堆垛機的半閉環變頻調速控制

張鐵異，李 俚，陳 琳，黎毓鵬

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

（廣西大學 機械工程學院，南寧 530004）

0 引言

巷道堆垛機是自動化立體倉庫中的主要設備，倉庫中所有貨物的入庫、出庫等作業都必須通過堆垛機完成，堆垛機控制系統的性能對于自動化立體倉庫系統則起著重要的作用，堆垛機為了達到較高的工作效率，在精確定位的前提下，運行時要盡量以最大的速度運行，在提速時要盡可能在較短的時間內達到最大速度，并能高速運行，換速平穩，這樣才能提高出入庫能力，減少工作循環周期。本文的主要內容是在自行研制的教學型自動化立體倉庫GXU-1型堆垛機的基礎上，對堆垛機的運行機構在運行時的速度控制進行研究，綜合現有的各種控制方法，提出了激光測距傳感器與變頻器相結合的半閉環控制方式。下面對這一控制方式進行介紹。

1 堆垛機半閉環控制

控制系統根據有無反饋作用可以分為兩類：開環控制和閉環控制。開環控制系統的輸出量對系統的控制作用沒有影響；而閉環控制控制系統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，閉環的作用就是應用反饋來減少偏差，其優點是精度高及動態響應好。

堆垛機控制系統包括有兩個部分的閉環控制：1）是堆垛機位移的閉環控制。當要求堆垛機到達某一目的地址時，根據傳感器反饋回來的堆垛機與目的地址之間的距離信號，按照預先設定的控制策略，使堆垛機先以較高的速度運行，然后減速到較低的速度運行，在到達目的地址的時候停準；2）是堆垛機運行速度的閉環控制。當要求堆垛機以某一個速度運行時，根據傳感器反饋回來的堆垛機當前的速度信號，實時調整變頻器的頻率值，使堆垛機迅速達到某一個速度運行。既有速度環又有位移環的閉環控制為全閉環控制，只有速度環的控制為半閉環控制。

GXU-1型堆垛機運行系統的半閉環控制是以實際情況和經濟性為前提，是在實踐中發展起來的一種有效的控制方式。在本文研究的堆垛機半閉環控制方案中，位移環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，為減少控制系統計算量，采用了開環控制；而速度環中，需要通過實驗的方法來確定的堆垛機的運行曲線，需要實時的對位移傳感器采集到的位移信號進行微分處理，得到速度反饋信號，并根據反饋信號與存儲在堆垛機PLC中的運行曲線對比得到控制指令，通過變頻器進行實時的速度調整，最終實現堆垛機半閉環控制。

2 堆垛機半閉環控制與運行曲線

堆垛機速度控制的難點就在于其運行起止距離的不確定性和離散性，而不同的運行距離對應不同加減速的運行曲線。通過對GXU-1型堆垛機半閉環控制方案所要求的運行曲線進行分析，可以得到堆垛機運行曲線的基本規律如下（如圖1所示）：在運行起止距離為一個貨格時，采用標準加減速曲線1運行；在運行起止距離為兩個貨格時，采用標準加減速曲線2運行；在運行起止距離為三個貨格時，采用類似標準加減速曲線3運行；在運行起止距離為大于或者等于四個貨格時，采用類似標準加減速曲線4運行。而這些運行曲線可以事先通過試驗的方式得到，存儲在PLC的寄存器中，當主控單元得到上位機發出的當前任務的目的地址時，通過對當前的地址進行比較，得到要運行的起止距離，通過PLC對存儲在PLC寄存器中的運行曲線進行相應的變換，就可以調用堆垛機的不同的運行曲線來運行。以達到調速的目的。

圖1 堆垛機加減速特性曲線

圖2 半閉環控制運行曲線控制流程圖

圖1中，Vmin為保證停準而設定的堆垛機最小穩定運行速度；S0為保證停準而設定的Vmin運行距離。Vmax為堆垛機最高運行速度的速度，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??；V3、V2、V1分別為變頻器從距目的地3個、2個、1個貨格開始運行時合理加減速曲線相交處的速度。

GXU-1型堆垛機控制系統采用的是松下電工FPX-C60R型PLC，PLC通過實時檢測實際地址與目的貨位地址進行比較，通過兩者的差值調用存在PLC寄存器中的運行曲線，并把控制指令通過RS485傳送給變頻器，這樣就可以達到堆垛機運行速度閉環調速?？梢钥闯觯珿XU-1型堆垛機采用的半閉環控制是一種基于試驗結果的運行控制方案，雖然可以滿足教學型自動化立體倉庫中堆垛機高速運行、平穩換速、低速停準的調速要求,但它得到的不是最優的結果，而是一種相對合理的結果。GXU-1型堆垛機半閉環控制的優點是由于沒有位移環，減少了控制系統的運算量，實時性更好。

