自動化立體倉庫堆垛機控制的優(yōu)化設計

徐建云

（山西興新安全生產(chǎn)技術服務有限公司， 山西 太原 030024）

0 引言

堆垛機為自動化立體倉庫中的核心機械設備，作為運輸系統(tǒng)的主要設備之一，其將直接影響自動化立體倉庫的運轉效率。從根本上講，堆垛機速度和位置的精準控制是實現(xiàn)其高效率、高安全性以及高準確度的關鍵。目前，堆垛機采用傳統(tǒng)的多段調(diào)速控制方式，在實際應用中存在調(diào)速效率低以及對系統(tǒng)沖擊大等問題；采用傳統(tǒng)PID 方式對位置控制，存在超調(diào)量大、響應時間長以及抗干擾能力差等問題[1]。本文將重點對自動化立體倉庫堆垛機速度和位置控制存在的問題進行優(yōu)化設計。

1 自動化立體倉庫堆垛機

自動化立體倉庫屬于自動化水平相對較高的系統(tǒng)，其中堆垛機為自動化立體倉庫的核心搬運設備。目前，自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 自動化立體倉庫堆垛機控制系統(tǒng)框圖

如圖1 所示，目前堆垛機主要通過PLC 對其進行控制，控制系統(tǒng)主要包括起升變頻器、起升電機、行走變頻器、行走電機、貨叉變頻器、貨叉電機、上位機、認址碼、BPS、編碼電纜以及激光測距儀等。在實際運行中要求監(jiān)控層與上位機具備大量數(shù)據(jù)進行實時交互、傳輸?shù)墓δ?。根?jù)自動化立體倉庫的高效率的運轉需求，要求堆垛機控制系統(tǒng)具備準確性、平穩(wěn)性以及快速性的功能[2]。其中，快速性要求系統(tǒng)具備快速的響應特性；平穩(wěn)性要求系統(tǒng)對堆垛機的控制在啟停階段對其造成的沖擊較小，避免其所運輸?shù)呢浳锍霈F(xiàn)偏移甚至掉落的情況；準確性是要求控制系統(tǒng)控制堆垛機將所運輸?shù)呢浳餃蚀_的放在目標位置上[3]。

本文重點對堆垛機的速度和位置控制方式進行優(yōu)化。因此，本章結合圖1 中的堆垛機控制系統(tǒng)框圖對其定位和速度控制進行分析。

1）堆垛機定位控制分析。系統(tǒng)通過激光測距儀識別其與目標位置之間的距離；通過安裝與堆垛機從動輪上的編碼器對其行走距離進行換算，以核算其與目標位置之間的實時距離，為PLC 控制提供依據(jù)。

2）堆垛機速度控制分析。堆垛機的速度控制主要以多段調(diào)控方式為主，該種控制方式的核心為根據(jù)操作人員的經(jīng)驗設計分擋速度對其速度進行控制；該種控制方式在實際應用中主要存在加速度突變的情況，從而對設備造成較大的沖擊，甚至導致貨物掉落，久而久之影響設備的使用壽命[4]。

2 堆垛機速度的優(yōu)化控制

根據(jù)自動化立體倉庫的運輸需求，對應的堆垛機在水平方向的運行速度為80～120 m/min，在垂直方向的速度為10～15 m/min，調(diào)速比為15∶1～30∶1。當堆垛機距離目標位置相對較遠時，采用高速的方式進行控制，以保證貨物的運輸效率；當堆垛機距離目標位置相對較近時，以低速的方式進行控制，保證貨物能夠被準確地運輸至指定位置。針對當前堆垛機采用多段調(diào)控方式進行控制所存在的問題，本系統(tǒng)擬采用S型速度曲線對其進行控制，從理論上講S 型速度曲線控制具備如下特點：

1）S 型速度曲線相對平滑，采用該種速度控制曲線可避免加速度突變而對系統(tǒng)造成的沖擊，從而保證對系統(tǒng)的平穩(wěn)控制，可有效解決多段調(diào)控方式所面臨的加速度突變的問題。

