优化操纵控制论文（通用7篇）
优化操纵控制论文 篇1
挡位近年来,中国的铁路运输事业进入了全面建设与高速发展的时期。铁路运输作为运输服务的主要途径之一,有着运输任务重、运量大、能源消耗总量巨大的特点。国家“十二五”规划对我国的节能降耗提出了新的目标,将节能环保技术作为重要研究发展领域。铁路部门也相应出台了《铁路“十二五”节能规划》,大力开展铁路节能技术的研究和推广工作。节能减排问题,在铁路发展建设过程中越来越受到关注。影响机车节能因素众多,但在交路、列车编组、运行图等因素确定之后,机车操纵就是机车节能的重要途径。
20世纪80年代以来,澳大利亚、德国、匈牙利、丹麦、英国、日本、前苏联、美国等许多国家在列车节能操纵方面进行研究和试验,总结节能的列车操纵方式,并应用微机技术研制开发列车优化操纵的微机指导系统、微机控制系统、操纵模拟系统等。美国通用电气公司成功研制了列车运行优化系统Trip Optimizer,并取得了初步应用和推广。德国克诺尔集团研制了LEADER驾驶员辅助系统[1],在欧洲部分铁路得到了试验应用。日本在列车优化操纵方面取得了长足的进步,其新干线系列车采用速度模式曲线自动控制方式(ATC),多年来以运行安全、正点、精确定位停车、操纵平稳、乘车舒适和节能而著称。国内众多科研单位也开展了机车节能操纵研究应用方面的尝试。北京交通大学于1989年研制了一套以单片机为主从结构的机车优化操纵的微机指导系统,以优化原理与模糊控制理论为基础,离线优化计算和在线模糊控制相结合,并在北京型内燃机车上进行实验[2]。西南交通大学研制了新型车载微机系统“列车优化操纵指导装置”,采用了离线寻优建立优化操纵运行数据库再结合在线实时调整的方法[3,4]。此外,北京交通大学、北京交控科技有限公司、成都畅通机车车辆技术开发有限公司、中国电子科技集团公司第三十二研究所等单位也分别就机车优化操纵进行了相关研究,取得了一定的专利成果。
本文针对既有机车系统和我国铁路现状,提出了一种基于行程预规划的机车节能操纵优化控制方法,针对当次运行线路和机车运行参数,预规划机车运行速度曲线并基于实时状态调整操纵,既借鉴了离线优化效果,又满足车载系统实际计算能力要求,适用于我国当前铁路现状。
1 机车运行模型
1.1 机车牵引计算模型
我们使用机车质点模型来描述机车动态运行信息,公式(1、2)给出了机车质点模型的定义[5]:
其中,m为机车质量;ρ为机车惯性质量系数;v为机车速度;s为机车位移;f(s)为当前位置的牵引力或者制动力,并满足如下约束:设最大牵引力为ftmax(ftmax>0),最大制动力为fbmax(fbmax>0),则有-fbmax<f(s)<ftmax成立;Rb(v)为机车基本阻力,包含转动阻力和空气阻力,其经验公式可定义如下[6]:
公式(3)中的系数a、b、c是由机车属性决定的,而这些属性可以通过实验方式获得。Rl(s)为轨道阻力,轨道阻力是由轨道坡度、曲度、隧道等因素产生的,轨道阻力可由公式(4)给出定义[6]:
其中,g为重力加速度,α(s)、r(s)、lt(s)分别表示坡度、弯道半径及隧道长度。值得注意的是,当机车在隧道中行驶时,会受到更大的空气阻力,这取决于隧道形状、隧道墙面的粗糙程度及机车外观设计等因素。弯道阻力fc()和隧道阻力ft()可由以下公式定义[5]:
1.2 机车运行优化问题
机车运行问题可以由最优化问题解决。牵引力或制动力f(s)是关键的控制变量,而状态变量是指机车的位移s和速度υ。我们的优化目标是最小化机车行程时间误差和给定行程时间条件下的机车能耗。我们同时把能耗和准时性作为优化目标,并用来表示机车行程的预设时间,T表示机车实际运行时间。
为简化机车模型中参数(如机车阻力和速度限制等)的处理计算过程,也为了方便优化问题的分析和数值研究,本文中把机车位移s选作独立变量而未选用时间t。本文使用动能而不是速度v,可以方便对优化控制问题的研究。这样做可以消除很多非线性的模型,且不影响模型的精度和一致性。因此,单位质量动能K(K=0.5v2)和位移s被选作独立变量。机车运行可用如下连续模型表示:
以位移s为参数,该问题的优化目标可由以下公式表示；
机车运行所要受到的约束条件公式(12)、公式(13)及边界条件公式(14)、公式(15)如下:
其中,JE和JT分别为机车能耗和准时性方面的优分目标。sstart和vstart分别为行程刚开始时的机车位置和速度,send和vend分别为行程结束时的机车位置和速度。行程预设时间往往由列车时刻表给出。
2 基于行程预规划优化控制方法
2.1 基准目标曲线获取
列车的运行情况需要受到多方信息的约束,比如调度指令、列车编组信息、道路条件、运行时间要求、限速条件等,因此基本目标曲线的获取过程便是要把这些约束作为优化约束条件,把机车性能参数作为基本条件,把机车运行能耗最低或者运行时差最小作为单目标或多目标优化目标,从而计算出机车运行曲线。本系统采用离线使用NSGA-Ⅱ多目标遗传优化算法进行搜索的方法展开获取典型情况下的基准目标运行曲线。
NSGA-Ⅱ算法属于典型的多目标遗传算法,遗传算法是一种通过模拟进化论中的自然选择过程搜索最优解的方法,它的主要特点是直接对结构对象进行操作,对问题模型的结构和形式依赖较小,自动调整寻优的方向,不需要领域知识或者特定的规则。遗传算法被广泛地应用于组合优化、自适应控制等领域。
本系统使用NSGA-Ⅱ算法,设计了一个双层多目标优化操纵序列计算方法。该算法的流程图如图1所示。上层NSGA-Ⅱ算法包含了分段策略及段与段之间衔接速度的优化计算,底层NSGA-Ⅱ算法包含了机车牵引计算模型的构建和序列策略中各挡位时间分布优化搜索的计算,然后底层NSGA-Ⅱ算法向上层NSGA-Ⅱ算法提供最终种群中的最优个体(即最好的挡位时间分布比例)的时间消耗和油耗,上层NSGA-Ⅱ算法据此进行评价并调整种群,迭代直至达到终止条件,从而最终种群的最优个体提供的是最好的速度衔接方案。根据上层NS-GA-Ⅱ算法得到的最好的速度衔接方案及对应的方案中由底层NSGA-Ⅱ算法提供的时间分布策略,确定最终的优化操纵序列,进而实现基准目标曲线的获取。
底层多目标计算模型以牵引计算模型和操纵方法为基础,采用NSGA-Ⅱ算法来计算铁路机车在特定分段、特定操纵方法和特定输入输出速度的限定下,能达到最短时间和最少油耗的挡位选择和比例分配的挡位序列。底层多目标计算模型在给定分段、操纵方法和输入输出速度的情况下,利用NSGAII方法搜索操纵方法中每种操作的具体挡位选择和在整个操纵方法中所占的比例,利用牵引计算模型计算具体行驶过程,以达到时间最少、油耗最少并且与输出速度的差值最小的目标。对于给定路段j,j=1,2,…,p;j为分段标识;p为总段数。底层多目标计算模型表达式如下:
其中,i=1,2,…,h;i为步长标识;h为总步长数;Ej为该段总能耗;△Ei为i步长时单位能耗;ΔTi为i步长时的时间长;ΔTj为机车到达终点时的时间误差;Tj为该段计划运行时间;△vendj为到达该段终点时的速度误差;v(h)为终点时的速度;vs(h)为终点时计划速度;abs()表示求绝对值;vstart(j)为第j段时的起始速度,当j=1时,vstart(j)取机车初始起始速度;vend(j)为第j段时的终止速度;vs(j)为第j段的计划终止速度;v(i)为步长i时的机车速度;vlim(i)为步长i时的限速。
