【正文】 語言simulab語言，所以次年更名為Simulink。從名字上看，立即就能看出該程序有兩層含義，首先，“simu”一詞表明它可以用于計(jì)算機(jī)仿真，而“l(fā)ink”一詞表明它能進(jìn)行系統(tǒng)連接，即把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型?？梢岳眠@一有效的工具用圖形的方式描述各種各樣的微分方程，從而求解相應(yīng)的微分方程。正是由于它的這兩大功能和特色，使得它成為仿真領(lǐng)域的首選的計(jì)算機(jī)環(huán)境。Simulink的功能遠(yuǎn)不止微分方程的求解，它提供了各種可用于控制系統(tǒng)仿真的模塊，支持一般的控制系統(tǒng)仿真，此外，還提供了各種工程應(yīng)用中可能使用的模塊，如電機(jī)系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等的模塊集，直接進(jìn)行建模與仿真研究。Simulink的功能十分強(qiáng)大，可以借用其本身或模塊集對任意復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。（1） 電流環(huán)系統(tǒng)仿真電流環(huán)控制對象的數(shù)學(xué)模型為： 在Simulink環(huán)境救援機(jī)器人控制系統(tǒng)電流環(huán)仿真模型如圖514所示。該系統(tǒng)由電流PID控制器、可控硅裝置、電機(jī)電樞、零階保持器組成。圖514 電流環(huán)仿真模型電流環(huán)控制器的仿真結(jié)果如圖515和圖516所示，圖515為電流給定輸入響應(yīng)曲線，圖516為電流響應(yīng)誤差曲線。從仿真結(jié)果可以看出,%，5%，控制性能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。圖515電流給定輸入響應(yīng)曲線圖516電流響應(yīng)誤差曲線（2） 速度環(huán)系統(tǒng)仿真速度環(huán)控制對象的數(shù)學(xué)模型為： 速度環(huán)系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真模型如圖517所示。該控制系統(tǒng)包含電流控制器、轉(zhuǎn)速控制器、直流電動機(jī)慣性質(zhì)量系統(tǒng)、零階保持器等環(huán)節(jié)。圖517速度環(huán)系統(tǒng)在Simulink環(huán)境下的仿真模型轉(zhuǎn)速控制器的仿真結(jié)果如圖518和圖519所示，該系統(tǒng)反映的是機(jī)器人慣性質(zhì)量系統(tǒng)的慣性矩情況下的響應(yīng)。圖518為給定輸入轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，圖519為系統(tǒng)響應(yīng)誤差曲線。從仿真結(jié)果可以看出,%，2%。圖518給定輸入轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線圖519系統(tǒng)響應(yīng)誤差曲線當(dāng)系統(tǒng)的慣性質(zhì)量隨著試驗(yàn)的需要發(fā)生變動時，即時，模型在不改動PID參數(shù)情況下，系統(tǒng)的速度響應(yīng)曲線變?yōu)槿鐖D520所示。圖520 當(dāng)慣性矩系統(tǒng)速度響應(yīng)曲線圖521為系統(tǒng)在有加載或者擾動運(yùn)行工作的情況下，控制系統(tǒng)響應(yīng)誤差變化曲線超過了系統(tǒng)的目標(biāo)要求，為此在下章節(jié)討論采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法對系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，并將仿真結(jié)果與常規(guī)PID控制響應(yīng)的結(jié)果比較。 圖521速度PID回路在加載和擾動作用下的誤差曲線 基于模糊PID控制設(shè)計(jì)及仿真模糊控制最早可追溯到60年代，(Fuzz Sets)概念。，從那時起到現(xiàn)在，30多年時間里，模糊控制這一新的控制技術(shù)吸引了眾多的控制工作者，在許多不同的領(lǐng)域，如生產(chǎn)、醫(yī)療、經(jīng)濟(jì)、軍事等部門得到應(yīng)用，并取得了很大的發(fā)展[23]。一個復(fù)雜系統(tǒng)的強(qiáng)耦合性、系統(tǒng)參數(shù)的時變性、非線性、不確定性。這類系統(tǒng)沒有明確的物理規(guī)律可遵循，即使做出多種假設(shè)，要進(jìn)行傳統(tǒng)的定量分析也是十分困難的，甚至是無法實(shí)現(xiàn)的。對具有強(qiáng)耦合性、時變性、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，經(jīng)典控制系統(tǒng)和現(xiàn)代控制系統(tǒng)無法很好的控制[24]。而建立以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理的模糊模型卻是一個理想的途徑。因此，模糊控制理論是一種極為理想的復(fù)雜系統(tǒng)控制系統(tǒng)理論。 