[科普中国]-控制改变

机器人比赛中控制改变概述

多智能体系统(Multi-Agent Systems, MAS)的研究是当前人工智能领域的一个热点问题和重要的发展方向。足球机器人比赛已经成了MAS 研究的一个标准平台。机器人足球发展的宏伟目标就是要实现自学习、自适应以及具有很强鲁棒性的实时多智能机器人系统, 力争经过大约50年左右的发展,使机器人足球队能够打败当时人类的世界冠军足球队。以Mirosot 系列机器人系统为例,给出了一种分层递阶控制设计, 并针对在视觉子系统不采集对方球员信息的情况下, 提出了实力对比函数的概念, 通过这个函数实时的根据场上的情况判断双方球队的形式变化情况, 以提高决策子系统的智能性。

1决策系统的设计1.1决策系统的分析

足球机器人的决策子系统扮演着教练员和运动员的职责。在真实的绿茵场上, 作为教练员要根据球场上的实际情况来部署球员, 同时也根据不同的对手, 选择不同的队形。足球机器人赛场上,决策者也应该根据不同的球队采取不同的策略,对于错综复杂的球场形势, 运用灵活的策略。一个好的决策系统不可能一劳永逸地一次性开发完成,是一个不断完善的过程,因此,构建一个可持续开发、合理的决策框架就显得尤为重要。分层递进控制方式对决策思路进行逻辑上的分层。一般来说,决策思路是先确定机器人之间的协作关系,然后根据配合的要求确定每个机器人的运动方式。分层的具体方式可以有一定的不同。

比赛时,视觉子系统每 40ms 左右将球场上各机器人的位姿和球的信息传入计算机 ,决策子系统根据传入的视觉信息分析球场上的情况 , 做出相应的决策,转化为每个机器人的左右轮速, 通过通信子系统发送给每个机器人。当决策子系统收到视觉输入信息后, 对其进行预处理, 根据球和本方机器人的位置对场上攻防形势进行分析, 并将所作的决策分解为各个任务———这是决策的第一层 。根据分解完的任务从队形库中为本方机器人确定一个队形———这是决策的第二层。根据队形所需的角色以及我方机器人的位置 , 将每个角色分配给具体的机器人———这是决策的第三层。之后将左右轮速发送给对应的每个机器人。

1 .2 决策系统的设计

决策系统的设计过程是一个由基层到高层逐步构造的过程, 就是如何来实现决策系统分析结果。基于上述足球机器人决策分析过程, 采用如下的足球机器人决策系统设计。

在比赛过程中 , 我们所要求小车的基本运动就是跑位 、转向, 继而在此基础上, 让小车按照决策者的意图来完成一些复杂动作, 最后实现决策者的整个策略思想。本设计采用面向对象的程序设计把整个决策系统划分 3 个类, 他们由基层到高层(即由顶到底)分别为:基本动作类、技术动作类、决策类, 他们是从顶到底依次继承, 高层可以继承基层, 但基层不能继承高层, 高层类中方法的实现需要基层类中方法的支持, 基本动作函数类的方法完成如原地转动、转到定角、转到定点、到定点、到达定点有一定的速度函数等等, 其属性是可调参数的结构体 ;技术动作函数类中封装一些比较高级的动作, 如完成射门 、防守、边界处理等功能;组合动作函数类是更高层次的类, 其方法用来完成多车协作动作, 如点球大战 、争球等动作 ; 决策类是整个决策系统的最高层, 是整个决策的核心部分 ,就是用这些底层类来实现决策者的意图,如信息预处理、态势分析、角色分配、动作实现等。由上设计实现过程,可以看出,我们可以根据决策者不同的需求,逐步完善这些底层函数类,各个函数类的补充只是改动本身,并不影响其他类,从而提高了整个决策系统的可维护性和可扩充性,为决策者提供了一个施展各种策略思想的平台。

2决策策略的动态选择算法实力对比函数的提出

由于决策系统所能得到的信息仅是由视觉系统传递来的球的位置以及本方球员的位置和方向信息,因此如何判断对方球队的情况则变成了是一个不容易解决的问题。如果不对对方球队情况进行判断, 无论场上形式如何变化我方总是采用一成不变的策略则会降低整个球队的智能性, 本系统通过实力对比函数来判断场上情况的变化 , 并根据不同的情况做出不同的策略选择, 从而提高了系统的智能性。

