堆垛機(jī)的半閉環(huán)變頻調(diào)速控制

張鐵異，李 俚，陳 琳，黎毓鵬

ZHANG Tie-yi, LI Li, CHEN Lin, LI Yu-peng

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

巷道堆垛機(jī)是自動化立體倉庫中的主要設(shè)備，倉庫中所有貨物的入庫、出庫等作業(yè)都必須通過堆垛機(jī)完成，堆垛機(jī)控制系統(tǒng)的性能對于自動化立體倉庫系統(tǒng)則起著重要的作用，堆垛機(jī)為了達(dá)到較高的工作效率，在精確定位的前提下，運(yùn)行時要盡量以最大的速度運(yùn)行，在提速時要盡可能在較短的時間內(nèi)達(dá)到最大速度，并能高速運(yùn)行，換速平穩(wěn)，這樣才能提高出入庫能力，減少工作循環(huán)周期。本文的主要內(nèi)容是在自行研制的教學(xué)型自動化立體倉庫GXU-1型堆垛機(jī)的基礎(chǔ)上，對堆垛機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時的速度控制進(jìn)行研究，綜合現(xiàn)有的各種控制方法，提出了激光測距傳感器與變頻器相結(jié)合的半閉環(huán)控制方式。下面對這一控制方式進(jìn)行介紹。

1 堆垛機(jī)半閉環(huán)控制

控制系統(tǒng)根據(jù)有無反饋?zhàn)饔每梢苑譃閮深悾洪_環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響；而閉環(huán)控制控制系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間存在反饋回路，輸出量對控制作用有直接影響，閉環(huán)的作用就是應(yīng)用反饋來減少偏差，其優(yōu)點(diǎn)是精度高及動態(tài)響應(yīng)好。

堆垛機(jī)控制系統(tǒng)包括有兩個部分的閉環(huán)控制：1）是堆垛機(jī)位移的閉環(huán)控制。當(dāng)要求堆垛機(jī)到達(dá)某一目的地址時，根據(jù)傳感器反饋回來的堆垛機(jī)與目的地址之間的距離信號，按照預(yù)先設(shè)定的控制策略，使堆垛機(jī)先以較高的速度運(yùn)行，然后減速到較低的速度運(yùn)行，在到達(dá)目的地址的時候停準(zhǔn)；2）是堆垛機(jī)運(yùn)行速度的閉環(huán)控制。當(dāng)要求堆垛機(jī)以某一個速度運(yùn)行時，根據(jù)傳感器反饋回來的堆垛機(jī)當(dāng)前的速度信號，實(shí)時調(diào)整變頻器的頻率值，使堆垛機(jī)迅速達(dá)到某一個速度運(yùn)行。既有速度環(huán)又有位移環(huán)的閉環(huán)控制為全閉環(huán)控制，只有速度環(huán)的控制為半閉環(huán)控制。

GXU-1型堆垛機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的半閉環(huán)控制是以實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)性為前提，是在實(shí)踐中發(fā)展起來的一種有效的控制方式。在本文研究的堆垛機(jī)半閉環(huán)控制方案中，位移環(huán)由于使用激光測距傳感器作為定位方式，采集到的信號為絕對位移信號，精度高，為減少控制系統(tǒng)計(jì)算量，采用了開環(huán)控制；而速度環(huán)中，需要通過實(shí)驗(yàn)的方法來確定的堆垛機(jī)的運(yùn)行曲線，需要實(shí)時的對位移傳感器采集到的位移信號進(jìn)行微分處理，得到速度反饋信號，并根據(jù)反饋信號與存儲在堆垛機(jī)PLC中的運(yùn)行曲線對比得到控制指令，通過變頻器進(jìn)行實(shí)時的速度調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)堆垛機(jī)半閉環(huán)控制。

2 堆垛機(jī)半閉環(huán)控制與運(yùn)行曲線

堆垛機(jī)速度控制的難點(diǎn)就在于其運(yùn)行起止距離的不確定性和離散性，而不同的運(yùn)行距離對應(yīng)不同加減速的運(yùn)行曲線。通過對GXU-1型堆垛機(jī)半閉環(huán)控制方案所要求的運(yùn)行曲線進(jìn)行分析，可以得到堆垛機(jī)運(yùn)行曲線的基本規(guī)律如下（如圖1所示）：在運(yùn)行起止距離為一個貨格時，采用標(biāo)準(zhǔn)加減速曲線1運(yùn)行；在運(yùn)行起止距離為兩個貨格時，采用標(biāo)準(zhǔn)加減速曲線2運(yùn)行；在運(yùn)行起止距離為三個貨格時，采用類似標(biāo)準(zhǔn)加減速曲線3運(yùn)行；在運(yùn)行起止距離為大于或者等于四個貨格時，采用類似標(biāo)準(zhǔn)加減速曲線4運(yùn)行。而這些運(yùn)行曲線可以事先通過試驗(yàn)的方式得到，存儲在PLC的寄存器中，當(dāng)主控單元得到上位機(jī)發(fā)出的當(dāng)前任務(wù)的目的地址時，通過對當(dāng)前的地址進(jìn)行比較，得到要運(yùn)行的起止距離，通過PLC對存儲在PLC寄存器中的運(yùn)行曲線進(jìn)行相應(yīng)的變換，就可以調(diào)用堆垛機(jī)的不同的運(yùn)行曲線來運(yùn)行。以達(dá)到調(diào)速的目的。

