(fā)展狀況我國在模糊理論和應用方面的研究起步較晚，但發(fā)展很快。1981年成立了中國模糊系統(tǒng)和模糊數(shù)學學會，并創(chuàng)辦了世界上第二種模糊專業(yè)學術期刊一模糊數(shù)學。隨著模糊理論及其技術的發(fā)展，該刊在1987年改名為模糊系統(tǒng)與數(shù)學。目前，我國己經(jīng)成為模糊數(shù)學研究的四大力量之一(美國、西歐、日本及中國)，也是世界上模糊控制技術研究的領先者之一。在模糊數(shù)學瑾論方面的研究成果已經(jīng)引起國際模糊界的特別關注和重視，模糊技術的應用研究也在穩(wěn)步的發(fā)展。1979年，李寶緩、劉志俊等人用連續(xù)數(shù)字仿真方法研究了典型模糊控制器的性能;1988年3月由北京師范大學

41、汪培莊教授及其博士生張洪敏等研制成功的模糊推理機分離元件樣機，成功地實現(xiàn)了控制倒擺試驗;1984年李太航和沈祖良推出了語義推理的自學習算法;1987年，張洪敏和張志明研制成功我國第一臺模糊推理機:1993年汪培莊的博士生劉增良先后參加國家自然科學基金重大項目“模糊信息處理與機器智能”等，并提出“因素神經(jīng)網(wǎng)絡理論(FNN)，在此基礎上開發(fā)完的“模糊控制計算機系統(tǒng)”和“基于FNN的學習型模糊推理控制機”等一系列成果都達到了世界先進水平。玻璃拉管線模糊控制器、電冰箱模糊控制器、可編程序模糊控制器BFEC-898系列產(chǎn)品、水泥廠礦石破碎機的模糊控制系統(tǒng)都已形成產(chǎn)品并投入運行。近年來，我國也推出了電烤箱

42、、電烤柜模糊控制器、”模糊控制燃氣快速熱水器、模糊控制自動恒溫器、燈光恒照度模糊控制器、模糊全自動洗衣機和模糊電飯鍋等產(chǎn)品，標志著我國模糊技術的應用研究也有了長足的進步。毫無疑問，我國在模糊邏輯控制的研究和應用開發(fā)上已經(jīng)達到了一定的規(guī)模，形成了高新技術領域的研究熱點技術。模糊控制的特點 模糊控制最重要的特征是反映人們的經(jīng)驗以及人們的常識推理規(guī)則，而這些經(jīng)驗是常識推理規(guī)則是通過語言來表達的。對于用語言表達的這種經(jīng)驗，必須給出一種描述的方式，而且這種經(jīng)驗是多種多樣的。模糊控制個規(guī)則綜合考慮眾多的控制策略，是一種常識推理規(guī)則。以模仿人類人工控制特點而提出的模糊控制雖然帶有一定的主觀性和模糊性，但往往

43、是簡單易行且行之有效的。模糊控制的任務正是要用計算機來模擬這種人的思維和決策方式，對這種復雜的生產(chǎn)過程進行控制和操作。因而模糊控制具有一下特點。 1)模糊控制工程的計算方法雖然是運用模糊集合理論進行的算法，但最后得到的控制規(guī)律是確定的、定量的條件語句。 2)不需要根據(jù)機理與分析建立被控對象的數(shù)學模型。對于那些數(shù)學模型難以建立，甚至是不可能建立但是人們又有豐富控制經(jīng)驗的系統(tǒng)，模糊控制技術發(fā)揮了奇特的優(yōu)勢。 3)與傳統(tǒng)的控制方法相比，模糊控制系統(tǒng)依賴于行為規(guī)則庫，由于是用自然語言表達的規(guī)則，更接近于人的思維方法和推理習慣，因此，便于現(xiàn)場操作人員的理解和使用，便于人機對話，以得到更有效的控制規(guī)律。 4)模糊控制于計算機密切相關。