上层多目标计算模型在给定线路和其对应的分段方式及操纵方法的基础上,为其中每一个分段分配输入、输出速度,并由底层多目标计算模型返回其对应的时间消耗和油耗,统计获得总的时间消耗和油耗。通过评价一种速度分配方案的时间消耗和油耗,利用NSGA-Ⅱ方法搜索得到最优的时间分配方案。其表达式如下:
其中,j=1,2,…,p;j为分段标识;p为总段数;Etotl为总能耗;△Edj为第j段时能耗;△Tdj为第j段时的时间长;ΔTtotal为机车到达终点时的时间误差;Ttotal为计划总运行时间;υstart(j)为第j段时的起始速度,当j=1时,vstart(j)取机车初始起始速度;υend(j)为第j段时的终止速度;υs(j)为第j段的计划终止速度。
2.2 当前目标优化曲线获取
当典型工况下的基准目标曲线获取后,如何参照基准目标曲线,基于当前实际运行参数,实时优化生成用于指导列车实际运行的当前目标优化曲线就是一个非常现实的问题。当前优化目标曲线获取内容部分主要实现根据临时调度信号和机车当前运行状态信息等参数实时计算基于调度信号的当前优化目标曲线。
本系统在处理当前目标优化曲线获取部分时采取了一种基于自适应A*算法的铁路机车优化操纵方法,其实施过程可以分为2个步骤:第一步,建一个物理仿真环境来模拟实时火车路线最优化问题;第二步,运用A*搜索算法来模拟获得最优化挡位输出序列。
首先,由于算法需要一个启发式的函数来表征能源消耗等,因此一个物理的用于获取火车路线最优化运行数据的仿真是必需的。这个物理仿真模型的建造包括铁路的轨道信息,火车的数据诸如火车的质量和火车的运动学方程,以及司机历史操纵数等。这个仿真的输入是火车当前速度、地点、每一步火车运行的距离及被选择的挡位。这个仿真的输出是最终的速度、时间及消耗的燃料。
其次,A*搜索算法被广泛地运用在最佳优先路径判定算法中,在一个给定的初始节点到一个目标的节点中选一个花费最少的路径。A*算法用了一个启发式的函数来决定节点搜索的顺序。这个启发式的函数是函数g(x)和h(x)之和:
其中,g(x)是起始节点到当前节点x的距离,h(x)是一个容许的对从x到目标节点距离的“启发式评估”,它不能超过到目标节点的距离。
在我们实施A*算法的过程中,我们将全段线路分割成固定长度l的小段,每一段的挡位是固定的,然而不同段l之间的距离可以是不同的,我们用函数f(E,T)作为启发式函数,E代表能源消耗,T代表时间。
E的用处是选择具有更低能耗的节点,T是用来保证不晚点的限制。为了简化计算及改善效率,我们使用如下线性关系,其中Kt和Ke分别代表时间和能耗的权重。
当给定了一个初始的速度和地点的机车,我们用这些参数及启发式函数f(E,T)来计算总长度L=n×l上的最优路径,这里n是总的小段数,我们用第一个选出的挡位来在当前的小段上运行算法。重复这个步骤直到路线走完。
为了用A*算法解决火车路径最优化问题,我们要将标准的A*算法和实际的知识领域结合起来,在这当中,最重要的步骤是设计估价函数h (x)。在这个问题中,基准目标曲线可以发挥很好的作用。一个原始的关于未来能量消耗的估价函数可以从最接近的典型工况的基准目标曲线直接获取,记为H(E)。然而,基准目标曲线与当前实际需求的目标曲线毕竟不同,因此一个更好的估算方法是结合经验知识和理论,对估价函数进行适当修正。
本系统中估价函数被修改如下:
其中,代表运动带来的能量改变。类似的,我们有时间上的估价函数:
其中,H(T)为从最接近的典型工况获取的基准目标曲线中的未来路段时间消耗;vavg是大致的平均路程的速度;amax是在当前的计算单元中,火车运行时能得到的最大加速度;αT是权重因子,考虑加速过程不能保持不变,我们用它来平衡在时间估价上的影响。
3 实验分析
本文基于某型内燃机车进行了模拟仿真实验。该机车含有17个控制挡位,包含8级牵引挡(记1至8)、惰行挡位(记0)和8级制动挡位(级-1至-8)。挡位绝对值较高意味着较强的牵引力或者制动力,也就代表了更高的能源消耗。由于机车保持恒定的功率输出,所以其能量消耗可以被看做只与操纵挡位有关。对于实验中的机车,其牵引功率特征和制动功率特征变化分别如图2和图3所示。图4给出了试验所选路线的坡度走势展示。
课题组基于图1所示架构,搭建了硬件在环半实物仿真平台(如图5所示)。该半实物仿真测试平台可用于测试所设计的机车节能操纵优化控制系统的运行效果,试验过程可根据不同的实际驾驶数据,为模拟器提供负载等条件输入。
实验中我们选取了1 0组来自有经验的驾驶员在该线路上的实际驾驶数据,这些数据蕴含了不同的负载情况。然后,我们将有经验的司机驾车的能耗和按照本文方法实现得到的仿真结果中的能耗做比较,试验和模拟结果见表1。从结果中可以看出,无论是重载还是轻载模式下,本文提出的机车节能操纵优化控制系统方案实施结果与司机实际驾驶相比,平均可以节约约1 1.47%的能源,同时与司机驾驶运行时刻表之间的平均时间偏差仅为40 s左右。试验表明了在不同的运行条件下本文提出的机车节能操纵优化系统的处理能力。本实验利用硬件在环仿真测试系统平台、600 Hz Corte×-A8处理器运算得到的实验结果显示,当前目标曲线的计算获取能够实时进行,并能用于指导当前操纵挡位的输出。
4 结论
本文为了解决智能铁路交通运输中的能源消耗问题,设计了一种基于行程预规划的机车节能操纵优化控制系统。该系统既适用于既有机车改造,也适用于新造机车加装,系统并列于司机控制器工作,针对当次运行线路和机车运行参数,预规划机车运行速度曲线并基于实时状态调整操纵,且可由司机方便地选择手动或自动驾驶,在满足系统安全驾驶需求的同时,实现了节能操纵,适用于我国当前铁路现状。该系统基于基准目标曲线和实时目标曲线2个步骤实现基于行程预规划实时优化控制,系统方法在所构建的硬件在环半实物仿真测试平台上进行了试验,并于多组司机实际驾驶数据进行了对比研究,节能效果良好。
摘要：文章介绍一种基于行程预规划的机车节能操纵优化控制算法,针对当次运行线路和机车运行参数,预规划机车运行速度曲线并基于实时状态调整操纵。行程预规划过程分为基准目标盐线获取和实时优化曲线获取2个步骤:①基于当次运行线路和机车运行参数,使用NSGA-Ⅱ算法设计了双层多目标优化方法预规划基准目标曲线;②在自动驾驶时基于该基准目标曲线,使用自适应A*算法计算实时优化运行曲线。该方法在硬件在环半实物仿真测试平台上进行了测试验证,测试结果相比司机运行数据,平均节能效果约11.47%。
关键词：机车节能,优化操纵控制,行程预规划,NSGA-Ⅱ算法,A*算法
参考文献
[1]Eldredge D,宋海龙.列车运行与优化系统的设计[J].铁道通信信号,2011(12):55-57.
[2]赵爱菊.机车优化操纵的微机指导系统[J].铁道学报,1990(1):1-9.