3实验结果在MiroSot 足球机器人系统中对本文提出的决策策略动态选择算法进行了验证, 其中 Team1 在进行决策策略选择的时候采用传统的决策策略选择方法。Team2 ,Team3 ,Team4 也采用传统的决策策略选择方法, 并且 3 支球队的实力一个比一个强(通过实验得出球队的强弱)。比赛结果如下表1 所示:

表1 比赛结果(选用本文算法之前)

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在选用的决策策略动态选择算法之后 ,Team1 分别对 Team2 ,Team3 ,Team4 的比赛结果如表 2 所示:

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从实验的比赛结果可以看出, 在采用了决策策略动态选择算法之后同样一支球队在和比它实力弱球队的比赛时会加强进攻从而可以大比分的战胜对手, 在和它实力相当的球队比赛时会适当的分配进攻和防守的比重 ,从而有机会战胜对手 , 在和比自己实力强的球队比赛时会加强防守在不输球的情况下适时进攻 。而实现的, 先进技术手段的引入可能而且应该给企业带来效率和效益。信息化是企业发展的必然,是重大的机遇和挑战 ,我们要抓住信息化带来的机遇 ,在“ 信息化带动工业化” 的国家战略指导下,加强对国民经济与社会信息化的组织领导 ,加快制定并实施国家信息化的总体规划, 推动经济与社会各个领域信息化的进程。通过信息化不断提高企业核心竞争力, 强化综合国力的微观基础 , 这正是我国加入世贸组织、应对经济全球化挑战的关键所在。1

异步电动机转速控制改变概述可编程序控制器( PLC)是以微处理器为基础,综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种新型、通用的自动控制装置,广泛用于机械加工、冶金、纺织、建筑等自动化领域。它是构成CIM S的基础, 是现代工业自动化的3大支柱( PLC、机器人、CAD /C AM )之一。变频器技术是一门综合性的技术, 它建立在控制技术、电子电力技术、微电子技术和计算机技术的基础上。它与传统的交流拖动系统相比,有许多优点,如节电、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的高效连续调速控制、容易实现电动机的正反转切换,可以进行高频度的起停运转,它具有“自我保护” 的功能,不仅保护了变频器,还保护了电机不易损坏。通过PLC控制变频器改变异步电动机转速,是自动控制中一种典型的应用,有数字量和模拟量两种控制方式,这里只用PLC控制数字变频器,从而实现改变异步电动机转速的目的。

改变异步电动机转速的原理当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时,该电压将产生一个旋转磁场,当磁场旋转时,位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线,并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流,而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力,即转矩, 使转子跟随旋转磁场旋转。 当将三相异步电动机绕组的任意两相进行交换时,所产生的旋转磁场的方向将发生改变,因此,电动机的转向也将发生改变。异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机。可知 ,改变参数 f , S, N p 中的任意一个就可以改变电动机的转速 ,即对异步电动机进行调速控制。因此 ,可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的调速控制。从某种意义上说 ,变频器就是一个可以任意改变频率的交流电源。

改变三相异步电动机转速的应用应用系统简介

自动化装配过程如下: 工件上料—— 零部件的装配—— 装配后的质量检验—— 不合格品的剔除—— 进入下一个生产环节。为了形象体现此过程 ,本人研制了一个基于 PLC控制的装配过程实验台。 系统采用 PLC( SIEM EN S 7-200 ) 控 制 变 频 器 ( Pa naso nicSMID083A1X)实现三相异步电动机启动、停止、正反转及各种转速的改变,经过减速器、三角带传动带动传输带输送,从而达到使工件、装配件在传送带上输送的目的,另一方面,在传输带边上设置上料工位、机械手工位、检测工位、剔除工位和入库工位。 工件和装配件是通过输送带被送到各个工位上去的,为了实现这一功能,设计了由三相异步电动机、蜗轮蜗杆减速器、三角带传动、输送带组成的传动系统 。

