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AGV文献综述 杨翔课题的来源及意义 AGV ( Automatic Guided Vehicle)即自动导引小车，它是一种以电池为动力，装有非接触导向装置和独立寻址系统的无人驾驶自动化搬运车辆。它的主要特征表现为具有小车编程、停车选择装置、安全保护以及各种移载功能，并能在计算机的监控下，按指令自主驾驶，自动沿着规定的导引路径行驶，到达指定地点，完成一系列作业任务。其系统技术和产品已经成为柔性生产线、柔性装配线、仓储物流自动化系统的重要设备和技术。 随着各种AGV新产品的不断开发，如自动牵引车(AGT)，自动导引叉车(AGVT)，无导引线的激光导引车(LGV)等，AGV技术不断发展，促成了先进的柔性生产线，自动化物流系统的实现，从而极大地提高了生产自动化程度和生产效率。由于现代化生产观念日益受到重视，对生产线运行、物流系统的柔性要求越来越高。在产品换型、多种产品混合生产线运行、调整产量、重新组合生产线等方面，AGV必将得到迅速发展和普及应用，这不仅是现代化工业迅速发展的需要，更主要是由AGV本身所独具的优越性决定的。 国外从20世纪50年代在仓储业开始使用AGV，目前，其应用己深入到机械加工、家电生产、微电子制造、卷烟等多个行业，生产加工领域成为AGV应用最广泛的领域。在国内，AGV的应用也逐渐开始并发展起来。在制造业的生产线中，AGV能高效、准确、灵活地完成物料的搬运任务。并且可由多台AGV组成柔性的物流搬运系统，搬运路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，使一条生产线上能够制造出十几种产品，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。1974年瑞典的Volvo Kalma:轿车装配厂为了提高运输系统的灵活性，采用基于AGVS为载运工具的自动轿车装配线，该装配线由多台可装载轿车车体的AGVS组成，采用该装配线后，装配时间减少了2096，装配故障减少39%，投资回收时间减少57%，劳动力减少了5%。目前，AGV在世界的主要汽车厂，如通用、丰田、克莱斯勒、大众等汽车厂的制造和装配线上得 （磁导式ASV控制系统设计与研究-武汉理工大学硕士学位论文-叶菁）AGV的发展与现状 自动引导车(AGV)是20世纪50年代开始发展起来的一种自动化物料搬运设备，能承载一定的质量在出发地和目的地之间自主驾驶、自动运行。 根据美国物流协会定义，AGV是指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有小车编程与停车选择装置、安全保护以及各种移载功能的运输小车。AGV是现代物流系统的关键装备。它是以电池为动力，装有非接触导向装置，独立寻址系统的无人驾驶自动运输车。AGVS是自动导引车系统，它由若干辆沿导引路径行驶，独立运行的AGV组成。AGVS在计算机的交通管制下有条不紊地运行，并通过物流系统软件而集成于整个工厂的生产监控与管理系统中。从AGV的发明到现在已经有50多年的历史，随着应用领域的扩展和用户要求的提出，自动引导车的种类和形式变得多种多样，根据不同的分类方法，如引导方式、驱动转向形式、充电方式、移载方式，可以把自动引导车分为不同的类型。20世纪50年代是AGV的研发开始阶段，美国Barrett电子公司十此时开发成功了第一台AGV ，它是一种牵引式小车，由该小车组成的系统于1954年在South Carolina州Columbia市的Mercury Motor Freight公司投入运行。20世纪60-70年代是AGV的发展阶段，除Barrett公司以外，Webb和Clark公司在AGV市场中也占有相当的份额。由于这时期欧洲公司已对托掀的尺寸与结构进行了标准化，使得AGV的发展速度加快。到70年代中期欧洲约装备了520个AGVS系统，共有4800台AGV。20世纪80年代末，国外的AGV达到发展的成熟阶段，此时美国的AGV生产厂商从1983年的23家剧增至1985年的74家。1984年，通用汽车公司便成为AGV的最大用户，1986年已达1407台(包括牵引式小车、叉车和单兀装卸小车)，1987年又新增加1662台。