時間：2022-11-30 23:03:28
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電機(jī)控制論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
論文關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制
論文摘要：網(wǎng)絡(luò)與控制的學(xué)科交叉研究與產(chǎn)品的研發(fā)是我們面臨的一個機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的控制中都有不少問題可研討。
二十年前,面對計算機(jī)與控制交叉發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn),中國計算機(jī)學(xué)會工控機(jī)專委會(其前身:中國電子學(xué)會電子計算機(jī)專業(yè)委員會工業(yè)計算機(jī)學(xué)組)誕生。二十年后的今天,我們又面臨新的機(jī)遇與挑戰(zhàn),其特征之一就是,信息科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展所引發(fā)的計算網(wǎng)絡(luò)與控制科學(xué)技術(shù)的交叉發(fā)展,本文簡稱為“網(wǎng)絡(luò)控制”對此#已有不少論述。本文只是簡要討論一些看法。
1網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)遇
近年來信息科學(xué)技術(shù)與信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅猛，新思想、新技術(shù)相繼問世，網(wǎng)絡(luò)方面的新技術(shù)和產(chǎn)品迅速進(jìn)入市場。而在經(jīng)歷一個大發(fā)展后，自動化及控制理論在其發(fā)展中也出現(xiàn)一此“困惑”，各國均十分關(guān)注自動化科學(xué)與技術(shù)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。1986年IEEE與美國國家基金委專家高峰會發(fā)表“對控制的挑戰(zhàn)”一文;1990-1993年IFAC組織了“控制在工業(yè)中的應(yīng)用而臨計算機(jī)的挑戰(zhàn)”調(diào)研……我國也十分重視這個問題:1999年宋健在IFAC大會報告:21世紀(jì)的控制;2002年中國國家自然科學(xué)基金委召開“中國自動化領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略高層學(xué)術(shù)討論會”在這此討論中，信息的控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對控制的沖擊等都是一個議題。維納《控制論》一書的副標(biāo)題是:“關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)”;而在《控制論》第一版序言中他又指出“如果一門新的科學(xué)學(xué)科是真正有生命力的，它的引人興趣的中心就必須而且應(yīng)該隨著歲月而轉(zhuǎn)移……因此，控制論學(xué)家應(yīng)該繼續(xù)走向新的領(lǐng)域，應(yīng)該把大部分注意力轉(zhuǎn)移到近十年發(fā)展的新的思想上去……”。從歷史上看，控制與通信確實(shí)是相互依存交叉發(fā)展的，而當(dāng)今在“網(wǎng)絡(luò)的連通性無所不在”的形勢下，我們確有必要討論網(wǎng)絡(luò)對控制的挑戰(zhàn)是什么，信息的控制或網(wǎng)絡(luò)控制是否應(yīng)該列為一個“引人興趣的中心”。
“網(wǎng)絡(luò)控制”的提法早已有過，而對其內(nèi)涵與外延井不十分統(tǒng)一，我們覺得網(wǎng)絡(luò)控制泛指通信網(wǎng)絡(luò)與控制科學(xué)技術(shù)的交叉以及相應(yīng)的產(chǎn)品。主要包括兩個方面的內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的控制與管理，網(wǎng)絡(luò)主要是做為技術(shù)手段或環(huán)境#而控制對象是傳統(tǒng)的對象（如電機(jī)、化工過程、航天……）也包括交通服務(wù)等系統(tǒng)。本文簡稱為”網(wǎng)絡(luò)化控制”"網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身的控制與管理。信息與網(wǎng)絡(luò)成為控制的對象，而采用控制的手段來滿足用戶的要求。本文簡稱為“網(wǎng)絡(luò)的控制”。這也可以說是從兩個視角來研究網(wǎng)絡(luò)控制。我們在網(wǎng)絡(luò)控制的這兩個視角上都面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)，前者延伸了諸如數(shù)字控制。計算機(jī)控制等的概念，而后者則延伸了電機(jī)控制，機(jī)床控制等的概念。
