堆垛機自適應模糊優化控制方法研究

王鑫國，陸金桂

WANG Xin-guo，LU Jin-gui

（南京工業大學 自動化與電氣工程學院，南京 211816）

0 引言

堆垛機的工作效率是自動化立體倉庫工作效率的瓶頸，提高堆垛機工作效率的關鍵是提高堆垛機的運行速度，但堆垛機的運行速度提高以后，會增大堆垛機運行時的振動和噪聲，為了保證堆垛機的安全運行，堆垛機的運行速度是有限制的[1]。另外，堆垛機在啟動和停止時也必須對運行速度加以控制，從而保證堆垛機的啟停平穩和精確定位。

堆垛機運行速度的常規控制方法是有級換擋調速。即堆垛機具有幾個固定的運行速度（如高、中、低速3種速度），堆垛機啟動和運行過程中使用高速運行，接近目標位置時將速度降為中速，快到目標位置時，采用低速運行，以便精確定位[2]。這種調速方式的缺點是速度切換有階躍性，對堆垛機有一定的沖擊。

堆垛機平穩運行過程中通常采用恒速運行，國內外查到的關于堆垛機速度控制的論文，大部分都是研究堆垛機速度控制的穩定性，如采用模糊PID或串級控制實現堆垛機速度的平穩控制[3,4]。

事實上，堆垛機的運行過程中，隨著工作狀態的變化，其最高允許速度也是變化的，完全可以考慮通過堆垛機的變速度運行方式來提高工作效率。接下來我們具體介紹堆垛機最佳運行速度的自適應模糊優化控制方法。

1 堆垛機最佳運行速度與堆垛機載貨重量、載貨高度及啟停狀態的關系

對于相同的載貨重量，堆垛機的載貨高度越高，堆垛機的重心越高，運動時產生的力矩越大，立柱的變形和堆垛機的振動量也就越大，其最高允許速度越小。

對于相同的載貨高度，載貨重量越大，輪子與軌道的摩擦力越大，堆垛機的振動量也就越大，其允許的最高速度越小。

另外，堆垛機啟動過程中，速度應該逐步提高，以減少對堆垛機的沖擊；堆垛機接近目標貨位時，速度應該逐步減少，貨位定位準確后，速度減為零。

通過上面的分析可知，對于高速堆垛機運行速度的優化控制應該做到如下幾點：

1）堆垛機的速度盡量快；

2）堆垛機的速度變化盡量平滑；

3）不同載貨高度采用不同的運行速度

4）不同載貨重量采用不同的運行速度

5）啟動過程速度逐步提高

6）貨位對準過程速度逐步降低

2 堆垛機運行速度模糊優化控制方法

這里我們采用模糊優化控制的方法來實現堆垛機運行速度的優化控制目標，實現堆垛機的高速平穩無級調速。

2.1 模糊控制簡介

模糊控制也是一種自動控制技術，與傳統自動控制相比，在控制方法上應用了模糊數學理論，但它所進行的仍然是確定性工作；它不僅能成功的實現控制，而且還能模仿人的思維方法，對一些無法構造數學模型的被控過程進行有效控制[5]。

2.2 模糊控制器結構設計

我們使用Matlab下的fuzzy模糊工具箱來設計模糊控制算法，控制器結構如圖1所示，模糊控制模塊的輸入變量有堆垛機載貨高度height，堆垛機與目標貨位的水平距離length，堆垛機載貨重量weight，輸出變量是堆垛機的最佳運行速度velocity。