与此同时口本的AGV发展也比较迅速，1966年一家运输设备供应厂与美国的Webb公司合资开设第一家AGV工厂。到1988年，口本AGV制造厂已达20多家，如大福,Fanuc公司、Murata(村田)公司等。到1986年，口本累计安装了2312个AGV S，拥有5032台AGV o目前，全世界AGVS保有量在16000套以上，AGV在10万台以上。近年来，国内AGV的应用也受到越来越多的重视，2000年以前主要有沈阳新松、云南昆船、北京起重机械研究所等几个生产厂家，且没有成批生产。目前，除上几家外，安徽合力、上海新奥托、北京机科、吉大易飞、泊头中山、深圳口东电子、上海大福等厂家纷纷积极抢占国内市场。全国AGVS不超过60套，AGV不超过400台，其中烟草和汽车行业应用最多，已有20多家采用了AGV，其中绝大部分采用激光导引技术和电磁导引技术。虽然国内AGV还没有成批量生产，但其发展趋势和发展前景是非常乐观的。现代AGV的应用领域已十分广泛，主要应用领域有制造业、仓储业、港口码头、食品化工、烟草等行业，并且在邮局、书馆、医院和危险工作地点等场所也有广泛的应用前景。如通用、丰田、大众等汽车厂的制造和装配线上AGV都得到了普遍应用。海尔集团十2000年投产运行的开发区立体仓库中，9台AGV组成了一个柔性的库内自动搬运系统，成功地完成了每天23400件的出入库货物和零部件的搬运任务。玉溪红塔集团、红河卷烟厂在应用激光引导的AGV完成托招货物的搬运工作。 （AGV驱动转向一体化机构及其导航控制研究-吉林大学硕士学位论文-谷玉川)AGV系统组成AGV主要由以下几个功能模块组成:主控单元，导引单元，驱动单元，通讯单元，安全与辅助单元和供电单元等，如图所示。其中主控单元即车载控制系统是整个AGV的核心部分，在硬件上一般用PLC控制器或单片机实现。它是小车行驶和进行作业的直接控制中枢，主要完成的功能为:接受主控计算机下达的命令、任务;向主控计算机报告小车自身状态(包括小车目前所处的位置，运行的速度、方向、故障状态等);根据所接受的任务和运行路线自动运行到目的装卸站，在此过程中，自动完成运行路线的选择，运行速度的选择，运行方向上小车之间的避让，安全报警等。导引单元的功能在于保证小车沿正确路径行走，并保持一定精度要求。近几十年来，随着研究的深入，许多新的导引定位方式被逐渐采用，使得AGV的性能得到长足发展，主要表现在路径设定更加灵活机动、变更更加简单易行，同时赋予机器人感知和回避障碍性能以及多辆小车协调工作等许多方面。AGV的导引方式按有无导引路线可分为三种，一是固定路径方式，包括电磁制导方式、光学控制带制导方式、激光制导方式和超声波制导方式;二是半固定路径方式，包括标记跟踪方式和磁力制导方式;三是无路径方式，包括地面帮助制导方式、用地图上的路线指令制导方式和在地图上搜索最短路径制导方式。驱动单元根据主控信号完成小车的加速，减速，起，制动和转弯。主要由车轮、减速器、制动器、电机及速度控制器等部分组成。AGV驱动命令由计算机或人工控制器发出，它激励主动力接触器线圈将电源接通驱动电机速度控制器。驱动的速度与方向是两个独立的变量，分别由计算机控制。为了安全，制动器的制动力由弹簧力产生，这样在紧急断电故障时仍能提供制动能力。采用电气解脱松开是这类制动器通常的做法。速度调节可采用不同的方法，如用脉宽调速或变频调速等。AGV在直线行走、拐弯和接近停位点时要求不同的车速，直线行走速度可高达1 m/s，拐弯时为0. 2m/s-0. 6m/s，接近停位点时为0. 1 m/s o紧急停车继电器独立于微型计算机之外，其通断状态应由与安全有关的系统(如车挡与按钮等)来确定。通讯单元实现控制台与AGV的信息交换。一般采用无线局域网通讯方式。运行中的AGV通过无线局域网通讯系统与AGV交换信息。实现AGV之间的避撞调度，工作状态检测，任务的调度。 安全与辅助单元是为保护AGV自身及现场人员，运行环境设施的安全而采用的多级硬、软件安全措施。为了避免AGV在系统出故障或有人员经过AGV工作路线时出现碰撞，一般都带有障碍物探测及避撞、警音、警视、紧急停止等装置。 供电单元可随时检测AGV小车自身的电池容量，当电池容量下降到一定值时，就会向系统发出充电需求的信号，由系统向该台AGV发出充电命令(此命令有绝对的优先权)。当AGV到达充电站后，系统通过I/O接口控制地面充电设备，对其进行充电。