2網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)化控制
網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化控制有多種提法，如TelematicSys-terns，NetworkedSystems，NetworkedControlSystems(NCS)，IntegratedCommunicationandControlSystems(ICCS通信與控制系統(tǒng))等，其內(nèi)涵各有所側(cè)重，但有共同點(diǎn):是依靠網(wǎng)絡(luò)(主要是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò))組成的分布式系統(tǒng);具有資源共享、集成自動化、協(xié)調(diào)下作等特點(diǎn)，從應(yīng)用角度可包括:網(wǎng)絡(luò)化控制、網(wǎng)絡(luò)化制造、電子政務(wù)、電子商務(wù)、數(shù)字家庭、大型電網(wǎng)、城市交通、軍事上的41SR指揮、控制、通信、計算機(jī)以及情報、監(jiān)視、偵察)等。可以是下業(yè)對象也可以是服務(wù)業(yè)或其他對象。
網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)一般是大范疇的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，從功能層次上可包括企業(yè)網(wǎng)的外聯(lián)網(wǎng)[xtranet，企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)Intranet,控制網(wǎng)、傳感網(wǎng)等，從網(wǎng)絡(luò)類型上也可以說包括因特網(wǎng)、無線移動通信、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制領(lǐng)域的’泛且深入的應(yīng)用，必然引起網(wǎng)絡(luò)與控制交叉學(xué)科的發(fā)展，或者引起ThomasKahn在“TheStrutureofScientificRevolutions”中指出的在控制領(lǐng)域的范例轉(zhuǎn)移(ParadigmShift)或出現(xiàn)從連續(xù)時間控制理論到離散時間控制理論的發(fā)展。
網(wǎng)絡(luò)化控制與管理系統(tǒng)，可以不同程度地實(shí)現(xiàn)各層次自動化系統(tǒng)的集成使企業(yè)在企業(yè)協(xié)作、資源共享、提高效率、增強(qiáng)市場競爭能力等方面得到好處;同時，網(wǎng)絡(luò)的引入必然帶來信息傳輸時延，延時的抖動信息(數(shù)抓包)去失等問題，也必將引發(fā)一此研究課題，包括:網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下復(fù)雜系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制;基于連續(xù)時間和基于事件控制理論(在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的)的應(yīng)用與發(fā)展;各種網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用系統(tǒng)的建模與分析;基于網(wǎng)絡(luò)計算和網(wǎng)絡(luò)存儲的分布控制;網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的信息女全，現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)等等，從某種意義說工業(yè)控制計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展必須定位于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，從網(wǎng)絡(luò)控制著手。
3網(wǎng)絡(luò)的控制與答理
網(wǎng)絡(luò)的控制，基于網(wǎng)絡(luò)的控制(Network一BasedControl)或網(wǎng)絡(luò)空間中的控制問題是自接涉及到網(wǎng)絡(luò)木身的控制問題，這里控制的對象是信息、數(shù)抓、網(wǎng)絡(luò)……。在自動化科學(xué)發(fā)展的歷史中，自動控制的對象是不斷發(fā)展變化的，這種發(fā)展體現(xiàn)了自動化科學(xué)理論與實(shí)際相結(jié)合，學(xué)科交叉和與時俱進(jìn)的特性，從某種意義上說控制論的著眼點(diǎn)是信息與控制或信息的控制而網(wǎng)絡(luò)的控制是信息的控制中的重要內(nèi)容。