[3]金炜东,王自力.列车节能操纵优化方法研究[J].铁道学报,1997(6):58-62.
[4]王自力.列车节能运行优化操纵的研究[J].西南交通大学学报,1994(3):275-280.
[5]V Xuan.Analysis of Necessary Conditions for the Optimal Control of a Train[D].Australia:University of South Australia,2006.
[6]B Mao.The Calculation and Design of Train Operation[M].Beijing,China:People Transport press,2008.
优化操纵控制论文 篇2
1 设计背景
江苏牌50型拖拉机是市场上深受欢迎的成熟机型, 为了能够满足市场不同用户的使用要求, 必须对整机的操纵性能进行不断提高, 适应市场发展需求, 向高档次、高性能的新型农机方向发展。为此, 我们将江苏牌50型拖拉机的操纵踏板平台抬高升级优化, 优化操纵者的操纵环境, 进一步提高人机工程性, 采用抬高整体式踏板平台, 为此配套的操纵机构也需要随之优化升级。
2 江苏牌50型拖拉机优化升级前的离合联锁操纵结构
升级优化前江苏牌50型拖拉机离合联锁操纵结构如图1所示, 主要由分离叉轴合件、回位弹簧、离合踏板、联锁推杆、联锁轴摇臂组成。从变速箱内分离叉到离合踏板之间采用两级杠杆机构, 分离叉轴合件处的杠杆比是25/11 (外摇臂125 mm∶分离叉55 mm) ;离合器踏板处的杠杆比是135/19 (踏板臂长405 mm∶分离叉57 mm) 。其杠杆比总和为 (25/11) × (135/19) =16.15, 将离合器分离杠杆的力缩小约16倍, 大大减轻了操纵者操作强度。当踩下离合器踏板到某一个位置时, 主离合器彻底分离, 推动与其连接的联锁轴摇臂顺时针旋转45°, 使其上的摇臂轴脱离变速箱壳内的联锁销, 解除锁定作用, 保证拖拉机起动或运行中换挡顺当轻便;当放开离合踏板, 其在回位弹簧的作用下回位, 并通过联锁推杆将联锁轴摇臂拉到原位, 从而保证在运行时不跳挡。
3 江苏牌50型优化升级后的离合联锁操纵结构
为了保证升级优化后的离合器操纵联锁机构能够保持原有机构的功能和特点, 提升操纵综合人机工程性, 根据操纵对应座椅标志点的要求, 设计布置了如下升级优化方案, 不但保留操纵省力和换挡顺当轻便的优越性能和拖拉机运行时不跳挡的可靠性, 还增加了调整机构, 以便调整弥补摩擦片磨损或机构变形, 从而保证操纵的可靠性。
1.分离叉轴合件2.回位弹簧3.离合踏板4.联锁推杆5.联锁轴摇臂
1.分离叉轴合件2.联锁推杆3.联锁轴摇臂4.过渡拉杆5.过渡摇臂6.拉杆7.踏板8.回位弹簧
改进后的结构如图2所示, 主要由分离叉轴合件、联锁推杆、联锁轴摇臂、过渡摇臂、踏板、回位弹簧等组成。其从变速箱内分离叉到离合踏板之间采用为三级杠杆机构, 分离叉轴合件上的杠杆比是48/11 (外摇臂240 mm∶分离叉55 mm) ;过渡摇臂上的杠杆比是16/23 (主动臂长80 mm∶从动臂长115mm) ;离合器踏板上的杠杆比是268/45 (踏板臂长268 mm∶短臂长45 mm) 。其杠杆比总和为 (48/11) × (16/23) × (268/45) =18.08, 将离合器分离杠杆的力缩小18倍, 比原来结构更加减轻了操纵者离合踏板的操作强度。同时优化设计联锁轴摇臂结构, 保证其能够在分离叉轴合件旋转与优化前相同的角度状态下将联锁轴摇臂仍然能够旋转45°, 挂挡轻便和起到防止跳挡作用。当踩下踏板到某一个位置时主离合器彻底分离, 此时通过过渡摇臂拉动分离叉轴合件推动与连接的联锁轴摇臂逆时针旋转45°, 使其上的摇臂轴脱离变速箱壳内的联锁销, 解除锁定作用, 保证拖拉机起动或运行中换挡顺当轻便;当准备行车运行时放开离合踏板, 其在回位弹簧的作用下回位, 推动过渡摇臂, 并推动分离叉轴合件, 此时分离叉轴合件通过联锁推杆将联锁轴摇臂拉到原位, 从而保证在运行时不跳挡。
4 结语
综上所述, 通过对江苏牌50型拖拉机离合联锁操纵机构优化设计, 不仅保留了原有机构的优越性能和可靠性, 还进一步减小了离合踏板的操纵力, 并且增加了调整机构, 保证了江苏牌50型拖拉机操纵系统的优越性, 并且优化了操纵的人机工程性, 继承性好, 易于实施, 在江苏牌50型拖拉机上得到了广泛应用。
摘要：江苏牌50型拖拉机是市场上深受欢迎的成熟机型, 随着用户对操纵性能的要求不断提高, 根据市场需求, 必须将操纵系统进行升级优化设计, 为此将踏板抬高优化了操纵者的操纵平台, 并对江苏牌50型拖拉机原有的离合联锁操纵机构进行优化改进设计。
优化操纵控制论文 篇3
一
广告中的拜物现象是广告所展现的人与物的主要关系形式。和《旧约全书》中先知们谈论的偶像崇拜很相似, 广告中的拜物现象也是人创造的产品在吸收了人的生命力量以后反而成了人的主人, 人们对这种脱离了自己的身外之“物”顶礼膜拜。广告产品这种神奇力量的获得在商品社会有其必然性, 工业化的生产模式使产品的真实讯息很难为外人所知, 产品的设计、品质管理、生产对环境的影响、劳资关系等生产的真实意义都隐藏在了产品的背后, 而人对产品的消费并非只是基于生理需要的自然行为, 而是一种渴望意义的文化活动。因此, 当人们不能从其他渠道获得产品的真实意义的时候, 广告便及时地填补了产品生产留下的意义空间, 将自己的意义赋予产品, 商品崇拜由此产生。“商品崇拜的第一要义, 就是挖空商品的意义, 藏匿真实的社会关系, 然后再使想象的、形象的社会关系乘虚而入, 在次级层次建构意义。生产虚位以待, 广告补注新血;真实在想象的遮掩之下, 无影无踪”。 (2) 这些吸附了人所给予的意义的商品, 就已不再是人的役使物, 它完全脱离了人, 成了在人之上并与人对立的独立存在, 人不但不能支配它反而为它所支配。在与广告中的商品比起来, 人总显得不够聪明甚至很愚蠢, 人总是次级的、第二位的、附属的。看了服用某保健品就能带上博士帽、考试就能得满分的广告后, 你就会觉得所谓“勤径苦舟”的古训不过是代表落后的老皇历。在听了某护肤品的“女人美颜才美丽”的诉求后, 你开始怀疑“女人可爱才美丽”是否正确, 诸如此类, 不一而足。
二