变频器相关功能简介

Panaso nic生产的M ID083A1X变频器,它具有包括缓进、2种速度、4种速度的3种运转方式,当为4种速度运转方式时,依据频率设定选择端子“短路”/“开路”可进行表1中的4种速度运转。为了把第0频率、第1频率、第2频率、第3频率分别送到参数号00, 01, 02, 03中,变成它们的参数值,需要手动输入到变频器中 。

电路连接

PLC、变频器、异步电动机之间的电路连接。PLC、变频器都接入交流220V 工作电压, PLC输入端I0. 0, I0. 1分别接入开始按钮、停止按钮, PLC输出端Q0. 0, Q0. 1, Q0. 2, Q0. 3分别接入正转端子I1,反转端子I2,频率设定端子I3, I4,变频器输出端子U, V, W 接入异步电动机。

应用设计要求

应用时要求异步电动机首先正向起动,按时间分段作4速运行; 停车再反向起动作4速运行,照此循环数次。按图5所示的频率状态进行分析,图中只画出了正转部分,反转部分与之相同。T0, T 1, T2, T3, T 4设定时应满足: T0, T 1, T2远大于变频器的第一、第二加速时间之和; T 3远大于变频器的第一加速、第二加速、第一减速、第二减速时间之和; T4换向延时时间远大于电动机的自由停车时间。应用中根据需要确定循环次数,并能随时按停止按钮使电动机停下来。 应用设计要求跟变频器端子之间的关系。2

反馈控制过程改变概述企业的技术创新能力是企业拥有的通过运用知识、信息和技术, 经过一系列的研发、实验、生产和销售等环节的创新过程, 使企业获得商业利润或竞争优势的特性。只有对企业技术创新能力的构成要素进行深入分析, 才能对技术创新能力的衡量指标做有益分解, 从而对其做出科学合理的评价。要想对企业技术创新能力进行正确的分析和评价, 必须有正确和科学的认识论为指导, 这样才能透过复杂的表面现象, 抓住事物的本质特征。由于缺乏统一的理论和概念框架的指导, 许多学者在对企业技术创新能力进行分析和评价时, 往往出现指标罗列和概念混淆的现象。利用系统控制原理来对企业的技术创新能力进行分析, 是把企业的技术创新过程看作一个具有自我调节能力的反馈控制系统, 即把企业的技术创新过程看成一个由不同的环节和要素组成的复杂系统, 内部各环节和要素之间不仅产生相互影响和作用, 而且整个系统还要受外部环境因素的影响。同时, 作为企业生产管理系统的一个子系统, 企业的技术创新过程要受管理系统中其他子系统和构成要素的影响。利用反馈控制系统的特性, 可以对企业技术创新能力的构成要素和影响企业技术创新能力效率发挥的要素进行科学的归类和区分。

企业技术创新的反馈控制过程反馈控制系统

控制系统是控制论中研究的系统, 是指用某种方式调节和控制信息流、能量流、物质流等的任意一个系统。它一般应包括三个必要的元素: 主控系统( 即控制主体或控制器) 、受控系统( 即受控客体) 以及将控制作用传递到受控体的传递者。一个开环的控制系统一般由三个子系统组成, 即输入子系统、输出子系统和状态子系统,在开环控制系统中, 输出量对控制没有影响,信号从输入到输出, 沿前向传送。其构成简单, 但控制精度低, 不能对扰动产生控制力, 使用于要求不高的场合, 如马路的红绿灯控制。

但在现实的生产活动中, 受外界环境等多种因素科学学与科学技术管理的影响, 输出的结果可能并不理想, 需要根据输出的结果及时调节系统的输入和运行, 以增强系统的环境适应性, 于是就形成了闭环控制系统, 又称反馈控制系统。在反馈控制系统中,输出量通过反馈产生控制作用, 信号不再是单向传输,提高了控制的精度, 有效的抑制作用于被控对象的干扰。