充满后，充电需求信号消失，AGV小车可继续接受其他任务。 AGV系统组成结构示意图安全保护 为了避免碰撞产生的负面影响，确保运行环境中人和物的安全，AGV自身的防护设施非常重要。除设有非接触式光电探测外，还装有急停挡板等机械安全防护措施。 在实际应用中，每台AGV都会设置有障碍物接触式缓冲器。一般地，障碍物接触式缓冲器设置在AGV车身运行方向的前后方，缓冲器的材料具有弹性和柔软性，这样，即使产生碰撞事故，也不会对与之碰撞的人和物及其自身造成大的伤害，故障解除后，能自动恢复其功能。缓冲器的宽度，在正常情况下，大于或等于车身宽度，当产生碰撞事故时，缓冲器能及时使自动搬运车停车。障碍物接触式缓冲器是一种强制停车安全装置，它产生作用的前题是与其它物体相接触而发生一定的变形，从而触动有关限位装置，强行使其断电停车。显然，这种机构的作用将受到路面的光滑平整度、整车及载货重量、运行速度、限位装置的灵敏度等因素的影响，其安全保护措施是终端安全保护屏障。移动结构AGV驱动的方式大致可分成两种，一种为两台电机各置于左、右两边，利用两台电机正、反转的运作与两轮差速的方式达到左右转，前进后退或停止，即差速型。另一种方式则类似汽车的转向及传动方式，即前轮为转向轮，后轮为驱动轮，称为舵轮型。前轮利用伺服电机控制连接前轮的连杆，带动前轮左、右转向，而后轮直接利用步进电机与减速机构带动承载车前进，停止或后退。 图2.差速型转向流程图这两种传动方式有不同的控制流程，第一种利用两个左、右电机差速转弯，因此控制流程图如图2所示。经由传感器感应地面轨道回传转向讯号后，马上经由控制系统判断转向位置，当位置正确时承载车则继续前进，反之，电机即会继续转向直到传感器与地面轨道子系统回传直行讯号。此种传动方式当承载重量过大(如大于5公斤)时，可能会因电机扭力不足无法作动。而第二种则类似汽车转向及传动方式，如图3所示，经由传感器与地面轨道子系统回传转向讯号后即时判断，控制步进伺服电机旋转的角度后，输出讯号让承载车继续前进。 图3.舵轮型转向流程图舵轮型AGV是由作为导向电机的位置控制器和作为运行驱动电机的速度控制器组成，但一般对速度控制器的要求不高。由于其运行速度对运行特性有影响，对于同一辆AGV，速度增加时，系统动态稳定性变差，因此，只要导向系统满足AGV最高速度运行时的响应要求，也就可以满足其他状态下的响应要求。另外，负载变化的干扰对舵轮型AGV的导向系统影响较小，这对其运行导向系统的设计和调试很有利。 （磁导式ASV控制系统设计与研究-武汉理工大学硕士学位论文-叶菁）电机选择 自动引导车是电动车的一种，而电机是电动车的驱动源，提供给整车提供动力。目前常用的电动车辆驱动系统有二种: 一种是直流电机驱动系统，20世纪90年代前的电动汽车几乎全是直流电机驱动的。直流电机本身效率低，体积和质量大，换向器和电刷限制了它转速的提高，其最高转速为6000-8000r / min。日本的“Lanser”电动车，马自达公司的“Bango"车等使用的都是直流励电动机;但由十其缺点目前除了小型车外，电动车很少采用直流电机驱动系统。 第二种是感应电机交流驱动系统。该系统是20世纪90年代发展起来的新技术，目前尚处十发展完善阶段。电机一般采用转子鼠笼结构的二相交流感应电动机。电机控制器采用矢量控制的变频调速方式。其具有效率高、体积小、质量小、结构简单，免维护、易十冷却和寿命长等优点，该系统调速范围宽，而且能实现低速恒转矩，高速恒功率运转，但交流电机控制器成本较高。目前，世界上众多著名的电动汽车中，多数采用感应电机交流驱动系统。 第三种是永磁同步电机交流驱动系统，其中永磁同步电机包括无刷直流电机(BDCM)和相永磁步电机(PMSM) 。PMSM 和 BDCM相比，永磁同步电机交流驱动系统的效率较高，体积最小，质量最小，也无直流电机的换向器和电刷等缺点。但该类驱动系统永磁材料成本较高，只在小功率的电动汽车中得到一定的应用。但永磁同步电机是最有希一望的高性能电机，是电动汽车电机的发展方向。AGV分类：按引导形式分类：AGV按照不同的导引方式可以划分为: GPS导引，电磁导引，惯性导引，直接坐标导引，磁带导引，激光导引，光学导引，图像识别导引等。电磁引导：电磁导引是较为传统的导引方式之一，目前仍被许多系统采用，它是在AGV的行驶路径上埋设金属线，并在金属线加载导引频率，通过对导引频率的识别来实现AGV的导引。