圖1 模糊控制器結構

2.3 模糊變量隸屬度函數設計

模糊控制中隸屬度函數的設計是模糊控制器輸出是否平滑的關鍵。

1）載貨高度height的隸屬度函數設計如圖2所示，具有高低兩個模糊變量。

圖2 載貨高度height的隸屬度函數

2）堆垛機載貨重量weight的隸屬度函數設計與載貨高度height的隸屬度函數相同（圖2），具有高，低兩個模糊變量。

3）堆垛機當前位置與目標貨位的水平距離length的隸屬度函數設計如圖3所示，具有高中低三個模糊變量。

圖3 水平距離length的隸屬度函數

4）模糊控制輸出變量是堆垛機的最佳運行速度velocity，它的隸屬度函數設計如圖4所示，具有7個模糊變量。

圖4 堆垛機運行速度velocity的隸屬度函數

2.4 模糊控制規則的設計

根據堆垛機速度控制的策略，模糊控制規則匯總如下表所示。

2.5 模糊控制效果檢驗

使用模糊工具箱主菜單view下的Surface功能來檢驗模糊控制的控制效果。

堆垛機載貨高度height與堆垛機最佳運行速度velocity的關系曲線如圖5所示，可以看出載貨高度越高堆垛機的最佳運行速度越小。

圖5 載貨高度與運行速度的關系曲線

堆垛機與目標貨位的水平距離length與堆垛機最佳運行速度velocity的關系曲線如圖6所示，可以看出啟動時速度慢慢增加，然后平穩，接近目標貨位后速度慢慢降低。

圖6 水平距離與運行速度的關系曲線

堆垛機載貨重量weight與堆垛機最佳運行速度velocity的關系曲線如圖7所示，可以看出載貨重量越重，堆垛機最佳運行速度越小。

圖7 載貨重量與運行速度的關系曲線

堆垛機載貨高度、載貨重量與堆垛機最佳運行速度的關系曲面如圖8所示。

圖8 高度、重量與速度的關系曲面

從以上分析我們可以看出，各影響因素與堆垛機最佳運行速度之間的關系曲線及關系曲面都比較光滑，也就是說模糊控制器的控制效果較好，此模糊控制算法可以用于堆垛機運行速度的優化控制。

3 基于模糊優化控制算法的堆垛機速度優化控制系統實現

堆垛機運行速度優化控制系統由PLC（可編程控制器）、變頻器、交流電機，傳感器、機械傳動機構等組成。傳感器包括激光測距儀、重量傳感器、光電傳感器等，重量傳感器完成載貨重量G的測量，激光測距儀完成堆垛機水平位置X的測量，光電傳感器完成載貨高度位置H的測量。

控制系統工作原理如圖10所示。PLC實時監測堆垛機當前的運行狀態，將運行狀態X（堆垛機水平位置）、H（堆垛機載貨高度）、G（堆垛機載貨重量）送給PLC內部的堆垛機運行速度模糊優化控制模塊，該模塊根據模糊控制規則推理出堆垛機的當前狀態下的最佳速度，將此速度作為堆垛機運行速度的設定值。

圖9 堆垛機模糊控制原理圖

堆垛機運行速度本身采用PID閉環控制，可以通過堆垛機水平位置X的變化率來計算堆垛機的速度V。經PID運算后的控制量通過PLC的D/A模塊轉化為電流信號去控制變頻器，變頻器再通過改變電源頻率控制電機的轉速，從而控制堆垛機的運行速度。

模糊優化控制算法具體實現時，可以根據設計的模糊控制算法計算出模糊控制表，然后把該控制表保存在堆垛機的PLC存儲塊中，PLC運行時，根據檢測的位置、高度和重量信號進行在線查表，輸出堆垛機最佳速度的設定值。該方法無需完成模糊推理過程，程序設計簡單，同時保證了系統的實時性。

4 結論

本文研究了堆垛機平穩運行過程中的最佳運行速度與載貨重量、載貨高度的關系，探討了堆垛機啟動和制動過程中對堆垛機速度的控制要求，研究了堆垛機運行速度的模糊優化控制方法，制定了合理的隸屬度函數和模糊推理規則，實現了堆垛機運行速度的最佳控制，提高了堆垛機的平均速度和平穩性。

[1]陳旭東.自動化立體倉庫中堆垛機的位置定位和速度控制[J].基礎自動化,1998（6）：48-50.

[2]常發亮.堆垛機械的速度控制和位置定位方法[J].機械工業自動化,1998,20（1）：47-49.

[3]周克良.模糊PID控制在立體倉庫堆垛機速度控制中的應用[J].起重運輸機械,2008（9）：108-110.

[4]許宜賀.基于串級PID控制技術的堆垛機控制器的設計[J].微計算機信息,2006,22（11）：104-105.

[5]曾光奇.模糊控制理論與工程應用[M].華中科技大學出版社,2006.