網(wǎng)絡(luò)的控制或基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)在資源共享提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)集成自動化和整體優(yōu)化以及和諧人機(jī)協(xié)調(diào)等方而都有優(yōu)勢或潛力;由于網(wǎng)上的傳輸時延，數(shù)抓包去失，以及用戶對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的不同需求等，引出了網(wǎng)絡(luò)的控制中一系列研究課題。涉及相關(guān)的協(xié)議，系統(tǒng)的控制策略，穩(wěn)定性、魯棒性、算法的收斂性以及控制系統(tǒng)產(chǎn)品化等問題。
以復(fù)雜媒體網(wǎng)絡(luò)的控制為例，復(fù)雜媒體可視為一個廣義的系統(tǒng)，其所究內(nèi)容包括信息結(jié)構(gòu)、復(fù)雜媒體的管理.、服務(wù)質(zhì)量(QOS)控制，流量控制等。例如，在流媒體系統(tǒng)中，可以利用自適應(yīng)等控制策略使用戶在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境卜享受到盡可能好的QoS保證。1999年，木尼迪克特(Bendidt)提出了“網(wǎng)絡(luò)空間”（Cyberspace)的概念，稱這種“由計算機(jī)支持，由計算機(jī)進(jìn)入和由計算機(jī)產(chǎn)生的全球網(wǎng)絡(luò)化，是多維度的，人造或‘慮擬’的真實(shí)。它是真實(shí)的，每一臺計算機(jī)都是一個窗口;它是慮擬的，所看到的或所聽到的既不是物質(zhì)也不是物質(zhì)的表現(xiàn)，相反它們都是純粹的數(shù)抓或信息組成的”。可以說，它是介于慮擬和現(xiàn)實(shí)之間的特殊空間，即“網(wǎng)絡(luò)空間”，由此而可能發(fā)展網(wǎng)絡(luò)科學(xué)。網(wǎng)絡(luò)空間有許多控制和答理問題，有人稱之為“慮擬控制”或網(wǎng)絡(luò)的控制。近年來，關(guān)于下一代互聯(lián)網(wǎng)、智能網(wǎng)、網(wǎng)格等的討論也較多，網(wǎng)格（Grid)一般認(rèn)為是繼傳統(tǒng)因特網(wǎng)、Web之后的第三代因特網(wǎng)其主旨是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全而連通，在氣象、能源、教育以及企業(yè)信息化中都有廣’泛應(yīng)用。美國《福布斯特》雜志預(yù)期網(wǎng)格技術(shù)到2020年將產(chǎn)生年產(chǎn)伯20萬億美元的大下業(yè)。在網(wǎng)格中分布資源管理與控制、資源共享、網(wǎng)格監(jiān)控以及系統(tǒng)女全等方而的研究都是受人關(guān)汁的四。有人建議，在網(wǎng)格的體系上要體現(xiàn)服務(wù)第一，協(xié)議第一的觀念。另外，在下一代網(wǎng)關(guān)中，可能會將大部分控制功能(呼叫控制、接入控制、資源控制、服務(wù)質(zhì)量控制等)統(tǒng)一交由一個控制層來完成。可見，網(wǎng)絡(luò)的控制及管理.是日益受到重視，控制的一此基本概念，控制策略和控制理論不能簡的一地搬用到網(wǎng)絡(luò)的控制中，但應(yīng)可以在網(wǎng)絡(luò)的控制中得到發(fā)展。
以網(wǎng)絡(luò)為控制對象的網(wǎng)絡(luò)控制所要解決的主要是用戶對網(wǎng)絡(luò)各種服務(wù)質(zhì)量:需求與網(wǎng)絡(luò)資源間的矛盾與協(xié)調(diào)。從信息傳送結(jié)構(gòu)上講，可以在核心網(wǎng)上增強(qiáng)控制功能;也可以在邊緣網(wǎng)上引入系統(tǒng)與控制的方法。在這此系統(tǒng)建模與分析中，多會遇到系統(tǒng)規(guī)模大、異構(gòu)件、時變性、人機(jī)協(xié)調(diào)、隨機(jī)性等問題、在已見的一此研究成果中，排隊(duì)論、小波分析、自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混雜系統(tǒng)等理論與方法都有應(yīng)用。在因特網(wǎng)或非實(shí)時局域網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，離散控制時間的確定性或定常性已不存在，要發(fā)展網(wǎng)絡(luò)控制理論或改造經(jīng)典的方法或按離散事件動力學(xué)考慮新途徑，學(xué)科交叉研究勢在必行。