电磁导引主要优点是引线隐蔽，不易污染和破损，导引原理简单而可靠，便于控制和通讯，对声光无千扰，制造成本较低。电磁感应传感器主要是由两个感应线圈组成的，可同时采入导引线的感应信号。通过比较两个线圈中信号的强弱便能得到电磁感应传感器的偏移量，通过一定的导引计算后就可实现AGV的电磁导引。磁带引导： 磁带导引技术与电磁导引相近，不同之处在于采用了在路面上贴磁带替代在地面下埋设金属线，通过磁感应信号实现导引。磁带导引灵活性比较好，改变或扩充路径较容易，磁带铺设也相对简单。但此导引方式易受环路周围金属物质的干扰，由于磁带外露，易被污染，对机械损伤极为敏感，因此导引的可靠性受外界因素影响较大。适合于环境条件较好，地面无金属物质干扰的场合。磁带导引原理与电磁导引原理基本相同。激光引导： 激光导引是在九十年代初期开始采用的先进的导引方式，是除GPS(卫星定位系统)外唯一不需进行地面处理的导引方式。激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板，AGV通过发射激光束，同时采集由反射板反射的激光束，来确定其当前的位置和方向，并通过连续的三角几何运算来实现AGV的导引。此项技术最大的优点是，AGV定位精确;地面无需其他定位设施;行驶路径可灵活多变，能够适合多种现场环境，它是目前国外许多AGV生产厂家优先采用的先进导引方式。惯性引导： 惯性导引是在AGV上安装陀螺仪，在行驶区域的地面上安装定位块，AGV可通过对陀螺仪偏差信号与行走距离编码器信号的综合计算，及地面定位块信号的比较校正来确定自身的位置和方向，从而实现导引。 此项技术在航天和军事上较早运用，其主要优点是技术先进，定位准确性高，灵活性强，便于组合和兼容，适用领域广，已被国外的几家AGV生产采用。 采用压电晶体(石英)陀螺作为陀螺导引AGV的导引器件。其特点是体积小、结构简单、可靠性高、使用寿命长。 陀螺的工作原理简单地说，就是陀螺在电信号的作用下通过压电效应以恒定的频率作等幅振动，当其旋转时受到一个阻且:其转动的惯性力作用，从而激发了垂直于原振动平面的振动，这一感生振动的振幅与转动角速率成正比，它通过石英的压电效应产生一个电信号，从而能够感测转动角速度。 通过对AGV转向角速度的计算，及行走距离和地面定位块对它的修正，就可得到AGV的实时位置。按驱动模式分类： 按驱动形式AGV可分为3种驱动类型:单轮驱动模式(SD一一SteerDriving)，差速驱动模式(Differential Driving)和全方向驱动模式QUAD (QuadMotion)。 单轮驱动是指用一个驱动轮兼有行走和转向功能，两个从动轮为固定脚轮，在稳定性不够时，可增加活动脚轮为辅助支撑。此种驱动方式的AGV其运动性能稍差，转弯半径较大，但导引的可靠行高。 差速驱动是指AGV左右对称安装两个不带转向的驱动轮，以2个或多个活动脚轮为从动轮，依靠左右轮的差速来实现转向，差速驱动模式的AGV能够实现单轮驱动的一切功能，转弯半径小，灵活性较好，但由于差速模式的限制，驱动轮的磨损较为严重。全方向驱动是指以2个驱动轮，均兼有行走和转向功能，以2个或多个活动脚轮为从动轮，一般2个驱动轮安装于AGV的前后两端，当两个驱动轮转向角度值相同，方向相反时可实现 2XSD方式的运动(与单轮驱动相同);当两个驱动轮转向角度方向相同时可实现平行移动，即AGV的航向角(姿态)不变;当两个驱动轮转动900，AGV可按差速模式运动，因此，QUAD型AGV是目前最灵活的，但由于机构复杂，控制硬件成本和控制难度都会相应增加。 (AGV车载控制原理研究-昆明理工大学-硕士学位论文-朱江)测速（测距）传感器 在测量旋转体的速度时需要用转速传感器检测转速。常用的转速传感器有以下几种: 1,测速发电机 测速发电机的工作原理类似于发电机的工作原理，两者都是将转动的机械能转换成电信号输出。当测速发电机工作时，在某一瞬间其输出电压U、与角速度。成正比，而极性由旋转方向确定。测速发电机适合于测量转速较高的旋转物体速度。 2,霍尔转速传感器 霍尔转速传感器是利用霍尔开关元件测转速的。