圖1 堆垛機(jī)加減速特性曲線

圖2 半閉環(huán)控制運(yùn)行曲線控制流程圖

圖1中，Vmin為保證停準(zhǔn)而設(shè)定的堆垛機(jī)最小穩(wěn)定運(yùn)行速度；S0為保證停準(zhǔn)而設(shè)定的Vmin運(yùn)行距離。Vmax為堆垛機(jī)最高運(yùn)行速度的速度，S4為變頻器以合理加減速曲線加速到Vmax，再減速到Vmin所需運(yùn)行的距離，一般為4個貨格距離大小。S3、S2、S1分別為3個、2個、1個貨格之間的距離大?。籚3、V2、V1分別為變頻器從距目的地3個、2個、1個貨格開始運(yùn)行時合理加減速曲線相交處的速度。

GXU-1型堆垛機(jī)控制系統(tǒng)采用的是松下電工FPX-C60R型PLC，PLC通過實(shí)時檢測實(shí)際地址與目的貨位地址進(jìn)行比較，通過兩者的差值調(diào)用存在PLC寄存器中的運(yùn)行曲線，并把控制指令通過RS485傳送給變頻器，這樣就可以達(dá)到堆垛機(jī)運(yùn)行速度閉環(huán)調(diào)速?？梢钥闯觯珿XU-1型堆垛機(jī)采用的半閉環(huán)控制是一種基于試驗(yàn)結(jié)果的運(yùn)行控制方案，雖然可以滿足教學(xué)型自動化立體倉庫中堆垛機(jī)高速運(yùn)行、平穩(wěn)換速、低速停準(zhǔn)的調(diào)速要求,但它得到的不是最優(yōu)的結(jié)果，而是一種相對合理的結(jié)果。GXU-1型堆垛機(jī)半閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是由于沒有位移環(huán)，減少了控制系統(tǒng)的運(yùn)算量，實(shí)時性更好。

3 堆垛機(jī)半閉環(huán)控制的PID調(diào)節(jié)

堆垛機(jī)半閉環(huán)控制采用PID調(diào)節(jié)具有三個優(yōu)點(diǎn)：1)不需要求出控制系統(tǒng)的數(shù)字模型；2)PID調(diào)節(jié)器具有典型的結(jié)構(gòu)，程序設(shè)計(jì)簡單，參數(shù)調(diào)整方便；3)它具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，可以采用PID控制的改進(jìn)方式，如：PI，PD，帶死區(qū)的PID，變速積分PID等。PID調(diào)節(jié)是經(jīng)典控制理論中最典型的用于閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方法。積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)控制精度和抗外界干擾能力；微分控制改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，用于克服系統(tǒng)的慣性滯后，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；比例、積分、微分控制結(jié)合具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。

在PLC中對模擬量實(shí)現(xiàn)PID控制可以采用以下幾種方法：1)使用PID過程控制模塊；2)使用PID功能指令；3)用自編的程序?qū)崿F(xiàn)PID閉環(huán)控制。GXU-1型堆垛機(jī)控制系統(tǒng)采用的是松下電工FPXC60R型PLC，帶有內(nèi)置集成的PID調(diào)節(jié)運(yùn)算指令功能，通過PLC中PID參數(shù)的設(shè)置，則可以進(jìn)行堆垛機(jī)的速度閉環(huán)控制，PID控制有兩個輸入量：給定值(SP)和過程變量(PV)，通常給定值是固定的，過程變量是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和計(jì)算后得到的被控量的實(shí)測值，給定值與過程變量都是與被控對象有關(guān)的值。應(yīng)用PLC的PID指令之前，必須將其轉(zhuǎn)換成符合參數(shù)表要求的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)(實(shí)數(shù))，即轉(zhuǎn)換為0.0～1.0之間的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)數(shù)。同樣，對于PID指令的輸出，也需進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其控制原理如圖3所示。