模糊控制系統(tǒng)的工作原理模糊控制系統(tǒng)工作原理如圖522所示，一般由傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊獲取被控變量數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換和運(yùn)算處理后，輸出精確值，精確偏差由精確值與給定值進(jìn)行比較獲得，精確偏差經(jīng)模糊控制器進(jìn)行模糊化處理、模糊規(guī)則及推理運(yùn)算，最后經(jīng)過精確化處理輸出精確量，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量輸出給執(zhí)行器，從而達(dá)到控制被控對象的目的。圖522 模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)一般模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖523所示，主要包括模糊化、知識庫、模糊推理和清晰化和被控對象等部分。圖523 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)模糊器功能：將輸入的精確量轉(zhuǎn)換為模糊量，并將輸入量進(jìn)行處理，使其變成模糊控制器要求的輸入量。知識庫功能：知識庫中包含數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分組成。數(shù)據(jù)庫主要包括語言變量的隸屬度函數(shù)、尺度變換因子以及模糊空間的分級數(shù)等；規(guī)則庫包括用模糊語言變量表示的一系列控制規(guī)則，它們反映了控制專家的經(jīng)驗(yàn)和知識等。模糊推理機(jī)功能：它是模糊控制器重要組成部分，具有模擬人的基于模糊概念的推理能力，其推理是基于模糊邏輯中的蘊(yùn)涵關(guān)系及推理規(guī)則來進(jìn)行的。解模糊器功能：將模糊推理所得到的控制量（模糊量）變換為實(shí)際用于控制的清晰量，包括兩部分內(nèi)容：一、將模糊的控制量經(jīng)清晰化處理變換為表示在論域范圍的清晰量；其二、將表示在論域范圍的清晰量經(jīng)尺度變換轉(zhuǎn)換成實(shí)際的控制量。 模糊PID控制算法上面已經(jīng)分析過，由于單純采用PID控制對于本控制系統(tǒng)都不能達(dá)到較好的控制效果，因此本文采用模糊PID控制方法。即為了滿足在不同工況下系統(tǒng)對PID參數(shù)的自整定要求，利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了模糊自整定PID參數(shù)控制器[29]。其實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID三個參數(shù)P（比例）、I（積分）和D（微分）與偏差及偏差變化率之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測和，再根據(jù)模糊控制規(guī)則對三個參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同情況下系統(tǒng)對控制參數(shù)的不同要求，使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能，且計(jì)算量小。圖524 模糊PID控制器原理框圖模糊自整定PID參數(shù)控制器是一種在常規(guī)PID控制器的控制算法 應(yīng)用模糊理論建立參數(shù)與系統(tǒng)輸入偏差絕對值和偏差變化率絕對值間的二元連續(xù)函數(shù)關(guān)系為：的控制器。式中分別為其比例、積分、微分控制作用的參數(shù)。一般情況下，在不同的和下，被控過程對參數(shù)，的自整定原則歸納如下：圖525 輸出響應(yīng)曲線(1)當(dāng)較大時，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖525所示輸出響應(yīng)曲線的A段時，為了使系統(tǒng)響應(yīng)具有較好的快速跟蹤性能，并避免開始時偏差的瞬間變大，可能引起微分過飽和，而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較大的和較小的，同時為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，需對積分作用加以限制，通常取。(2)當(dāng)為中等大小時，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖525曲線的B段時，為使系統(tǒng)具有較小的超調(diào)，應(yīng)取較小的，適當(dāng)?shù)暮停员ＷC系統(tǒng)響應(yīng)速度，其中的取值對系統(tǒng)的響應(yīng)速度影響較大。(3)當(dāng)較小時，即系統(tǒng)響應(yīng)處于圖525曲線的C段時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大的和，同時為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，當(dāng)較小時，值可取中等大小，當(dāng)較大時，值應(yīng)取小些。 