在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢愈多分辨率越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度M旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔 3、光电转速传感器 直射式光电转速传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙板射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开孔数。若开孔数为60，测量的时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速如下，单位为r/min。 n=N/(t*60)/60=N*t位置识别 AGV的位置却是AGV导航控制的一个最基本的问题。位置识别大致可分为两种:一种是利用检测运动状态的内部传感器进行导航位置推算，另一种是利用外传感器收集环境信息进行位置识别。按照第一种识别方法，随着移动距离的增加，所得到的机器人位置累积误差将逐步加大，因此仅在近距离移动时才有可能使用这种方式来导航。而后者利用外部传感器求得环境信息，并根据这一信息进行位置识别，进而完成环境识别。 内部位置识别测量轮式移动机器人运动状态的最简单方法就是根据车轮的旋转角度得到移动机器人与道路的相对位置，这一方法的弊病在于车轮直径的误差、车轮轮距误差及车轮打滑和震动等带来的各种误差。综合利用惯性坐标系的运动进行测量的线加速度传感器和角加速度传感器来进行导航位姿推算，就能解决上述方法中存在的接触面上的滑动等问题，这种方法称为惯性导航。利用内部传感器进行位姿识别的最好方法是通过使用绝对量传感器来获得移动机器人的绝对方位，如使用陀螺、GPS等精密测量装置，但这类仪器一是受周围环境影响较大，二是价格较高。外部位置识别 利用从外部得到的信息来进行位姿识别的方法用许多种，图4所示为目前正在研究的或是己实用化的方法，大致可分为利用专用标记和利用环境中已有物体的两种方式。 图4.利用外部传感器的位置识别方法分类 综合以上几种位姿识别方法，可以看到在轮式移动机器人上测量车轮移动距离的方法受自身及环境的影响较大，但是其优点并不能埋没:测量方法及实现简单、实时性较好、成本低，因此目前轮式移动机器人大都使用这种方法实现位姿识别，首先我们列出差速驱动机器人的微运动状态方程，然后来推导两轮差速驱动移动机器人的导航推算公式。运动学模型建立 运动学模型主要根据运动学方面的理论直接求得伺服电机端电压与车速的关系，在这种模型中，自动导引小车的速度只与电机端电压及电机电枢回路的时间常数有关，而忽略了车体质量、摩擦阻力对车速的影响。自动导引小车的运动学模型是基于以下几点假设:自动导引小车是刚性的;自动导引小车运动在水平面上;自动导引小车的左、右轮受力相等，且车轮与地面之间没有相对滑动;自动导引小车的车体质量、摩擦阻力、负载等的变化对车速的影响忽略不计。 （自动导引小车路径跟踪控制策略的研究-武汉理工大学-张勇波）几种控制算法的比较 在目前，人们所采用的自动控制方法有三种，这就是经典控制方法、现代控制方法和智能控制方法。 经典控制理论是过去人们常用的控制理论，这种控制理论只能解决线性定常系统的控制问题。线性是指系统的输入量和输出量的关系是线性的，定常是指系统的输入和输出量的关系是恒定的，并不随时间的变化而变化。经典控制方法是以传递函数为基础实现的。一般的工业生产过程较多属于线性定常系统。故可以用经典控制方法来控制，经典控制方法最典型的就是PID控制方法。其调节品质取决于PID控制器各个参数的整定。 现代控制理论可以解决时变系统的控制问题，在时变系统中，输入量和输出量的关系随时间的变化而变化。故而现代控制理论在航空航天和军事上有很大的作用。现代控制方法是以状态方程为基础实现。 无论是经典控制还是现代控制方法，它们都要求知道系统的数学模型才能执行控制，如果没有数学模型，它们对系统就无能为力了。 然而在实际中，有的复杂过程是根本无法求取其数学模型，或难以求取数学模型的。因此，采用经典控制或现代控制方法都无法解决问题。 自从1974年英国的Mamdani首次用模糊逻辑实现对蒸汽机的控制之后，模糊控制就成为一种有别于经典控制和现代控制的新的控制方法。模糊控制是基于人们的经验的，而经验是人们智能活动的结晶，故而模糊控制反映着人们的智能对生产过程的自动控制作用。