人对物的崇拜其实是对物所具有的意义的敬奉, 而这意义又是人所赋予的, 因为这些意义并非人的内在生命需要, 只是人的非理性的欲望, 当人屈从于这些非理性的欲望时, 我们也就在人与自身的关系中看到了异化现象。本来, 商品的消费活动应该是一个具体的人的完全自由的、富于人性化的、有意义的社会实践, 我们的感觉、内在需要和审美趣味参与其中, 消费活动中的主体应该是一个活生生的、具有判断能力和丰富情感的人, 而广告所主导的消费活动却与使用这种商品时的具体感受以及创造性的体验无关, 完全受控于人为刺激起来的目标幻想。人们喜欢手表是因为它代表着气度和身价, “戴海霸, 添身价”, “戴天霸, 气魄大”;人们向往外国产品是因为它标志着品位和身份, “要想欧洲化, 就买一辆奔驰;要想美国化, 就穿牛仔裤、抽万宝路”。而当人被这种非理性的目标欲望所驱策时, 人也就被这些目标欲望所占有, 成了它的奴隶。人的主动性和丰富性也就消失殆尽了。体育活动本是人性的自由舒展, 而在广告中却被赋予了新的意义, 在一则上海某别墅的电视广告中, 当记者问祁宏进球是什么感觉时, 画面出现了××别墅的几个镜头, 祁宏迟疑了一下回答:“感觉不错, ××别墅, 我的新家。”在这里, 个人的感觉和体验完全被物化了, 进球不过是为了找到住别墅的感觉, 或者说, 不住别墅就根本找不到进球的感觉。旅游观光是人的一种创造性的、自发性的活动, 并能给人的内心世界和审美情趣带来些许变化, 但“只按快门就能拍照”的相机广告却使旅游成了一次异化消遣, 整个过程旅游者忙于四处拍照, 最后他所看到的仅限于镜头所记录的, 他的感受也都集中在那本相册中, 这与旅游应该给他带来的无限性不能同日而语, 消费者的需要成了一种“假需要”, 消费也便成了“假消费”。这种忽视了“理性”的反理性消费使消费者掉进了广告的意识形态陷阱中, “人类就这样在广告的作用下逐渐被架空, 不再有敬畏、不再有沉思, 而只会在现象世界里寻找刺激。结果, 人类成了精神‘空心人’和物质‘器皿人’, 患上了致命的‘浮躁病’;以感觉取代思考;以潮流化的选择取代自主性选择;以市场取向代替人生信念取向” (3) 。
三
此外, 广告中的异化现象还表现在人与人的关系上。广告中尽管可以展现各种各样的人际关系, 但这种展现并非是随意的, 为了推销商品, 要求广告中的人际关系必须以商品为核心, 为此, 如果非要在与一个人的关系或与一件产品的关系上选择, 广告通常安排选择后者, “他们回避人类关系, 宁愿选择广告乌托邦所提供的替代品, 与没有生命的物品发生关系” (4) 。人与人的关系也因此被物化了。肯德基的一则新品汤类广告:一个秋日的夜晚, 街上行人稀少, 镜头中由远及近走来一对恋人, 女人在冷风中瑟缩着, 男人适时地将自己的围脖摘下来给女人戴上, 女人看着男人露出满眼的幸福, 镜头一转, 二人已坐在了一家肯德基快餐店, 面前摆着热气腾腾的汤, 按说要推销的产品已在广告故事中被合乎逻辑地推了出来, 广告可以到此结束了。但不要忘了, 在广告中商品永远要做人们关注的焦点, 而此前人们似乎只记住了男人对女人的关爱, 这绝对不行。广告最后的结尾是, 二人出了肯德基快餐店, 女人高兴地跳了起来, 不要以为是今晚男友对她的关怀使然, 因为此时她正把男友的围脖扔了出去, 其中的道理再浅显不过了, 既然喝了汤, 围脖就算不了什么了, 男人对女人的爱在一碗汤面前相形见绌, 甘拜下风, 广告中商品的魅力再一次战胜了人的魅力, 人与人的关系也完全被人与物的关系所代替。理查德·凯勒·西蒙在《广告和乌托邦》一文中把这概括为“商品婚姻”罪, 在现代商业社会中这是一种极其普遍的社会现象, 而当人不再认为与他人的关系比与商品的关系更重要的时候, 人也就被明显地异化了。
四
无论是费尔巴哈对宗教异化的批判, 还是马克思对资本主义制度异化劳动的批判, 我们都能从中读出思想家们恢弘浩大的人本主义精神, 感受到那种穿越历史时空的终极人文关怀。在普遍存在着异化现实的广告世界里, 这种人道主义关怀就显得更为重要了。在广告中, 我们崇拜和敬仰的不过只是自己本质对象化的产物, 我们真正要做的是确立活生生的人的价值和意义, 恢复作为具体的人的尊严和品格, 而广告却将人完全物化了, 以至于人的任何生命的创造性的活动都要与外在的物联系起来, 并以此衡量活动的价值, 广告会告诉你几十元一张门票的音乐会是物有所值, 打电话给家人会节省你写信的时间:商品消费能带来权位和富贵。就这样, 人的活动已不再是生命的感悟, 而是被完全外在化了, 人也便陶醉于这种虚幻的满足之中。而当现实打破了他们这种黄粱美梦, 在失去了作为宇宙中独一无二的生命意义以后, 他们对人世的态度也便由迷茫到厌倦以致绝望了。“中国的自杀率是英国的三倍, 美国的两倍”, “每年全世界一半以上的自杀发生在中国”。 (5) 专家分析了其中的诸多原因, 但很少有人提到商业社会对人的异化, 其实, 弗洛姆早就指出过, “由异化生活方式所产生的无聊和单调的生活是自杀的原因之一” (6) , 这应该引起我们的重视。
注释
1[1][6]埃利希.弗洛姆[美]:《健全的社会》, 中国文联出版公司, 1988年版, 第124页, 第152～153页。
2[2]Sut Jhally:《广告的符码》, 远流出版事业股份有限公司, 1992年12月版, 第96页。
3[3]王春泉:《广告文化论》, 西安出版社, 1998年版, 第130页。
4[4]理查德.凯勒.西蒙[美]:《垃圾文化——通俗文化与伟大传统》, 社会科学文献出版社, 2001年版, 第126～127页。
叉车用改进型电液控制变速操纵阀 篇4
目前,国内6～10t液力叉车变速器所用的DCCT6型电液控制变速操纵阀组,是在CCT6型手动操纵阀基础上设计开发的。其原理如图1所示,主要由速度电磁阀1、速度选择滑阀2、方向电磁阀3、方向选择滑阀4、微动阀5、调节阀6和蓄能器7等组成。从多年的使用状况来看,该变速操纵阀组存在以下几点问题:
1.速度电磁阀2.速度选择滑阀3.方向电磁阀4.方向选择滑阀5.微动阀6.调节阀7.蓄能器F1—接前进1挡离合器F2—接前进2挡离合器R1—接倒退1挡离合器R2—接倒退2挡离合器
(1)油路不合理
原变速操纵阀组与液力传动变速箱的接合面处有2块铸造铁板叠合而成的油孔板,油孔底板中间有许多油孔及油道,将各阀组的油路连通,其结构如图2a所示。
其油路设计不合理表现在以下几个方面:油孔底板的油孔及油道较多,加工难度大;结合面的油孔及油道不能互相贯通,油孔底板平面度的加工难度较大,加工时废品率高;2块油孔底板的结合面用密封垫密封,容易发生泄漏;原变速操纵阀组装上油孔底板后总体的体积和质量都较大。总体来看,这种结构形式不但性能不稳定,而且故障率高、检修难度大。
(2)速度电磁阀能量浪费
原变速操纵阀组的速度电磁阀采用二位二通电磁阀(见图1)。在叉车低速工况下,流过该二位二通电磁阀的油液直接流回油箱,其液力能没有得到有效利用。
1.速度电磁阀2.速度选择滑阀3.方向电磁阀4.微动阀5.调节阀6.蓄能器F1——接前进1挡离合器F2——接前进2挡离合器R1——接倒退1挡离合器R2—接倒退2挡离合器
(3)方向电磁阀结构复杂
原变速操纵阀组的进、退操纵由方向电磁阀、方向选择滑阀2个阀组控制(见图2)。这2个阀体体积大,结构复杂,反应滞后,易于出现故障。另外,原阀体没有安装滤网,易于造成阀芯被污染。
2. 改进措施
针对上述问题,我们研制了1种新型液力传动变速器用DCCT6型电液控制变速操纵阀,如图3所示。其主要由速度电磁阀1、速度选择滑阀2、方向电磁阀3、微动阀4、调节阀5和蓄能器6等组成。改进部位包括以下几点:
(1)重新设计油路