2）基于S 型速度曲線進行控制，可對不同階段的加速度、減速度進行設置。

3）基于S 型速度曲線進行控制可保證堆垛機在最短時間內(nèi)到達目標位置。

本節(jié)對采用傳統(tǒng)多段調(diào)控和S 型速度曲線兩種控制方式對應的控制效果進行對比，對比結果如圖2所示。

圖2 不同速度控制方式下加速度響應曲線

如圖2-1 所示，分別在1.3～8.5 s 和23～24 s 兩個時間段內(nèi)的加速度和減速度分別達到最大值，加速度最大值為0.22 m/s2，減速度最大值為-0.21 m/s2；堆垛機在8.2 s 的時刻點速度達到最大值，為1.58 m/s。在整個34 m 的行程控制中，采用多段調(diào)速控制方式僅需34 s。

如圖2-2 所示，相比于圖2-1 所示，采用S 型速度調(diào)控方式對應的加速度曲線更加平穩(wěn)，對加速度突變而對系統(tǒng)造成沖擊的問題得到有效解決；同時，采用S 型速度調(diào)控方式在34 m 的行程中僅需31.4 s。

此外，由于采用S 型曲線速度控制方式對應的堆垛機立柱的最大擺動幅度相比于多段調(diào)速控制方式減小12.8%。

3 堆垛機定位的優(yōu)化設計

針對堆垛機當前定位算法所采用PID 算法所存在的震蕩嚴重、超調(diào)量大以及穩(wěn)定性差等問題，本文擬在傳統(tǒng)PID 控制器中引入模糊算法和免疫算法實現(xiàn)對堆垛機定位控制的優(yōu)化?；谀：庖咚惴ǖ腜ID 控制器的結構框圖如圖3 所示。

圖3 基于模糊免疫算法的PID 控制框圖

如圖3 所示，基于模糊免疫算法的PID 控制器的核心為基于模糊控制規(guī)則對PID 控制器中的積分系數(shù)和微分系數(shù)進行調(diào)控；基于免疫反饋系統(tǒng)對PID 控制器中的比例環(huán)節(jié)系數(shù)進行調(diào)控。

基于MATLAB 軟件分別建立傳統(tǒng)PID 控制器、基于模糊算法的PID 控制器和基于模糊免疫算法的PID 控制器對應的仿真系統(tǒng)，對三種控制方式下設定貨物運輸距離為3.8 m 時，對控制效果進行對比，對比結果如圖4 所示。

圖4 不同PID 控制算法對應的控制效果

如圖4 所示，基于常規(guī)PID 控制器對應達到預定的控制目標，系統(tǒng)的最大超調(diào)量達10.4%，調(diào)節(jié)時間為10.1 s；采用模糊算法的PID 控制系統(tǒng)幾乎無超調(diào)且達到預定位置所需的時間僅需4.9 s；采用模糊算法的PID 控制系統(tǒng)無超調(diào)且達到預定位置所需的時間僅需3.8 s。對比可知，采用模糊免疫算法對PID 控制器中的系數(shù)進行調(diào)控后有效解決了傳統(tǒng)PID 控制算法對應的超調(diào)量大、響應速度慢的問題。

4 結語

自動化立體倉庫作為高自動化的集成系統(tǒng)，堆垛機為其核心運輸設備，其運行效率和效果直接決定自動化立體倉庫的搬運效果[5]。本文針對堆垛機當前在速度和位置控制所存在的問題展開系列研究，并提出了優(yōu)化方案，總結如下：

1）目前，堆垛機速度控制主要采用多段速度調(diào)控方式，存在加速度突變對系統(tǒng)造成沖擊的問題，為此，采用S 型速度曲線對其進行控制。經(jīng)仿真分析：采用多段調(diào)速控制方式僅需34 s，采用S 型速度調(diào)控方式在34 m 的行程中僅需31.4 s；采用S 型曲線速度控制方式對應的堆垛機立柱的最大擺動幅度相比于多段調(diào)速控制方式減小12.8%。

2）目前，堆垛機位置控制主要采用常規(guī)PID 方式進行，存在超調(diào)量大、響應速度慢等問題。為此，基于模糊免疫算法對PID 控制器的系數(shù)進行調(diào)控。經(jīng)仿真分析：采用模糊算法的PID 控制系統(tǒng)無超調(diào)且達到預定位置所需的時間僅需3.8 s，相比于模糊PID 控制算法的4.9 s 和常規(guī)PID 算法的10.1 s 具有明顯的改善效果。