3 堆垛機半閉環控制的PID調節

堆垛機半閉環控制采用PID調節具有三個優點：1)不需要求出控制系統的數字模型；2)PID調節器具有典型的結構，程序設計簡單，參數調整方便；3)它具有較強的靈活性和適應性，可以采用PID控制的改進方式，如：PI，PD，帶死區的PID，變速積分PID等。PID調節是經典控制理論中最典型的用于閉環控制系統的調節方法。積分控制可以消除系統的靜差，提高系統控制精度和抗外界干擾能力；微分控制改善系統的動態響應速度，用于克服系統的慣性滯后，提高系統的穩定性；比例、積分、微分控制結合具有較強的靈活性和適應性。

在PLC中對模擬量實現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)用自編的程序實現PID閉環控制。GXU-1型堆垛機控制系統采用的是松下電工FPXC60R型PLC，帶有內置集成的PID調節運算指令功能，通過PLC中PID參數的設置，則可以進行堆垛機的速度閉環控制，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A/D轉換和計算后得到的被控量的實測值，給定值與過程變量都是與被控對象有關的值。應用PLC的PID指令之前，必須將其轉換成符合參數表要求的標準浮點數(實數)，即轉換為0.0～1.0之間的標準實數。同樣，對于PID指令的輸出，也需進行轉換。其控制原理如圖3所示。

圖3 堆垛機速度PID閉環控制原理

圖3中，堆垛機先以設定的速度值運行，在運行過程中激光測距傳感器通過實時測量堆垛機的位移量，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際的測量距離成線性關系）形式通過PLC中的A/D模塊傳給PLC，并在PLC中經過微分運算把位移值轉換成速度值，這樣就可以和給定速度值進行比較。然后根據偏差值進行PID功能的運算，并把運算得出的控制量通過RS485與變頻器進行通信，變頻器根據接收的控制指令進行頻率控制，進而控制交流電機的轉速，達到堆垛機的速度實時調控，我們在PLC與變頻器之間沒有采用D/A進行轉換,而是采用了RS-485進行數字通信,可提高系統的抗干擾能力。堆垛機運行信號傳遞流程如圖4所示：

圖4 堆垛機運行信號傳遞流程圖

在GXU-1型堆垛機控制系統中，PID功能輸入需要模擬輸入，以反映被控制的運行速度的實際數值為反饋。PID運算的任務就是根據反饋與給定的相對差值，按照PID運算規律計算出結果，輸出到變頻器驅動電機變速運行。PLC半閉環控制的PID功能是通過PID指令功能塊實現，通過定時（按照采樣時間）執行PID功能塊，按照PID運算規律，根據當時的給定值、反饋值、比例-積分-微分數據，計算出控制量。PLC中PID功能塊的數據交換是通過一個PID參數表進行，這個表是在數據存儲區中的開辟， PID參數表提供了給定值、反饋值，以及PID參數等數據入口，PID運算的結果也在參數表輸出。

4 PID參數的自整定

PID參數自整定，是在對象參數辨識和特征辨識的基礎上按照一定的尋優規律或整定規則，對控制參數進行自動整定。一般要求自整定操作對工況影響小，整定時間短，且自整定環節在工況變化時可自動啟動。

在GXU-1型堆垛機控制系統中，在PLC中選擇PID的自整定控制模式，通過測量過程量的相應情況，可以測定PID的參數Kp、Ti、Td。執行自整定時，在自整定結束之后，推測出的結果被自動反映到PID參數區（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束后將返回到原有的設定參數）。在自整定結束之后，最優的參數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現場總線技術，結合 “激光測距定位+變頻器閉環調速控制”技術，則能更好的實現按距離確定運行曲線，實現絕對認址，無級調速，零速停車，保證堆垛機起步加速和減速停車的平穩。

5 結束語

自行研制的教學型GXU-1型堆垛機，為雙立柱結構形式，具有0-30m/min的運行速度，6m長的運行距離，倉庫貨架高3m寬4.4m，貨位數量48個，是一種具有較強功能的教學型自動化立體倉庫，在控制系統中引入激光測距傳感器與變頻器相結合的半閉環控制方式，可有效地提高教學型自動化立體倉庫的性能，使教學型自動化立體倉庫在滿足教學效果、設備造價、占用空間、運行維護、安全性等各方面要求的前提下，更加接近工業型自動化立體倉庫，為開發出更好的教學型、工業型自動化立體倉庫打下較好的基礎。

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