圖3 堆垛機(jī)速度PID閉環(huán)控制原理

圖3中，堆垛機(jī)先以設(shè)定的速度值運(yùn)行，在運(yùn)行過程中激光測距傳感器通過實(shí)時測量堆垛機(jī)的位移量，把位移量以4-20mA的模擬量（激光測距傳感器的模擬量輸出值與實(shí)際的測量距離成線性關(guān)系）形式通過PLC中的A/D模塊傳給PLC，并在PLC中經(jīng)過微分運(yùn)算把位移值轉(zhuǎn)換成速度值，這樣就可以和給定速度值進(jìn)行比較。然后根據(jù)偏差值進(jìn)行PID功能的運(yùn)算，并把運(yùn)算得出的控制量通過RS485與變頻器進(jìn)行通信，變頻器根據(jù)接收的控制指令進(jìn)行頻率控制，進(jìn)而控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到堆垛機(jī)的速度實(shí)時調(diào)控，我們在PLC與變頻器之間沒有采用D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換,而是采用了RS-485進(jìn)行數(shù)字通信,可提高系統(tǒng)的抗干擾能力。堆垛機(jī)運(yùn)行信號傳遞流程如圖4所示：

圖4 堆垛機(jī)運(yùn)行信號傳遞流程圖

在GXU-1型堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中，PID功能輸入需要模擬輸入，以反映被控制的運(yùn)行速度的實(shí)際數(shù)值為反饋。PID運(yùn)算的任務(wù)就是根據(jù)反饋與給定的相對差值，按照PID運(yùn)算規(guī)律計(jì)算出結(jié)果，輸出到變頻器驅(qū)動電機(jī)變速運(yùn)行。PLC半閉環(huán)控制的PID功能是通過PID指令功能塊實(shí)現(xiàn)，通過定時（按照采樣時間）執(zhí)行PID功能塊，按照PID運(yùn)算規(guī)律，根據(jù)當(dāng)時的給定值、反饋值、比例-積分-微分?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算出控制量。PLC中PID功能塊的數(shù)據(jù)交換是通過一個PID參數(shù)表進(jìn)行，這個表是在數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的開辟， PID參數(shù)表提供了給定值、反饋值，以及PID參數(shù)等數(shù)據(jù)入口，PID運(yùn)算的結(jié)果也在參數(shù)表輸出。

4 PID參數(shù)的自整定

PID參數(shù)自整定，是在對象參數(shù)辨識和特征辨識的基礎(chǔ)上按照一定的尋優(yōu)規(guī)律或整定規(guī)則，對控制參數(shù)進(jìn)行自動整定。一般要求自整定操作對工況影響小，整定時間短，且自整定環(huán)節(jié)在工況變化時可自動啟動。

在GXU-1型堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中，在PLC中選擇PID的自整定控制模式，通過測量過程量的相應(yīng)情況，可以測定PID的參數(shù)Kp、Ti、Td。執(zhí)行自整定時，在自整定結(jié)束之后，推測出的結(jié)果被自動反映到PID參數(shù)區(qū)（對不同的被控制過程，有可能存在無法完成自整定的情況，在這種情況下處理結(jié)束后將返回到原有的設(shè)定參數(shù)）。在自整定結(jié)束之后，最優(yōu)的參數(shù)值被分別存放到比例增益（Kp）、積分時間（Ti）和微分時間（Td）。如果能采用效率高、差錯少的PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，結(jié)合 “激光測距定位+變頻器閉環(huán)調(diào)速控制”技術(shù)，則能更好的實(shí)現(xiàn)按距離確定運(yùn)行曲線，實(shí)現(xiàn)絕對認(rèn)址，無級調(diào)速，零速停車，保證堆垛機(jī)起步加速和減速停車的平穩(wěn)。

5 結(jié)束語

自行研制的教學(xué)型GXU-1型堆垛機(jī)，為雙立柱結(jié)構(gòu)形式，具有0-30m/min的運(yùn)行速度，6m長的運(yùn)行距離，倉庫貨架高3m寬4.4m，貨位數(shù)量48個，是一種具有較強(qiáng)功能的教學(xué)型自動化立體倉庫，在控制系統(tǒng)中引入激光測距傳感器與變頻器相結(jié)合的半閉環(huán)控制方式，可有效地提高教學(xué)型自動化立體倉庫的性能，使教學(xué)型自動化立體倉庫在滿足教學(xué)效果、設(shè)備造價、占用空間、運(yùn)行維護(hù)、安全性等各方面要求的前提下，更加接近工業(yè)型自動化立體倉庫，為開發(fā)出更好的教學(xué)型、工業(yè)型自動化立體倉庫打下較好的基礎(chǔ)。

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