4對下控機(jī)系統(tǒng)及專委會工作的一此思考
二十年前，在個人計算機(jī)(PC)技術(shù)成熱并大舉進(jìn)入市場之際，我們成立了工業(yè)控制計算機(jī)專業(yè)委員會，在學(xué)術(shù)交流、產(chǎn)品研發(fā)等方面做了許多工作，得到了廣泛的認(rèn)可。當(dāng)前，信息網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，而對網(wǎng)絡(luò)控制等的機(jī)遇，工控機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)人員應(yīng)多交流討論。各種工控機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)，分布控制系統(tǒng)，傳感器仍是工業(yè)自動化與下控機(jī)的主要課題，而網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)遇與挑戰(zhàn)也是專委會需認(rèn)真思考的:
1)當(dāng)前，我國在網(wǎng)絡(luò)化控制(網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化制造……)方面的研究與產(chǎn)品研發(fā)已有一此成果，尚待深入與普及;而在網(wǎng)絡(luò)的控制方而的研究下作剛剛開始。我們可能需要在理論探索、技術(shù)研究以及協(xié)議（標(biāo)準(zhǔn))制定、產(chǎn)品研發(fā)等層面上挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)遇。
2)需要面對網(wǎng)絡(luò)控制的挑戰(zhàn)，加強(qiáng)計算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、自動控制等學(xué)術(shù)交叉性的研討，可與兄弟專委會聯(lián)合組織。計算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、自動控制等不同專業(yè)背景的人員在從事網(wǎng)絡(luò)控制這類學(xué)科交叉研究中，往往有不同的思路、視角、方法或切入點(diǎn)，其成果也各有特色。多交流互補(bǔ)是大有益處的。
關(guān)鍵詞：人工智能 電氣 自動化
人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法 技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計算機(jī)科學(xué)的一個分支 它企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式作出反應(yīng)的智能機(jī)器．該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人．語言識別、圖像識別 自然語言處理和專家系統(tǒng)等。電氣自動化是研究與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運(yùn)行、自動控制，電力電子技術(shù)、信息處理、試驗(yàn)分析 研制開發(fā)以及電子與計算機(jī)應(yīng)用等領(lǐng)域的一門學(xué)科。實(shí)現(xiàn)機(jī)械的自動化，讓機(jī)械部份脫離人類的直接控制和操作自動實(shí)現(xiàn)某些過程是電氣自動化和人工智能研究的交匯點(diǎn)。積極運(yùn)用人工智能的新成果無疑有利于電氣自動化學(xué)科特別是自動控制領(lǐng)域的發(fā)展．也有利于提高電氣設(shè)各運(yùn)行的智能化水平．對改造電氣設(shè)備系統(tǒng)，增強(qiáng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性．加快生產(chǎn)效率都有重大意義。
1、人工智能應(yīng)用理論分析
人工智能(Artificial Intelligence)，英文縮寫為AI。它是研究、開發(fā)用于模擬，延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計算機(jī)科學(xué)的一個分支，它企圖了解智能的實(shí)質(zhì)．并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式作出反應(yīng)的智能機(jī)器 該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語言識別、圖像識別 自然語言處理和專家系統(tǒng)等。自從1956年“人工智能 一詞在Dartmouth學(xué)會上提出以后，人工智能研究飛速發(fā)展，成為以計算機(jī)為主．涉及信息論．控制論， 自動化、仿生學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、數(shù)理邏輯、語言學(xué)、醫(yī)學(xué)和哲學(xué)的一門學(xué)科。人工智能研究的一個主要目標(biāo)是使機(jī)器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜的工作。