我们对变速操纵阀组的油路进行了重新设计,改进后的变速操纵阀组取消了油孔底板,将变速操纵阀组油路由油孔底板内置变为将油道直接铸造在阀体的安装底板上。其主要优点体现在以下5方面:一是可以降低加工难度;二是方便检查,易于发现油道铸造缺陷;三是取消油孔底板及相应的密封面后,能有效避免油液泄漏;四是能使得整个变速操纵阀组的质量从原先的16.9kg下降至12.3kg,从而减少了材料,节约了成本。五是阀体更加紧凑,便于维修。
(2)改进速度电磁阀
改进后,将原二位二通速度电磁阀改为二位三通速度电磁阀(见图3)。在低速的工况下,速度电磁阀油路始终保持关闭状态,这部分油液能够全部为变矩器供油。由于油源输出的压力油得到了合理利用,所以变速控制更加节能。
(3)换向装置的更改
改进后,取消原有的方向选择滑阀,由电磁换向阀直接控制换向(见图3)。该油路更加简单,结构更加紧凑,并可减少延程的压力损失,提高换挡的反应速度,避免动作滞后现象。
另外,在变速操纵阀组进油口处增加滤网,以防因油液污染而产生阀芯卡死等故障,从而提高了电液控制变速操纵阀组的可靠性。
优化操纵控制论文 篇5
关键词：客车,操纵稳定性,模糊PID
0 引言
汽车的操纵稳定性是指驾驶员在不感到过分紧张、疲劳的条件下,汽车能够遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶,并在遭遇外界干扰时,能抵抗干扰,恢复稳定行驶的能力［1］。它是决定汽车安全行驶的一个主要性能,特别是在高速转向行驶工况,因此也被成为“高速车辆的生命线”。当汽车高速行驶在低附着系数路面时,由于受外界干扰或者驾驶员转向作用时,侧向附着力往往很容易就达到附着极限,车辆发生侧滑并失去操纵稳定性和方向稳定性,导致交通事故的发生。客车相比于一般轿车,有质心高、整车质量大、乘员多、通常处于较高行使速度等特点,当发生严重侧滑致使客车驶进公路路旁软地面或者碰到障碍物( 如路肩) 时,容易发生造成群死群伤的侧翻或者翻坠特大交通事故。因此,怎样保证客车在低附着系数路面高速行驶的操纵稳定性是一个非常有意义的研究课题。
多年来,由于技术局限,人们仅限于通过改进轮胎、悬架、转向与传动系等被动安全技术来提高汽车的固有的操纵稳定性。20 世纪80 年代以后,随着计算机技术、电子通讯技术、传感器技术等科学技术不断发展,人们陆续开发了多种改善汽车操纵稳定性的电子控制系统。在汽车操纵稳定性仿真研究中,相比于传统汽车数学模型,adams / car不仅可以建立较为精确的整车模型,同时车辆各部分的动力学和动力学响应也和车辆实际情况相近,但是adams / car控制工具不够丰富,只能进行一些简单PID控制,而车辆控制系统通常具有非线性、时变性等特点,采用传统PID控制往往不能达到较好控制效果。现利用adams / car建立客车整车模型,通过与理想状态下二自由度车辆模型的横摆角速度之间差值来识别客车是否处于稳定行驶工况。针对客车控制系统的非线性、时变性的特点,利用matlab/simulink建立模糊PID反馈控制系统对客车不稳定行驶工况进行反馈控制。
1 客车整车模型的建立
根据国内某客车结构尺寸在adams/car中建立客车模型,如图1 所示。客车模型由各个子系统装配而成,各子系统之间通过通讯器进行数据的传递［2］。该客车整车模型充分考虑了悬架刚度、车辆轮胎特性、驾驶员的操纵行为、发动机特性等因素对车辆行驶稳定性能的影响,且各系统运动和响应与实车接近,因此可以较为真实准确地反应实车试验结果。
2 二自由理想参考模型的建立
为便于掌握汽车操纵稳定性的基本特性,将客车模型简化为线性二自由度汽车模型。二自由度汽车模型忽略了转向系、悬架的影响,并假设轮胎侧偏特性一直处于线性工作范围,只考虑汽车的侧向和横摆两个自由度的运动。二自由度汽车模型如图2 所示。
1—客车车身;2—制动系;3—前双摆臂独立空气悬架系统;4—客车轮胎;5—齿轮齿条式转向系统;6—后四连杆非独立空气悬架系统;7—客车发动机系统
二自由度汽车运动微分方程式为:
其中: u为质心速度v1在ox轴上的分量,v为质心速度v1在oy轴上的分量,δ 为前轮转角,m为整车质量,l为轴距,k1、k2分别为前后轮侧偏刚度,β 为汽车侧偏角,wr为横摆角速度,IZ为汽车绕z轴的转动惯量,a、b分别为质心到前后轴中心线的距离,轴距L=a+b。
假设车辆此时稳态转向行驶工况,即·v= wr·= 0,带入式( 1) 中得到稳态行驶工况的名义横摆角速度wr m d的表达式为:
wrm表达式中主要有两个变量参数,即前轮转角 δ 和车速 μ,其中前轮转角 δ 可以根据检测的方向盘转角大小经过传动比公式计算后得知,车速 μ 可以用非接触式车速仪进行测量。名义横摆角速度大小反映了驾驶员的操纵意图。
同时,车辆转向行驶时,为使得汽车不发生侧滑,车辆的侧向加速度ay不能超过轮胎与路面附着系数所决定的最大侧向加速度 μg,即:
式中,为汽车侧向速度的变化率,当汽车不发生侧滑时其值很小,考虑到高速行驶时路面侧向风力和·v的影响,为使得车辆不发生侧滑则有:
则汽车在路面附着系数为 μ 上转向行驶时所允许的极限横摆角速度wrlimit表达式为:
在高附着路面,一般情况下车辆的名义横摆角速度要小于车辆的极限横摆角速度,发生侧滑可能性较小,而在低附着路面,高速过度转向可能导致名义横摆角速度超过极限横摆角速度值从而发生侧滑,综合考虑车辆的操纵性和稳定性,则理想横摆角速度wrd表达式［3］为:
3 车辆行驶状态的识别
考虑到实际客车模型是复杂的多自由度车辆模型与线性二自由度车辆模型有一定的偏差,同时车辆在高速转向行驶时,车辆的侧向力很容易就接近路面和轮胎的附着极限,轮胎的侧偏特性进入非线性区域,从而导致实际横摆角速度wr与理想横摆角速度wrd产生一定的偏差。文中以偏差值的大小来判断车辆是否处于稳定行驶工况。横摆角速度处于稳定工况区域的判断式( 7) 为:
其中,△r为设置的横摆偏差带,其大小与车速相关。当车速较小( u≤80 km/h) ,发生侧滑的可能性较小,可适当提高偏差带大小,以减少对驾驶员正常操作的影响,取△r为2 ° /s; 当车速较大( u>80 km/h) 时,车辆更容易失稳,偏差带应较小,以便于及时对车辆行驶状态进行纠正,取△r为1 ° /s。
当车辆行驶状态满足式( 7) 时,认为车辆处于稳定行驶工况,不对其进行干预和控制; 反之则认为车辆处于需要进行操纵稳定控制的准稳定状态。
4 基于差动制动的模糊PID控制
差动制动控制主要是通过对车辆某个车轮进行单独制动,从而产生附加的横摆力矩用以改变车辆的运动状态,维持车辆操纵稳定性［4］。从图3 可以看出其中前外轮和后内轮在制动力逐渐增加时对横摆力偶矩的影响最大。差动制动控制就是根据车辆不同行驶状态,通过对前外轮或后内轮施加制动来纠正车辆不稳定行驶状态。当车辆转向过度时,通过作用在前外轮的制动力产生一个向外侧的附加横摆力偶矩,使汽车趋于不足转向; 当车辆转向不足时,则通过作用在后内轮的制动力则会产生一个向内侧的附加横摆力偶矩,使汽车趋于过度转向。当对某一轮施加制动力时,产生制动力Fx,而由于制动力与侧偏力之间的附着椭圆作用,施加制动力后导致侧偏力减少了△Fy,对某一个车轮施加制动力时产生的干预横摆力矩为:
其中,l1为施加的纵向制动力到质心的距离,l2为侧偏力到质心的距离。
根据差动制动控制原理,在不同行驶状态下,车辆稳定控制系统的制动轮选取逻辑表如表1 所示。
制动轮制动力矩大小则由模糊PID控制器根据输入变量e = | △w| -△r进行反馈控制,由于客车行驶工况有很多不确定性,这些不确定性能造成模型参数变化甚至是模型的结构突变,采用传统PID控制无法达到较好的控制效果,因此这里引进模糊控制对PID中3 个参数Kp、Ki、Kd进行在线实时整定。模糊控制器以e及其变化率ec为控制器输入量,通过对输入量进行模糊化处理,然后经过建立的模糊控制规则表进行模糊判决后得到△Kp,△Ki,△Kd控制器的输出量。通过设置不同量化因子和比例因子使输入量和输出量的变化范围都定义为模糊集上论域[-6,6],模糊子集分别为{ nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb } ,即: { 负大,负中,负小,零,正小,正中,正大} ,输入量和输出量均服从三角隶属函数曲线分布,如图4 所示
模糊规则整定PID 3 个参数的原则:
1) 当e较大时,为使系统具有较好的跟踪性能,应取较大的Kp与较小的Kd以使系统响应加快。
2) 当e处于中等大小时,为使系统响应具有较小的超调,应取较小的Kp及适当的Ki和Kd。
3) 当e较小时,应取较大Kp与Ki及适当的Kd,以避免系统在设定值附近出现振荡［5］。
模糊PID控制规则表如表2 所示。
模糊PID控制器的控制规律如图5 所示,其输入量和输出量关系式为:
5 adams / car和matlab联合仿真
根据上述制动轮选取逻辑策略和模糊PID控制规则在matlab中建立横摆稳定控制系统( 见图6) 。通过在control / plant中设置相应的输入输出量将adams / car和matlab联合起来［6］,对客车模型分别进行角阶跃转向( J-turn) 和鱼钩转向( Fishhook) 仿真。
J-turn仿真是指驾驶员对方向盘以阶跃的方式进行输入,使车辆进入匀速圆周运动的行驶工况。具体设置为: 使用路面附着系数为0. 6 的路面文件,客车初始速度为100 km/h,从0 s ~ 1 s,客车保持直线行驶,从1 s ~ 3 s,客车方向盘转角以阶跃函数的形式从0°转到320°,3 s至仿真结束,客车方向盘维持320°转角不变。输出仿真结果如图7、图8 所示。
从客车横摆角速度和侧偏角对比曲线可以看出,当不对客车进行控制时,客车横摆角速度实际值与理想值偏差值很大,同时客车侧偏角迅速增大至一个较大值,且还有继续增大的趋势,没有严格的边界。说明此时客车发生了较为严重的侧滑。经过横摆控制后,客车横摆角速度实际值与理想值之间的偏差值被限定在一个较小范围内,同时质心侧偏角也间接地得到控制,质心侧偏角被限定在一定范围内有严格的边界,且有继续收敛的趋势,说明此时客车处于稳定行驶状态。
为了验证控制系统在客车不同转向行驶时控制效果,对客车模型进行Fishhook转向行驶模拟仿真。具体设置为: 路面系数为0. 6,客车以100 km/h的初始速度行驶,在0 ~ 2 s内客车驾驶员操纵方向盘使客车向左转从0°转到350°,在2 ~ 5 s内驾驶员维持方向盘不动,在5 ~ 7 s内反打方向盘到右向350°后,在7 ~ 10 s,维持右向350°的转向盘转角位置不变直至仿真结束。仿真后结果如图9、图10 所示。
仿真结果显示: 在无控制时,客车横摆角速度值实际值与理想值偏差较大,侧向力超过了路面的附着极限,在第5 s ~ 7 s客车方向盘反转时,路面不能提供车辆转向所需的侧向力,客车失去转向能力,客车无法按照驾驶员的驾驶意图转向行驶,同时侧偏角持续增大,客车发生了严重的侧滑。采用横摆控制后,客车侧偏角变化范围被限定在一定边界内,车辆没有发生侧滑,横摆角速度实际值也和理想值较为吻合,对理想横摆角速度跟踪效果良好,客车操纵稳定性都得到了较好的改善。
6 结语
优化操纵控制论文 篇6
自动转向控制是实现农用车辆自动导航的关键技术之一［1］。拖拉机导航系统中,转向操纵控制系统根据上位机控制指令,驱动转向前轮转到指定角度。 转向操纵控制系统执行效果的优劣决定了导航车辆工作的准确性和稳定性［1］。
拖拉机本身是一个具有大延迟、高度非线性、时变性和不确定性的复杂系统,而且农田地况较差,轮胎与地面作用过程复杂,难以建立精确的数学模型［2］。当被控对象受到参数摄动和外部干扰等不确定因素影响时,会降低系统的控制品质,出现诸如振荡加剧、过渡时间过长等缺点［2］。因此,有必要充分挖掘车辆模型所蕴含的车辆状态信息,选择合适的控制算法,以改善导航系统性能。
自动驾驶转向控制算法直接影响到拖拉机自动驾驶的行走精度,通过研究拖拉机转向操纵控制的实现方法,并对常用算法对比分析、改进和融合,以仿真研究和试验研究为主要研究手段,寻求提高操纵控制器动态响应特性的方法,为提高农用车辆导航控制系统的路径跟踪精度提供可靠保证。
1试验研究
1.1双通道系数测定
由于所用拖拉机的转向油缸是单边油缸,转动方向盘速度相等时,左转向速度和右转向速度不同。当拖拉机右转向时,转向油缸有杆腔进油,无杆腔回油,转向速度快一些; 拖拉机左转向时,转向油缸无杆腔进油, 有杆腔回油,转向速度慢一些。为解决左右转向速度不同这一问题,设计了双通道控制方法,通过添加一个控制系数,来实现左右转向对称。
试验方法是让步进电机带动加装的全液压转向器转向,设定不同的双通道系数,通过电脑接收由CAN发送过来角度传感器的值,并保存分析数据,找出左右转向所用的时间相等所对应的系数。
图1分别是起始转角为0°、目标转角为30° ~ 30°、设置步进电机速度为0. 3r / s、全液压转向器左转和右转速度相同时的数据图。由图1可知: 拖拉机左右转向不对称,设置不同的系数,多次试验后,当右转速度/左转速度等于0.7时( 双通道系数为0.7) ,左右转向对称,如图2所示。
1.2比例系数测定
在控制自动转向时,为了提高控制的快速性、准确性和精度,希望当目标转角与当前转角的偏差较大时,具有较大的转向速度,以提高自动转向的响应速度; 当目标转角与当前转角的偏差较小时,具有较小的转向速度,以避免自动转向超调。为此,通过多次试验,测试出最佳比例系数,以满足转向控制的快速性。
试验方法是先设置好一固定的目标转角,给定不同的比例系数,控制拖拉机自动转向。通过电脑接收由CAN发送过来角度传感器的值,并保存分析数据, 观察转向的快慢和稳定性,以找出最佳比例系数。
图3为起始转角为0°、目标转角为30°、比例系数分别为20、50时的自动转向角度曲线。设置不同的比例系数,通过分析实验数据可知: 比例系数越大,转向速度越快,但超调量也越大,当比例系数过大时,系统稳定性下降; 通过多次多次试验,当比例系数为50时,转向效果最好。
1.3微分系数测定