由于企业的技术创新过程是个复杂的系统过程,在现有的技术条件下, 很难对其整个过程进行精确描述, 这样我们可以借助系统的“黑箱”原理, 把复杂问题相对简单化。所谓“黑箱”原理是指, 在认识的某一阶段, 把认识对象看作一个封闭的箱子, 只了解外界对它的输入、输出, 而不深入其内部了解其具体机构。这种方法可以引导人们自觉、主动地讨论问题的层次和范围, 在这一层次的问题弄清楚之后, 再根据需要深入到下一层次的细节, 这样通过逐步分解法, 可以逐步把“黑箱”变成“灰箱”,最后变为“白箱”。把企业的技术创新过程看成一个反馈控制系统,是因为它符合反馈控制系统的基本特征: 企业技术创新的目的是通过不断创新产品、工艺、服务等来增加企业的价值; 而且整个创新过程需要在人、财、物、信息的投入和运行方面相互协调配合; 企业的技术创新过程是由创新的各个阶段构成的复杂整体, 各个阶段又有其相应的构成要素; 作为一个连续性的过程, 它需要根据企业内外环境的变换、创新的实施情况, 对创新过程的内部结构及运行进行及时协调, 以便使企业的创新更符合市场的需求。因此企业的技术创新过程具有反馈控制系统的目的性、整体性、层次性、环境适应性和反馈性。按照反馈控制系统的结构, 可以把企业的技术创新过程看成由输入、创新过程、输出、反馈等要素组成的系统。

(1)创新输入

创新输入是技术创新系统之外对企业技术创新过程投入的资源、信息、能量。主要包括企业生产组织管理系统投入的资金、人力资源、仪器设备、技术、信息、知识等要素。在创新的输入过程中不仅要保证各种输入的来源, 而且要处理好投入要素在不同创新项目间的分配问题。需要企业提前进行相应的预算、策划和筹措, 根据企业的实际情况确定最佳的投入方案, 即保证创新的投入水平, 又要提高资源的配置效率。企业技术创新的过程也是一个知识的生产过程,信息、知识、技术等无形资源的投入能实现边际效益的递增, 因此在创新的输入阶段, 企业尤其要重视相关知识和信息的输入。

(2)创新过程

创新过程是企业技术创新系统的受控对象, 是利用企业投入的资源进行技术创新的具体实施过程。对企业技术创新系统整个的输入到输出的过程来讲, 这个过程是指相对狭义的创新过程, 即从新概念的产生然后经过细致的设计或试验计划, 再通过反复的试验和测试到最后新技术成果的产生过程。正如威尔特和克拉克所说的那样, 企业技术创新的过程是一个循序渐进地通过解决一系列问题降低不确性的过程, 从审视阶段进入选择阶段, 再到最后的实施阶段, 从而最终将技术和市场结合在一起。他们将这一过程称为“开发漏斗”(如图4) , 即从最初创意的出现到最后的成果输出, 通过不断的设计、试验, 不确定逐步减少,成果目标越来越明确。

市场的竞争日趋激烈, 创新过程充满复杂性和不确定性, 机会稍纵即逝。所以需要采用先进的手段对创新过程进行管理和控制, 对创新的实施进行随时的跟踪和检查, 以尽可能提高创新速度, 减少创新风险,避免不必要的损失。

(3)创新输出

创新的输出是企业技术创新系统的最终成果, 也是整个系统存在和运行的目的。对于企业来说, 创新的输出过程也是企业技术创新成果与市场结合的过程, 是企业进行新技术推广应用的过程。技术创新的输出阶段也是一个复杂的系统工程, 因为在新产品的推广过程中, 需要大量的市场投入。一方面需要加大宣传力度, 增加客户对新技术产品的认知程度。另外,要选择目标客户群进行推广试验, 通过现身说法来增强潜在客户对新产品的信心。面对激烈的市场竞争和一些不法企图, 在新技术产品的推广过程中, 企业要加大对自己产品的知识产权保护力度, 避免受到不法侵害。