當(dāng)今社會，計算機(jī)技術(shù)已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的方方面面．計算機(jī)編程技術(shù)的日新月異催生自動化生產(chǎn)，運(yùn)輸 傳播的快速發(fā)展。人腦是最精密的機(jī)器，編程也不過是簡單的模仿人腦的收集、分析、交換、處理、回饋．所以模仿模擬人腦的機(jī)能將是實(shí)現(xiàn)自動化的主要途徑。電氣自動化控制是增強(qiáng)生產(chǎn)．流通、交換、分配等關(guān)鍵一環(huán)．實(shí)現(xiàn)自動化，就等于減少了人力資本投入，并提高了運(yùn)作的效率。
2、人工智能控制器的優(yōu)勢
不同的人工智能控制通常用完全不同的方法去討論。但Al控制器例如：神經(jīng)、模糊、模糊神經(jīng)以及遺傳算法都可看成一類非線性函數(shù)近似器。這樣的分類就能得到較好的總體理解．也有利于控制策略的統(tǒng)一開發(fā)。這些Al函數(shù)近似器比常規(guī)的函數(shù)估計器具有更多的優(yōu)勢．這些優(yōu)勢如下：
(1)它們的設(shè)計不需要控制對象的模型(在許多場合，很難得到實(shí)際控制對象的精確動態(tài)方程，實(shí)際控制對象的模型在控制器設(shè)計時往往有很多不確實(shí)性因素，例如：參數(shù)變化，非線性時，往往不知道)。
(2)通過適當(dāng)調(diào)整(根據(jù)響應(yīng)時間 下降時間、魯棒性能等)它們能提高性能。例如模糊邏輯控制器的上升時間比最優(yōu)PID控制器快1.5倍 ，下降時間快3.5倍， 過沖更小。
(3)它們比古典控制器的調(diào)節(jié)容易。
(4)在沒有必須專家知識時．通過響應(yīng)數(shù)據(jù)也能設(shè)計它們。
(5)運(yùn)用語言和響應(yīng)信息可能設(shè)計它們。
總而言之，當(dāng)采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制器、規(guī)則庫和隸屬函數(shù)在模糊化和反模糊化過程中能夠自動地實(shí)時確定。有很多方法來實(shí)現(xiàn)這個過程，但主要的目標(biāo)是使用系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的解，并且找到最簡單的拓樸結(jié)構(gòu)配置．自學(xué)習(xí)迅速，收斂快速。
3、人工智能的應(yīng)用現(xiàn)狀
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，許多高等院校及科研機(jī)構(gòu)就人工智能在電氣設(shè)備的應(yīng)用方面展開了研究工作，如將人工智能用于電氣產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計，故障預(yù)測及診斷、控制與保護(hù)等領(lǐng)域。
3.1 優(yōu)化設(shè)計
電氣設(shè)備的設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜的工作 它不僅要應(yīng)用電路、電磁場、電機(jī)電器等學(xué)科的知識，還要大量運(yùn)用設(shè)計中的經(jīng)驗(yàn)性知識。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計是采用簡單的實(shí)驗(yàn)手段和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)用手工的方式進(jìn)行的．因此很難獲得最優(yōu)方案。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電氣產(chǎn)品的設(shè)計從手工逐漸轉(zhuǎn)向計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。人工智能的引進(jìn)．使傳統(tǒng)的CAD技術(shù)如虎添翼．產(chǎn)品設(shè)計的效率及質(zhì)量得到全面提高。用于優(yōu)化設(shè)計的人工智能技術(shù)主要有遺傳算法和專家系統(tǒng)。遺傳算法是一種比較先進(jìn)的優(yōu)化算法，非常適合于產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計。因此電氣產(chǎn)品人工智能優(yōu)化設(shè)計大部分采用此種方法或其改進(jìn)方法。