单纯的比例控制会出现一定的超调量,微分控制可以减小一定的超调量; 但是,微分控制过大会放大噪声,使控制系统稳定性下降。为提高自动转向的精度、减小超调量,需要确定最佳微分系数。
试验方法是: 先设置好一固定的目标转角,在前面比例系数确定的基础上,通过设置不同的微分系数,控制拖拉机自动转向。通过电脑接收由CAN发送过来角度传感器的值,保存分析数据,观察转向的超调量大小和系统稳定性,找出最佳微分系数。系统控制稳定、超调量最小时所对应的微分系数就是最佳微分系数。
设置起始转角为0°,目标转角为30°,通过数据分析可得: 微分控制减少系统控制的超调量,但影响较小; 通过多次试验,当微分系数为20时,转向效果较好,如图4所示。
2仿真研究
通过对系统进行建模,然后针对控制对象的性能要求和影响因素,选定控制器,并对控制算法扰动因素进行分析,优化模型。同时,对操纵控制器的响应速度和精度及转向控制方法的控制效果进行试验分析,从而提高转向操纵控制器的控制效果。
2.1步进电机SIMULINK建模
拖拉机转向系统的建模主要就是对步进电机的建模,转向控制算法直接去控制步进电机,使之快速、 准确地输出需要偏移的角度。根据步进电机的特性, 建立A相的电压方程为
其中,ia为A相的电流; L为绕组电感; Km为反电势系数; R为绕组电阻; X为电机的转速; Nr为转子的齿数。
电机转矩方程为
其中,Te为电磁转矩; J为转动惯量; B为粘滞摩擦系数; TL为负载转矩［3］。
综上建立步进电机的数学模型,其微分方程形式为
从以上模型可以看出: 步进电机为高度非线性被控对象,对步进电机进行SIMULINK仿真,建立仿真模型如图5所示。
此模型有2输入4输出,分别是: Ua、Ub为输入量; ia、ib、H、X为输出量。电磁转矩模块Te是子模块,后接输出电流的绝对值模块。利用SIMULINK把这个模型进行封装,从而得到了拖拉机自动转向操纵控制器步进电机的仿真模块。
2.2模糊PID控制器构建
2.2.1构建思路
模糊控制不依赖于被控对象的数学模型,具有设计算法简单、易于实现、适应能力好、抗干扰能力强等优点,但存在控制精度不高和静态余差等缺点。步进电机的内部结构与其他类型的电机不同,内部各控制变量不仅高度非线性,而且相互耦合,所以很难用简单的数学模型去表达。由于步进电机构成的控制系统存在着非线性、时变、干扰等特性,当外界环境发生变化时,被控对象的参数也会随之变化,采用固定的PID参数难以达到理想的控制效果。因此,结合PID控制方法与模糊控制技术两者的优点,组成模糊PID控制技术,并将其运用于电机控制中,使系统具有较高的控制性能。
在步进电机控制系统中采用模糊PID控制可以充发挥模糊控制与PID控制各自的优势,用模糊控制去整定PID参数,建立模糊规则,通过推理对PID参数进行在线调整,从而提高转向操纵控制器的控制效果。控制原理如图6所示。
2.2.2模糊PID控制算法的建立与仿真
通过确定模糊语言变量,对各变量隶属函数进行确定,再通过控制规则的建立,进行模糊推理,可以得到模型中各个参数的取值。确定各变量kp、kI、kD隶属函数如图7所示。
采用Mamdani推理所得的推理结果,如图8所示。当e = 0.5、ec = 0.5,即给定值与测量值c( t) 之差及较上一次失步数之差模糊化所形成值,它所对应的PID各参数需取值kp= 0.469,ki= 0.565,kd= 0.45。
在Mat Lab /SIMULINK中,将建立的模糊控制器仿真模型封装在Fuzzy Logic Controller中,再将模糊控制模块与PID模块结合起来,建立的模糊PID仿真模型如图9所示。
所构建的模糊PID控制器可以使得系统具有反应时间短及超调量小的控制效果,可以有效地减少转向过程中的振荡现象,过渡时间过长等问题也得到了进一步改善。从波形分析可以看出: 模糊PID控制通过对参数的在线调整,对提高控制精度起到了关键的作用。
3结论
优化操纵控制论文 篇7
计算机技术和控制技术的快速发展,使得先进的数字化技术逐步取代以往的模拟技术,人-机系统中操作人员的工作模式也由原来的以操作为主转换为以监视和决策为主,脑力工作成为主要的工作形式。大规模数字化人-机系统中运行人员需要完成的任务大致可以划分为两类:第一类任务和第二类任务。前者在本质上可被萃取表征为四项任务:监视/检测、状态评估、响应计划、响应执行。而第二类任务是主要包括浏览与访问信息,数据搜索,页面配置与管理等。在数字化人-机系统中监视、诊断和决策已成为操纵者的主要工作任务[1],虽然他们在体力方面的负荷减少了,但其所体验到的心理负荷却增加了。科学技术提高了系统的可靠性,改变了人的工作方式,同时也使人机系统中人的作用越来越重要。因此分析数字化控制系统中操纵员心理负荷,以及对心理负荷产生重要影响的因子,对于提升操纵员可靠性、减少人因失误有积极意义。本文主要从系统本身的设计、操作人员间沟通方式和操纵员自身的特质探讨操纵员在操作过程中的心理负荷。
1 操纵员的心理负荷
1.1 心理负荷的定义
对心理负荷概念或理论的认同,是进行心理负荷有关研究的基础,但心理负荷是一个多维的概念,不同研究背景的人对心理负荷有不同的理解。国内的廖建桥等把心理负荷定义为衡量人的信息处理系统工作时被使用情况的一个指标,并与人的闲置未用的信息处理能力成反比[2]。Moray教授给出的定义:心理负荷是指人在工作时的信息处理速度,即决策速度和决策的困难程度[3]。而Rouse等认为,心理负荷不仅与任务有关,也与个体有关,一样的工作任务,工作者感到的心理负荷并不一样,个体能力、工作动机、工作策略、工作情绪以及工作者的状态等都可影响该工作者的心理负荷大小[3]。从上面的描述可以看出,虽然不同研究者对心理负荷概念的理解有所不同,但对其本质特征的观点是一致的,即心理负荷主要反映人机系统对人子系统的信息加工要求和情绪压力。
1.2 心理负荷与作业绩效
威肯斯提出的心理负荷理论,认为人类具有一组容量有限、性质相似且具有功用性的心理资源[2],即心理资源有限,主要表现在:注意力有限、感知能力有限、信息加工能力有限和记忆系统有限。然而心理资源是从事各种作业的基础。随着作业要求的增大,圆满完成作业所需要的资源量也相应增加。当任务难度增加或多个任务产生资源竞争而导致资源短缺时,系统的总绩效将下降。资源容量与资源需求量的差异(剩余资源)是心理负荷产生的内在机制。剩余资源的数量决定了心理负荷的大小,剩余资源越多心理负荷越小,反之,越大。作业要求、资源供应、作业绩效和剩余资源(心理负荷)各变量之间存在如图1[4]的关系。
1.3 心理负荷与人因失误
人在人机系统的操作过程中所起的作用,可通过心理学提出的带有普遍意义的SOR模型:刺激(S)→意识(O)→反应(R)来加以描述。该模型将人的认知响应过程分为三大部分:(1)通过感知系统接收外界信号的刺激;(2)解释和决策;(3)向外界输出动作或响应行为。