故而模糊控制是比经典和现代控制更高一级的控制方法智能控制方法。智能控制方法是现在发展起来的最新控制方法，目前还在不断完善和发展之中，模糊控制则是智能控制方法中的一种方法。由于模糊控制采用人的经验规则，有时也称经验控制或规则控制，模糊控制有如下几个优点: 1、无需预先知道被控制对象的精确数学模型，所以，可以对那些数学模型难以求取获无法求取的对象进行有效控制; 2、由于控制规则是以人的经验总结出来的条件语句表示的，所以，对于对模糊控制论不熟悉的人来说，也很容易学懂和掌握模糊控制的方法; 3、对被控对象的参数变化有较强的鲁棒性;4、由于表示控制知识是以人的语言形式，故有利于人机对话和系统的知识处理，从而有利于系统处理的灵活性和机动性。根据上述对几种自动控制方法的分析，结合本运动控制器的特点，本设计采用模糊控制。事实上由于模糊控制的上述特点，使人们日益乐于应用。目前，在家用电器、工业生产过程、专家系统都大量采用模糊控制方法。 （自主移动机器人控制技术研究-哈尔滨工程大学-王洪涛）模糊控制算法概述模糊控制是近代控制理论中建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要的分支，是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的智能控制。模糊集合和模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学的自动控制教授L. A. Zadeh在其Fuzzy Sets), (Fuzzy Algorithm和A Relational for FuzzyControl等著名论著中首先提出的，模糊集合的引入可以将人的判断、思维过程用比较简单的数学形式直接表达出来，从而对复杂系统做出符合实际和人类思维方式的处理，并使得有人的经验参与的控制过程成为实际可能。 1973年，L. A. Zadeh教授又进一步研究了模糊语言处理，给出了模糊推理的理论基础。自从1974年英国Mamdani制造出用于锅炉和蒸气机的第一个模糊控制器以来，模糊控制理论和应用技术的发展历史只有短短的30多年，虽然其发展历史很短，但是发展速度之快、成果之多以及世人重视之程度却是少有的，特别是1987年在日本，基于模糊控制的仙台地铁开通以后，各种家电的模糊控制产品相继研制成功冰进入市场，如洗衣机、照相机、摄像机、复印机、吸尘器、电冰箱、微波炉、电饭锅、空调器、电视机、淋浴器等，这些家电产品在节约能源、方便使用以及使用效果方面更富有“人情味”，更符合人的实际生活。同时，各种各样的模糊控制系统也被研制成功。例如，各种熔炉、电气炉、水泥生产炉的控制系统、核电站的供水系统、汽车控制系统、电梯升降机控制系统、机器人控制系统，以及活跃于航空、宇宙、通信领域的专家系统。这些模糊控伟f系统的应用取得了明显的效益，并且受到了人们普遍的重视。 模糊理论与应用的研究以及模糊产品的开发像一股强劲的风浪席卷世界各地。1989年，模糊理论的创始人L. A. Zadeh教授指出:模糊理论是对“彻底的排除不明确事物只以明确事物为对象”的科学界传统所做的挑战。这种理论对于如何处理与对待不明确事物，所依据思路与过去的科学实质上完全不同。他认为模糊理论今后将在两个领域取得较大进展:一是熟练技术者替代系统，这种系统将人无意识进行的操作由机器替代，如日本仙台地铁的自动驾驶系统;二是替代专家的专家系统。为使专家头脑中所进行的思考与决策能实现自动化，模糊理论将起重要的作用。当然，模糊控制并不能解决所有可能性的问题，但是，只要不回避现实中的不确定事物，并加以认真对待，就有可能大大的提高在不确定(模糊)环境中进行智慧思考与决策的人及机器的能力。 L. A. Zadeh教授提出的模糊集合论，其核心是对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式，使自然语言能直接能够直接转化为计算机所能接受的算法语言。模糊集合理论的诞生为处理客观世界中存在的一类模糊性问题提供了有力的工具，同时，也适应了自适应科学发展的迫切需要。 