(4)反馈过程

由于当前国内外对企业技术创新的研究中, 很少有人把企业的技术创新过程看成一个反馈控制系统,使企业的技术创新过程始终处于一个直线输入和输出过程, 而不是一个闭环的连续过程。反馈过程的引入, 使企业的技术创新过程变成有计划、有目的的系统工程, 使其更加科学合理, 符合实际情况。一个完善的企业创新系统就是一个需要根据技术创新的实际结果不断完善和提高的自适应系统, 因为创新过程本身就是一个反复试验的过程, 其不确定或不可控因素很多, 需要根据变化的情况及时调节创新投入和实施过程, 为今后技术创新工作提供有益的指导意见, 这样才能更好地实现创新系统的总体目标。技术创新的反馈过程实际上是一个信息的搜集和传递过程, 反馈控制过程需要明确反馈内容、反馈方式、反馈时间等,企业需要根据自己的实际情况确定反馈过程的具体实施。反馈的内容包括要客户对新技术产品的反应信息、市场的潜在需求信息、竞争对手的相关信息等。在信息反馈过程中, 既要保证获得企业创新发展所需要的信息, 又不至于使企业陷入垃圾信息的汪洋大海,浪费相关人员的时间和精力。既要保证信息的及时传送, 又要防止信息传送过程的失真变形。二、企业技术创新能力的构成要素按照企业技术创新系统的构成要素, 可以把企业技术创新能力分为投入能力、研发制造能力、产出能力和反馈能力。

创新投入能力创新投入能力是指企业投入创新资源的数量和质量。一般分为R&D 投入和非R&D 投入,R&D 投入能力集中体现在经费、人员和设备的投入上, 包括技术人员的数量、文化技术素养、设备的投资额、设备的先进程度等。非R&D 投入是指企业技术引进和技术改造的费用, 还包括政府对企业的支持和投入。由于我国目前大多数企业自主研发能力比较弱, 技术引进与消化吸收及技术改造可能成为企业技术创新的重要内容。

研发制造能力研发制造能力反映了企业利用现有的信息、知识、人力及各种物质投入, 通过选题、制定方案、反复试验, 从而解决企业生产经营过程中碰到的技术难题的能力。研发制造能力一方面反映了企业对现有的科学技术知识进行新的组合和综合, 并结合当地市场环境和本企业的特点, 对基础研究成果进行进一步的开发, 增强其市场适用性的应用研究能力。另一方面反映了企业通过新材料、新工艺、新产品等的研制来提高企业收益水平和市场份额的技术开发能力。对于通过外部的合作引进技术的企业来说, 任何一项技术都有它的使用条件和设备人员要求, 因此企业的研发制科学学与科学技术管理能力则表现在企业对引进技术的消化、吸收、甚至创新的能力。只有对引进的新技术进行很好的消化、吸收, 才能在技术引进中提高企业的自主创新能力,减少企业对外部的技术依赖。

创新产出能力企业创新的产出能力是反映企业通过一系列的投入、研发过程产生成果的能力, 创新产出是企业创新系统运行的目标, 其能力的强弱反映了企业技术创新系统运行的效果。企业技术创新产出可以分为直接产出和间接产出。直接产出包括一种新产品、新材料、新工艺、新技术、新知识产权, 甚至是企业产品的一种新包装等, 是企业技术创新的直接成果。间接产出是直接产出通过产品的市场化给企业带来的效益, 包括销售额的增加、利润率的提高、收益的增加等。直接产出只有化为间接产出即给企业带来效益才真正实现企业技术创新的目的。只有具有较高的间接产出能力才能提高技术成果的商品化程度, 增加企业创新的动力。间接产出能力同时也受直接产出能力的制约, 如果企业直接产出能力较弱, 同样不可能带来较高的创新收益。直接产出能力和间接产出能力只有相互配合, 协调发展, 才能提高企业的创新效率。

反馈控制能力反馈控制能力反映的是企业在技术创新过程中信息的搜集、甄别、加工处理和传递能力。信息的搜集能力需要企业能及时的获得尽可能全面的、有益提高企业技术创新水平的相关信息, 尤其是创新产出及实施方面的信息, 以便能跟预期的目标作比较, 找出差异和应对措施。但是由于信息的来源和渠道各不相同, 有些信息可能对企业技术创新能力的提高并没有多大的利用价值, 甚至有些可能是虚假信息, 因此需要企业有较高的甄别水平和分辨能力, 要去伪存真,提高信息的质量。简单的信息罗列一方面不利于信息的传输和使用, 同时可能很难从这些原始的信息中发现其反映的实质问题, 因此需要对搜集到的原始信息进行归类整理、加工分析, 增强信息的实用性。加工整理好的信息要通过一定方式和渠道反馈到相关的技术研发部门, 这样才能发挥信息对技术创新过程的指导作用。信息传输的能力要求企业快速、准确的把加工整理好的信息传递给信息的使用部门。3