3.2 故障診斷
電氣設(shè)備的故障與其征兆之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜，具有不確定性及非線性．用人工智能方法恰好能發(fā)揮其優(yōu)勢。已用于電氣設(shè)備故障診斷的人工智能技術(shù)有：模糊邏輯、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
變壓器由于在電力系統(tǒng)中的特殊地位而備受關(guān)注，有關(guān)方面的研究論文較多。目前對變壓器進(jìn)行故障診斷最常用的方法是對變壓器油中分解的氣體進(jìn)行分析．從而判斷變壓器的故障程度。人工智能故障診斷技術(shù)在發(fā)電機(jī)及電動機(jī)方面的研究工作也較為活躍。
3．3智能控制
人工智能控制技術(shù)在自動控制領(lǐng)域的研究與應(yīng)用已廣泛展開．但在電氣設(shè)備控制領(lǐng)域所見報道不多。可用于控制的人工智能方法主要有3種：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)控制。由于模糊控制是其中最為簡單、最具實(shí)際意義的方法．因而它的應(yīng)用實(shí)例最多。
4、結(jié)語
人類智能主要包括三個方面．即感知能力．思維能力 行為能力。而人工智能是指由人類制造出來的 機(jī)器”所表現(xiàn)出來的智能。人工智能主要包括感知能力、思維能力和行為能力。人工智能的應(yīng)用體現(xiàn)在問題求解．邏輯推理與定理證明，自然語言理解 自動程序設(shè)計．專家系統(tǒng)，機(jī)器人學(xué)等方面，而這諸多方面都體現(xiàn)了一個自動化的特征．表達(dá)了一個共同的主題，即提高機(jī)械人類意識能力，強(qiáng)化控制自動化．因此人工智能在電氣自動化領(lǐng)域?qū)笥凶鳛椋姎庾詣踊刂埔残枰斯ぶ悄艿膮⑴c。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞：仿生；四足；機(jī)器狗
中圖分類號：S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
1 引言
地球表面多為崎嶇不平的地面，僅僅依靠輪式機(jī)械無法完全實(shí)現(xiàn)在這些自然環(huán)境中行走。因此，設(shè)計和制造一種類似動物能夠適應(yīng)各種不平地面和惡劣環(huán)境的機(jī)器人，一直是我們追求的目標(biāo)。目前機(jī)器人按行走方式類型可分為輪式、履帶式和足式，仿生足式機(jī)器人具有運(yùn)動靈活和良好的地形適應(yīng)能力特點(diǎn)。正是基于此，仿生足式機(jī)器人的研究成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。仿生多足機(jī)器人是模仿多足動物運(yùn)動形式的特種機(jī)器人，是一種足式移動機(jī)構(gòu)。所謂多足是指四足以上，常見的多足機(jī)器人包括四足機(jī)器人、六足機(jī)器人和八足機(jī)器人[1]。其中四足機(jī)器人由于既有超過二足機(jī)器人的平穩(wěn)性又避免了六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的冗余性和復(fù)雜性，在工程探險、反恐防爆、軍事偵察等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，開展該方面的研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值及社會意義[2]。
2機(jī)械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計
足式機(jī)器人的運(yùn)動實(shí)質(zhì)上是有圖2-1中XOY平面上的EF，IG，JH之間的滑塊機(jī)構(gòu)和AE之間的轉(zhuǎn)動副，驅(qū)動AB桿繞A點(diǎn)轉(zhuǎn)動，BC桿繞B點(diǎn)轉(zhuǎn)動，CD繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動，AE繞Z軸轉(zhuǎn)動，從而使D點(diǎn)相對地面運(yùn)動，達(dá)到行走目的[3]。三個滑塊機(jī)構(gòu)沒有直接與AB，BC，CD桿件相連，而是與AB，BC，CD三桿的側(cè)向延長點(diǎn)連接，主要是為了避免當(dāng)AB桿與AE桿、AB桿與BC桿、BC桿與CD桿處于同一直線所產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象。