模糊逻辑与模糊控制的研究与应用发展是很迅速的，研究成果主要集中以下几个国家和地区：(1)日本模糊控制技术的研究与应用 当代的一些高新技术的发展似乎有这样一个趋向，即欧洲以理论研究为主导，美国将技术研究作为热点，而日本则从事应用技术的开发工作。在模糊控制技术的应用开发上，日本起步较早并率先推出商品，而且，逐渐成为这项技术的主导国家，在模糊控制技术的应用研究方面，日本已经走在世界的前列。从20世纪70年代初，日本就开展模糊控制的研究。1972年日本关东地区成立了模糊系统研究会，1980年关西地区成立了模糊科学研究会，接着在1989年创建了国际模糊工程研究所(LIFE)，并且在这一年有关模糊技术的产品年产值就达到10亿日元，其中真正以模糊技术为核心的产品约占十分之一。日本在应用方面最典型的成果有:仙台地铁的模糊控制系统;三菱、日立和富士分别开发的电梯模糊控制系统:理光研究的声音模糊识别系统;日本电机硝子开发的玻璃熔化炉模糊控制系统:大日本涂料开发的彩色印刷图像评价系统;NTT和法政大学合作研制的模糊推理系统等。日本将模糊控制技术作为跨世纪的热点技术，几乎每天都有新的模糊控制产品问世。(2)美国和欧洲模糊控制技术的研究状况 美国的模糊工程是从美国宇航管理局(NASA)开始的。NASA早在1966年就给Zadeh提供经费。目前，美国在模糊控制方面的研究仅次于日本。在美国，从20世纪80年代就开始研制模糊控制器。最早应用模糊逻辑控制的是水泥生产的控制，Lafarg。公司在世界各地的水泥窑炉中有25个使用了包含模糊逻辑的G2实时专家系统。1993年IEEE神经网络协会的刊物(IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEM)在美国创刊，这是模糊系统理论已经作为一个独立学科发展的标志。美国政府机构(主要是美国国防部)也开始致力于神经网络和模糊逻辑的研究，除了休斯顿的约翰逊宇航中心把模糊逻辑应用于航天飞行器的对接和姿态控制外，位于华盛顿特区的NASA格达特宇航飞行中心也把模糊逻辑应用于机器人控制和图像处理，加州的NASA艾姆兹研究中心也在进行信息处理的模糊应用研究。 欧洲对模糊逻辑的研究主要集中在模糊控制上。英国伦敦大学的Mamdani教授于1974年首先把模糊理论应用于锅炉和蒸气机的控制，开创了模糊控制的先河;1976年的英国的R. M. Tong发表了第一篇有关模糊控制的论文;德国政府对模糊控制技术的开发应用极为重视，并已经投入了8亿美元进行模糊逻辑及相关技术的研究，Inform公司是其主要的研究单位之一，第三代模糊微处理器Fuzzy-166芯片就是由工nform公司和Siemens公司联合开发的。Fuzzy-166是一个具有具有推理命令、模糊化命令和解模糊命令的模糊芯片。1991年春，在汉诺威工业博览会上展出了一辆用于用模糊逻辑研究复杂动态问题的控制作用而制作的模型小车。由于德国本身所具有的先进工业技术和科研条件，在模糊控制技术的硬件方面也已经毫不费力的走在了世界的前列。(3)我国模糊控制技术的研究与发展状况我国在模糊理论和应用方面的研究起步较晚，但发展很快。1981年成立了中国模糊系统和模糊数学学会，并创办了世界上第二种模糊专业学术期刊一模糊数学。随着模糊理论及其技术的发展，该刊在1987年改名为模糊系统与数学。目前，我国己经成为模糊数学研究的四大力量之一(美国、西欧、日本及中国)，也是世界上模糊控制技术研究的领先者之一。在模糊数学瑾论方面的研究成果已经引起国际模糊界的特别关注和重视，模糊技术的应用研究也在稳步的发展。1979年，李宝缓、刘志俊等人用连续数字仿真方法研究了典型模糊控制器的性能;1988年3月由北京师范大学汪培庄教授及其博士生张洪敏等研制成功的模糊推理机分离元件样机，成功地实现了控制倒摆试验;1984年李太航和沈祖良推出了语义推理的自学习算法;1987年，张洪敏和张志明研制成功我国第一台模糊推理机:1993年汪培庄的博士生刘增良先后参加国家自然科学基金重大项目“模糊信息处理与机器智能”等，并提出“因素神经网络理论(FNN)"，在此基础上开发完的“模糊控制计算机系统”和“基于FNN的学习型模糊推理控制机”等一系列成果都达到了世界先进水平。玻璃拉管线模糊控制器、电冰箱模糊控制器、可编程序模糊控制器BFEC-898系列产品、水泥厂矿石破碎机的模糊控制系统都已形成产品并投入运行。