心理负荷既是效率问题,更重要的是安全问题[4]。人处于紧急状态下受诸多因素的影响,且心理负荷会增加认知功能会减弱,从而容易导致认知失误的出现,具体可分为感知失误、注意分配不当、记忆失误和决策失误等[5]。过重的心理负荷会影响人的心理和生理,使操纵员不能处在正常的心理、生理状态下工作,出现忽视一般的操作程序等倾向,最后导致操作结果与预期目标出现偏差而产生失误。
2 操纵员心理负荷的影响因素
在传统的工效学中,把影响操纵员心理负荷的因素归纳为四类:(1)任务变量,包括任务目标和要求以及任务结构;(2)操纵者变量,包括操纵者资格、能力等;(3)环境变量,包括物理环境和社会环境;(4)作业绩效和绩效反馈。在数字化人-机系统中,影响操纵员心理负荷的因素比以住更加复杂,除了工作任务带来影响外,系统本身也对操作人员有了更加严格的要求。
2.1 系统自动化水平因素
自动化是数字化系统的重要特征,它在很大程度上改变了操纵员的工作方式。虽然自动化能够降低操纵员的体力负荷,提高系统的安全性,并且在多个事件同时发生时,使操纵员能更快更精确的控制事件不使事件恶化。但它也存在一些问题,自动化使操纵员对系统的运行状态意识减弱,加重了操纵员的监视负荷。为了防止这些问题造成严重的后果,以人为中心的系统自动化被提出,即配合操纵员一起完成规定任务的自动化。因而,充分了解人最擅长做什么工作,自动化功能擅长做什么工作,才能使人-系统的工作绩效达到最佳水平。[6]
适当给人和机器分配任务有助于减少人因失误的发生、提高系统的安全性和增加操纵者的满足感,这也是自动化引入复杂工业系统的一个重要原因。在自动化以前,操纵员解决事故的主要基于纸制规程(PBPs)操作,而在自动化以后,主要以电子规程(CBPs)进行操作,CBPs的方便快捷,减少了操纵员的认知工作负荷。系统设计者应关注自动化带来的影响,不恰当的自动化水平可能会诱发潜在的系统故障。自动化水平高并不是一定会降低操纵员的心理负荷,工作内容才是影响心理负荷最重要的因素。
2.2 人-机界面因素
数字化技术的应用使信息显示的内容和方式与以往所采用的模拟式仪器仪表相比发生了重大变化[6]。数字化环境下操纵员主要通过人机界面获取系统运行工况时的检测信息,执行相应的操作控制功能。人机界面成为了人机接口最集中的地方,也是人因失误发生最多的地方。数字化人机界面设计中,最重要的任务是恰当的组织画面,既要保证整个工艺系统显示的完整性,又要注意每一幅画面中信息量的多少。在现有的数字化控制系统中,操纵员为了获取整个系统的状态,必须通过界面管理任务进入许多单个画面以掌握所需的全部信息,并对信息进行检索、整合、记忆等,从而在很大程度上增加了操纵员的心理负荷。特别是在故障发生后,在繁重的工作和心理压力下,操纵员容易过滤、忽略一些极为重要的信息,可能导致更严重事故发生。
上世纪末Rasmussen等人提出了一种的新的界面设计理论——生态界面设计理论(EID),它是设计复杂社会技术系统人机界面的理论框架人[7]。在该理论指导下开发出的生态显示界面与其它传统的显示界面相比,生态显示界面在监视突发事件方面具有明显的优势,更重要的是没有给操纵员增加任何的心理负荷。因此把EID和数字化技术相结合,对于减少操作人员心理负荷可能会有突出的贡献,但这还需以后做实证分析才会有定论。
2.3 人格特质因素
人格特质理论指出,一定的人格特质需要与对应的工作相匹配。心理学中的元分析表明:某些特定的心理特质,如情绪稳定性、责任心等,是理想的行为预测指标。西方国家研究者对人格特质与工作匹配的关系作了大量的理论研究,发现:(1)人格影响人对事物的理解;(2)人格影响人与他人的沟通方式;(3)人格影响人独特的表现形式;(4)人格影响人在处理事物上的方式[8]。因此,根据不同的人格特质,匹配不同的工作岗位,能使组织和个人双方都获得较高的满意度。
美国核学会对合格的核电站操作人员的人格特质曾提出过如下要求[9]:(1)心理警觉及情绪稳定;(2)能够准确地理解信息;(3)感觉敏锐、快速;(4)个人身体健康、动作的有效性及灵巧性能保证安全地完成操作任务。众多的研究结果表明,在复杂的工业系统中,具有情绪敏感性高或责任感强的人格特质的人心理负荷和工作压力大。在某些危险职业领域,已采用心理选拔系统来挑选人才,并取得了非常好的效果,但针对核电领域,还没有系统的操纵员心理选拔所需要的各个维度[7]。
2.4 沟通方式因素
所谓沟通,就是组织中人与人之间、人与系统之间的信息发送与接收。大规模复杂社会系统中,人-人-系统共同工作时,一般有两种类型的沟通方式,如图2和图3[6]。
A型共同工作模式中,一些工作人员只能通过与操作人员沟通交流才能获得系统运行状态数据。旧式控制室的沟通模式就是一个典型的例子,当系统的状态参量发生变化后,操纵员向上级报告,上级获得系统运行参数信息以后,根据文本操作规程下达指令。这种模式在很大程度上加重了操纵员的工作负荷,当系统故障警报响起后,操纵员的心理负荷可能突然从轻微递增到极点。而B型模式中,所有相关人员可以直接通过系统界面获得系统状态参数,减少了人与人之间的口头交流,减少了操纵员的心理负荷,更重要的是,在紧急状态下,防止人与人在交流过程中因疏忽、遗漏和错误理解信息而引起人因失误的出现。当前多数的控制室采用的是B型模式,当系统状态参数发生偏差时,操纵员可以直接依据计算机化的操作程序进行操作,省去了一些轻微事件须与上级口头交流的工作。
3 结束语
在复杂工业系统中,心理负荷是影响个人工作绩效的一个重要因素,数字化技术减低了对人的体力需求,但对人的脑力和责任心提出了更高的要求。
心理负荷的影响因素非常多,即有内部的因素也有外部的因素。本文得出:(1)系统的自动化水平并不是越高越好,应分清哪些任务适合人来完成哪些适合机器完成。(2)人机系统的交互界面的信息量不宜过大也不能太少,否则都会引起心理负荷的增加。(3)一定的人格特质应与一定的工作相匹配。(4)不适当的团队沟通方式会增加操作人员的生理心理负荷。
参考文献
[1]张力,杨大新,王以群.数字化控制室信息显示对人因可靠性的影响[J].中国安全科学学报,2010,9(20):84.
[2]廖建桥.脑力劳动负荷与效率[M].武汉:华中理工大学出版社,1996,5-106.
[3]Moray N,ed.Mental workload:Its Theory and Measurement.New York:Plenum,1979.
[4]李森,苏令波,宋守信.人机系统中作业者心理负荷问题研究综述及展望[J].北京交通大学学报,2010,9(3):54-58.
[5]李鹏程,王以群,张力.人误模式与原因因素分析[J].工业工程与管理,2006,94-99.
[6]曲荣红,张良驹.数字化反应堆控制室人机界面的设计[C].全国第四屇核反应堆用核仪器学术会议论文集,2005,125-128.
[7]Lau.N.,Skraaning.,The Impact of Ecological Displays on Operator TaskPerformance and Workload[R].Oecd Halden Reactor Project,2008.
[8]斯蒂芬.P.罗宾斯$组织行为学(第七版)[M].中国人民大学出版社.1997.