模糊PID控制器設(shè)計(jì)模糊控制涉及的兩個輸入變量是交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差絕對值和轉(zhuǎn)速偏差變化率絕對值，三個輸出量是PID參數(shù)、和。采用七種不同的模糊語言變量對系統(tǒng)輸入、輸出量的模糊控制論域進(jìn)行描述：｛負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大｝，并簡記為｛NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB｝。輸入量和輸出量的隸屬度函數(shù)均選擇三角函數(shù)，如圖526所示.圖526 輸入、輸出量的隸屬度函數(shù)對模糊PID的參數(shù)、進(jìn)行動態(tài)整定，整定公式如下： 式中、為采用常規(guī)整定方法得到的、的預(yù)整定值。 模糊PID控制系統(tǒng)仿真模糊控制器在Simulink中構(gòu)建整個控制系統(tǒng)[45]。如圖527所示圖527 機(jī)器人模糊參數(shù)自整定PID控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)框圖不同的慣性質(zhì)量系統(tǒng)，所對應(yīng)的仿真曲線如下面各圖所示： 圖528 慣性矩GD2= 圖529 慣性矩GD2=由仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的模糊參數(shù)自整定PID控制方案的適應(yīng)性很強(qiáng)，能夠適應(yīng)機(jī)器人慣性質(zhì)量系統(tǒng)的變化，對系統(tǒng)的參數(shù)能夠自行調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到響應(yīng)速度快、無超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差為零的理想效果。6 結(jié)論與展望 本論文結(jié)合國內(nèi)外對救援機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，研究出了一種適用于救援機(jī)器人的控制系統(tǒng)，其中包括救援機(jī)器人的工作原理的研究、控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和仿真。本論文的主要研究成果及創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個方面：（1） 本論文首先通過霍爾傳感器設(shè)計(jì)了一套具有閉環(huán)特征的驅(qū)動控制系統(tǒng)，解決了由于步進(jìn)電動機(jī)由于連續(xù)運(yùn)行頻率不足而出現(xiàn)的失步問題，使機(jī)器人運(yùn)行更加平穩(wěn)，位置更加精確。（2） 采用超聲測距的方法對目標(biāo)位置進(jìn)行了精確測定，并通過溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，解決了由于溫度的變化導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問題。（3） 本系統(tǒng)選用ATMega8單片機(jī)為控制核心，用來接收測量裝置傳輸來的數(shù)據(jù)，再利用無線傳輸?shù)姆绞桨褱y量數(shù)據(jù)傳到上位計(jì)算機(jī)，通過貝葉斯數(shù)據(jù)融合方法便可獲得更加精確的測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用實(shí)時操作的工作方式，大大提高了機(jī)器人響應(yīng)速度。（4） 本文進(jìn)行了前置放大電路的設(shè)計(jì)，使得驅(qū)動機(jī)械手的步進(jìn)電動機(jī)獲得足夠的驅(qū)動電流，并提高了控制信號的信噪比。（5） 該救援機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)位置的精確判斷，并且能夠及時將物品帶離現(xiàn)場取走物體，具有靈活、快速、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。該救援機(jī)器人可以取代人進(jìn)入到許多惡劣環(huán)境從事探測和危險排除工作，例如存在爆炸物或放射性物質(zhì)的現(xiàn)場。 未來工作及展望本論文對救援機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究工作，但是由于本人的能力和時間的限制有許多問題沒能解決。本論文設(shè)計(jì)的救援機(jī)器人控制系統(tǒng)適應(yīng)的救援工作有限，對于復(fù)雜特殊的環(huán)境下需要的救援機(jī)器人控制系統(tǒng)還有待研究與完善。在當(dāng)下世界災(zāi)難頻發(fā)的環(huán)境中，救援機(jī)器人的重要性不言而喻，它能夠幫助人類把傷害降到最低。但是單個機(jī)器人的能力畢竟有限，可以讓機(jī)器人組成一個救援隊(duì)，每個機(jī)器人個體之間能相互交流，承擔(dān)各自的工作，可以提高救援的效率。人們對于救援機(jī)器人的研究還在不斷的進(jìn)步當(dāng)中，我相信現(xiàn)在的這些難題在將來一定會得以解決。