近年来，我国也推出了电烤箱、电烤柜模糊控制器、”模糊控制燃气快速热水器、模糊控制自动恒温器、灯光恒照度模糊控制器、模糊全自动洗衣机和模糊电饭锅等产品，标志着我国模糊技术的应用研究也有了长足的进步。毫无疑问，我国在模糊逻辑控制的研究和应用开发上已经达到了一定的规模，形成了高新技术领域的研究热点技术。模糊控制的特点 模糊控制最重要的特征是反映人们的经验以及人们的常识推理规则，而这些经验是常识推理规则是通过语言来表达的。对于用语言表达的这种经验，必须给出一种描述的方式，而且这种经验是多种多样的。模糊控制个规则综合考虑众多的控制策略，是一种常识推理规则。以模仿人类人工控制特点而提出的模糊控制虽然带有一定的主观性和模糊性，但往往是简单易行且行之有效的。模糊控制的任务正是要用计算机来模拟这种人的思维和决策方式，对这种复杂的生产过程进行控制和操作。因而模糊控制具有一下特点。 1)模糊控制工程的计算方法虽然是运用模糊集合理论进行的算法，但最后得到的控制规律是确定的、定量的条件语句。 2)不需要根据机理与分析建立被控对象的数学模型。对于那些数学模型难以建立，甚至是不可能建立但是人们又有丰富控制经验的系统，模糊控制技术发挥了奇特的优势。 3)与传统的控制方法相比，模糊控制系统依赖于行为规则库，由于是用自然语言表达的规则，更接近于人的思维方法和推理习惯，因此，便于现场操作人员的理解和使用，便于人机对话，以得到更有效的控制规律。 4)模糊控制于计算机密切相关。从控制角度看，它实际上是一个由很多条件语句组成的软件控制器。目前，模糊控制还是主要应用二值逻辑的计算机来实现，模糊控制规则经过运算，最后还是进行确定性的控制。模糊控制结构模糊控制器主要是由模糊化接口、模糊逻辑推理机和解模糊接口三个部分组成，其基本结构如图5。 图5.模糊控制器基本结构图1.模糊化接口(Fuzzification) 所谓模糊化，即使通过传感器把被控对象的相关物理量转换成电量，如果传感器的输出量是连续的模拟量，还要事先通过A/D转换器转换成数字量作为计算机的输入测量值:接着，再将此测量值进行标准化处理，即把其变化范围映射到相应内部论域中，然后将内部论域中的该输入数据转换成相应语言变量的概念，并构成模糊集合，这样就把输入的精确量转化成用模糊集合隶属函数表示的某一模糊变量的值。由此才能用检测到的输入量作为模糊控制规则中的条件来运用模糊控制规则进行推理，完成这部分功能的模块就称为模糊化接口。 通常模糊化接口接受的输入信号只有误差和误差的变化率，模糊化接口的主要功能是将输入变量的精确值变换为其对应论域上自然语言描述的模糊集合，以便进行模糊推理和决策。2.模糊推理机(Inference engine) 模糊推理机由知识库(数据库和规则库)与提供模糊推理算法的模糊推理决策逻辑构成，这是最基本的三个部分;有时还要加上控制规则修改、隶属函数修正和控制状态显示等模块;如果需要用模糊推理来调整PID控制中的参数，还需要加上P工D控制模块;为了便于对设计的模糊控制系统在真正投入运行前了解其控制效果，并据此进行系统优化，系统设计时往往还要加上模拟模块，这样就构成了完整的模糊推理机。 1)知识库(Konwlege base)顾名思义，知识库中存储了有关模糊控制器的所有相关知识，它们决定着模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。其中知识库包括应用领域的知识和相应控制目标的知识，它是由用于定义模糊控制器中语言控制规则和模糊数据操作的数据库和包含若干组模糊控制规则，即以“ifthen”形式表示，对专家控制经验集成而形成的模糊条件语句的语言控制规则库两部分组成。2)模糊推理机模糊推理机的主要功能是模仿人的思维特征，根据事先制定好的由专家知识或控制经验取得的若干组模糊条件语句构成的模糊控制规则，运用模糊数学理论对模糊控制规则进行计算推理，实际上是根据模糊控制规则对输入的一系列条件进行综合评估，从而得到一个定性的用语言表示的决策输出量，这个结果给出某一个确定的输出范围，即所谓模糊输出量，完成这部分功能的模块就称作模糊推理机。 在模糊推理机中，模糊推理决策逻辑是核心，它能够模仿人的模糊概念和运用模糊蕴涵运算以及模糊逻辑推理规则对模糊控制作用的推理进行决策。3.解模糊接口(Defuzzification)通过模糊推理得出的模糊输出量是不能直接去控制执行机构的，在这确定的输出范围中，还必须要确定