在機(jī)構(gòu)分析中，不需要考慮各桿件的質(zhì)量，具體機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，只對桿件作位移、速度和加速度分析。足式機(jī)器人腿部的機(jī)構(gòu)學(xué)分析主要為運(yùn)動學(xué)正解和運(yùn)動學(xué)反解兩部分。運(yùn)動學(xué)正解是為設(shè)計腿部的機(jī)械零件提供必要的參數(shù)依據(jù)。運(yùn)動學(xué)反解用以驗(yàn)證運(yùn)動學(xué)正解的結(jié)果，并為腿部的實(shí)際運(yùn)動控制提供計算依據(jù)。
圖2-1四足機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)簡圖
2.1自由度的配置
自由度的配置參看圖2-1中。其中，沿著機(jī)器狗中軸線運(yùn)動的方向有4個自由度，其中三個帶有驅(qū)動，另外一個冗余自由度； 垂直于相應(yīng)方向有一個自由度。
2.2機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計
首先定義AB的長度為, BC的長度為，CD的長度為，AB與AE的夾角為α，AB與BC的夾角為β，BC與CD的夾角為γ，AE繞X軸的轉(zhuǎn)角為θ，如圖2-1所示。由于AE與足式機(jī)器人的機(jī)身想連接，為了分析方便，假設(shè)機(jī)身保持固定，即AE只繞X軸轉(zhuǎn)動，而無其它任何平動和轉(zhuǎn)動，同時忽略CD之間的滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動（選用阻尼器可實(shí)現(xiàn)）。
由于機(jī)器人腿部的驅(qū)動機(jī)構(gòu)為滑塊機(jī)構(gòu)，因此可以推到α，β，γ，θ與EF，IG，JH，PQ長度之間的關(guān)系如下：
式中，為4個滑塊的長度，為變量。π/4是為了避免出現(xiàn)奇異，對AB， BC，CD 3個桿件側(cè)向延長所產(chǎn)生的。
運(yùn)動學(xué)正解主要是定義驅(qū)動的運(yùn)動規(guī)律計算圖2-1中D點(diǎn)的運(yùn)動軌跡、速度和加速度。設(shè)D點(diǎn)的坐標(biāo)為（），由幾何關(guān)系可得：
式表示了D點(diǎn)坐標(biāo)與α，β，γ，θ角速度之間的變化關(guān)系。定義驅(qū)動機(jī)構(gòu)，即滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律，結(jié)合式，由式可計算出D運(yùn)動是的坐標(biāo)。
速度方程反映了D點(diǎn)速度與α，β，γ，θ角速度之間的關(guān)系。可由式等式兩側(cè)對時間求導(dǎo)計算出。設(shè)X，Y均為變量，且符合Y=F(X), 則：
，
式中，偏導(dǎo)函數(shù)構(gòu)成的矩陣為雅可比矩陣。
因此，速度方程可以用雅可比矩陣形式表示出，如所示：
=
式中，矩陣中的各元素如下所示：
此外，還需研究液壓缸驅(qū)動速度與α，β，γ，θ角速度之間的關(guān)系，由式得：
式中，，，，為各缸的運(yùn)動速度。表明了關(guān)節(jié)角速度與液壓缸速度之間的關(guān)系，實(shí)際上關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩與液壓缸輸出力也成類似關(guān)系。該式表明當(dāng)α=β=γ=45，和θ=90時，腿部機(jī)構(gòu)出現(xiàn)奇異情況，當(dāng)然由于實(shí)際液壓缸行程的限制，并不會出現(xiàn)這種情況。如果液壓缸直接與AB，BC，CD桿件連接，即桿件無側(cè)向延長，則出現(xiàn)奇異情況，除非限制液壓缸的行程，但無法滿足運(yùn)動要求。結(jié)合式和式，可由驅(qū)動機(jī)構(gòu)的速度計算出D點(diǎn)的速度。
式為速度方程，等式兩邊同時對時間求導(dǎo)，可得加速度方程，展開表示為如下：
式中，L和L對時間的一階，二階倒數(shù)如下所示：
由式，，可知，對于給定的三個滑塊機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)動副的驅(qū)動規(guī)律，結(jié)合式可得到α，β，γ，θ的運(yùn)動規(guī)律，因此可確定唯一的D點(diǎn)的位移、速度和加速度。
運(yùn)動學(xué)反解主要是通過定義圖2-1中D點(diǎn)運(yùn)動軌跡計算各驅(qū)動的運(yùn)動規(guī)律，與正解相反。設(shè)D點(diǎn)坐標(biāo)已知，即式中的，，己知α，β，γ，θ待求。顯然，由于3個方程4個未知數(shù)，其解理論上為無窮多組。為了求解方便，不妨假設(shè)a保持不變，即EF之間的滑塊驅(qū)動靜止。因此由式可先求出θ:
式整理得到如下表達(dá)式：
式消元并求解，可得:
式中，α，β，γ，θ，ψ符合如下關(guān)系：
，，，，
由上述的反解結(jié)果，即式和式可知，由可以確定θ，且為唯一解，由，可以得到α，β，γ的無窮多組解。由于實(shí)際中驅(qū)動機(jī)構(gòu)為滑塊機(jī)構(gòu)，因此結(jié)合式，可以得到實(shí)際驅(qū)動的運(yùn)動規(guī)律，即FE，IG，JH，PQ的長度變化規(guī)律。該結(jié)果將用于機(jī)器人腿部的運(yùn)動控制。
上述分析結(jié)果又一次表明了機(jī)器人腿部為冗余系統(tǒng)，即可以通過組合不同的FE，IG，JH處滑塊的驅(qū)動規(guī)律，得到D點(diǎn)相同的關(guān)于，運(yùn)動規(guī)律。這為設(shè)計機(jī)器人腿部驅(qū)動規(guī)律提供了很大的彈性，即可以根據(jù)能耗最低的方式，也可以根據(jù)外負(fù)載最大，或抗外部擾動力最大等方式來確定一組關(guān)于FE，IG，JH處滑塊的驅(qū)動規(guī)律關(guān)系式，并結(jié)合式設(shè)計驅(qū)動規(guī)律，但得到的都是相同的機(jī)器人運(yùn)動規(guī)律。這就是將機(jī)器人腿部設(shè)計為冗余系統(tǒng)的重要原因。
3整體方案設(shè)計
一個完整的液壓系統(tǒng)主要包括能源裝置，執(zhí)行裝置，控制調(diào)節(jié)裝置及其它相關(guān)和必要的輔助裝置[4]。
執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)將油液的液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。主要的執(zhí)行裝置有液壓缸、擺動缸和液壓馬達(dá)。如果采用擺動擺動缸和液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，則可以安裝在圖 中的A，B，C處。但是由于目前市場上擺動缸和液壓馬達(dá)重量和體積均較大，容易是足式機(jī)器人的整體重量超標(biāo)，對負(fù)載能力產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，執(zhí)行元件采用液壓缸。由于液壓缸往返方向的速度和輸出力不需要相同，因此采用單桿活塞雙作用液壓缸。
輔助裝置包括蓄能器、濾油器、密封件、油箱、熱交換器、管路、管接頭及閥塊[5]等。這些元件在液壓系統(tǒng)中起輔助作用，也是不可或缺的，用以保證系統(tǒng)有效、安全地工作。蓄能器的作用為：作輔助動力源；吸收液壓沖擊和消除壓力脈動；維持系統(tǒng)恒壓和補(bǔ)充泄露。濾油器的功能是過濾混在液壓油液中的雜質(zhì)，保證系統(tǒng)正常地工作。
在圖中，由于機(jī)器人腿部共有4個主動自由度，因此，采用4個雙作用單
活塞桿液壓缸作驅(qū)動，4個電液伺服閥分別控制液壓缸的運(yùn)動，在進(jìn)油口處裝有一精濾油器。液壓泵為單作用變量葉片泵，由交流電機(jī)驅(qū)動，在吸油口出裝有濾油器，防止雜質(zhì)對液壓泵造成損壞。精濾油器和液壓泵之間裝有一單向閥，主要是防止液壓油倒流。溢流閥是為了當(dāng)系統(tǒng)壓力超過限制時，起安全作用。蓄能器作應(yīng)急供油作用。回油管路接濾油器，吸收雜質(zhì)，防止流到油箱，同時裝有2個單向閥，防止液壓油倒流，以及濾油器堵塞時，能正常回油。冷卻形式為風(fēng)冷。壓力表顯示系統(tǒng)工作時，壓力狀態(tài)。
圖3-1 液壓系統(tǒng)原理圖
4總結(jié)
本文著重研究足式機(jī)器人腿部的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)設(shè)計。首先針對足式機(jī)器特點(diǎn)，提出了自由度設(shè)置，設(shè)計了腿部機(jī)構(gòu)簡圖方案，根據(jù)機(jī)構(gòu)簡圖對腿部進(jìn)運(yùn)動學(xué)正解和反解分析，并且對其驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。
參考文獻(xiàn)
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[2] 黃博. 四足機(jī)器人行走步態(tài)及CPG控制研究 [D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007
[3] 張鵬翔. 液壓驅(qū)動的足式機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究 [D] 北京郵電大學(xué)碩士論文.
[4] 鄧樂主編.液壓傳動IMI，第1版. 北京郵電大學(xué)出版社，2010年
