自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)

徐建云

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

0 引言

堆垛機(jī)為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中的核心機(jī)械設(shè)備，作為運(yùn)輸系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，其將直接影響自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。從根本上講，堆垛機(jī)速度和位置的精準(zhǔn)控制是實(shí)現(xiàn)其高效率、高安全性以及高準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。目前，堆垛機(jī)采用傳統(tǒng)的多段調(diào)速控制方式，在實(shí)際應(yīng)用中存在調(diào)速效率低以及對(duì)系統(tǒng)沖擊大等問(wèn)題；采用傳統(tǒng)PID 方式對(duì)位置控制，存在超調(diào)量大、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)以及抗干擾能力差等問(wèn)題[1]。本文將重點(diǎn)對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)速度和位置控制存在的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)屬于自動(dòng)化水平相對(duì)較高的系統(tǒng)，其中堆垛機(jī)為自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的核心搬運(yùn)設(shè)備。目前，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)框圖

如圖1 所示，目前堆垛機(jī)主要通過(guò)PLC 對(duì)其進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)主要包括起升變頻器、起升電機(jī)、行走變頻器、行走電機(jī)、貨叉變頻器、貨叉電機(jī)、上位機(jī)、認(rèn)址碼、BPS、編碼電纜以及激光測(cè)距儀等。在實(shí)際運(yùn)行中要求監(jiān)控層與上位機(jī)具備大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互、傳輸?shù)墓δ堋８鶕?jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)需求，要求堆垛機(jī)控制系統(tǒng)具備準(zhǔn)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(yīng)特性；平穩(wěn)性要求系統(tǒng)對(duì)堆垛機(jī)的控制在啟停階段對(duì)其造成的沖擊較小，避免其所運(yùn)輸?shù)呢浳锍霈F(xiàn)偏移甚至掉落的情況；準(zhǔn)確性是要求控制系統(tǒng)控制堆垛機(jī)將所運(yùn)輸?shù)呢浳餃?zhǔn)確的放在目標(biāo)位置上[3]。

本文重點(diǎn)對(duì)堆垛機(jī)的速度和位置控制方式進(jìn)行優(yōu)化。因此，本章結(jié)合圖1 中的堆垛機(jī)控制系統(tǒng)框圖對(duì)其定位和速度控制進(jìn)行分析。

1）堆垛機(jī)定位控制分析。系統(tǒng)通過(guò)激光測(cè)距儀識(shí)別其與目標(biāo)位置之間的距離；通過(guò)安裝與堆垛機(jī)從動(dòng)輪上的編碼器對(duì)其行走距離進(jìn)行換算，以核算其與目標(biāo)位置之間的實(shí)時(shí)距離，為PLC 控制提供依據(jù)。

2）堆垛機(jī)速度控制分析。堆垛機(jī)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(yàn)設(shè)計(jì)分擋速度對(duì)其速度進(jìn)行控制；該種控制方式在實(shí)際應(yīng)用中主要存在加速度突變的情況，從而對(duì)設(shè)備造成較大的沖擊，甚至導(dǎo)致貨物掉落，久而久之影響設(shè)備的使用壽命[4]。

2 堆垛機(jī)速度的優(yōu)化控制

根據(jù)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的運(yùn)輸需求，對(duì)應(yīng)的堆垛機(jī)在水平方向的運(yùn)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(dāng)堆垛機(jī)距離目標(biāo)位置相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，采用高速的方式進(jìn)行控制，以保證貨物的運(yùn)輸效率；當(dāng)堆垛機(jī)距離目標(biāo)位置相對(duì)較近時(shí)，以低速的方式進(jìn)行控制，保證貨物能夠被準(zhǔn)確地運(yùn)輸至指定位置。針對(duì)當(dāng)前堆垛機(jī)采用多段調(diào)控方式進(jìn)行控制所存在的問(wèn)題，本系統(tǒng)擬采用S型速度曲線對(duì)其進(jìn)行控制，從理論上講S 型速度曲線控制具備如下特點(diǎn)：

1）S 型速度曲線相對(duì)平滑，采用該種速度控制曲線可避免加速度突變而對(duì)系統(tǒng)造成的沖擊，從而保證對(duì)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(wèn)題。

2）基于S 型速度曲線進(jìn)行控制，可對(duì)不同階段的加速度、減速度進(jìn)行設(shè)置。

3）基于S 型速度曲線進(jìn)行控制可保證堆垛機(jī)在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)位置。

本節(jié)對(duì)采用傳統(tǒng)多段調(diào)控和S 型速度曲線兩種控制方式對(duì)應(yīng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同速度控制方式下加速度響應(yīng)曲線

如圖2-1 所示，分別在1.3～8.5 s 和23～24 s 兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的加速度和減速度分別達(dá)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(jī)在8.2 s 的時(shí)刻點(diǎn)速度達(dá)到最大值，為1.58 m/s。在整個(gè)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(duì)應(yīng)的加速度曲線更加平穩(wěn)，對(duì)加速度突變而對(duì)系統(tǒng)造成沖擊的問(wèn)題得到有效解決；同時(shí)，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(duì)應(yīng)的堆垛機(jī)立柱的最大擺動(dòng)幅度相比于多段調(diào)速控制方式減小12.8%。

3 堆垛機(jī)定位的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)堆垛機(jī)當(dāng)前定位算法所采用PID 算法所存在的震蕩嚴(yán)重、超調(diào)量大以及穩(wěn)定性差等問(wèn)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(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)定位控制的優(yōu)化。基于模糊免疫算法的PID 控制器的結(jié)構(gòu)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(duì)PID 控制器中的積分系數(shù)和微分系數(shù)進(jìn)行調(diào)控；基于免疫反饋系統(tǒng)對(duì)PID 控制器中的比例環(huán)節(jié)系數(shù)進(jìn)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(duì)應(yīng)的仿真系統(tǒng)，對(duì)三種控制方式下設(shè)定貨物運(yùn)輸距離為3.8 m 時(shí)，對(duì)控制效果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同PID 控制算法對(duì)應(yīng)的控制效果

如圖4 所示，基于常規(guī)PID 控制器對(duì)應(yīng)達(dá)到預(yù)定的控制目標(biāo)，系統(tǒng)的最大超調(diào)量達(dá)10.4%，調(diào)節(jié)時(shí)間為10.1 s；采用模糊算法的PID 控制系統(tǒng)幾乎無(wú)超調(diào)且達(dá)到預(yù)定位置所需的時(shí)間僅需4.9 s；采用模糊算法的PID 控制系統(tǒng)無(wú)超調(diào)且達(dá)到預(yù)定位置所需的時(shí)間僅需3.8 s。對(duì)比可知，采用模糊免疫算法對(duì)PID 控制器中的系數(shù)進(jìn)行調(diào)控后有效解決了傳統(tǒng)PID 控制算法對(duì)應(yīng)的超調(diào)量大、響應(yīng)速度慢的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)作為高自動(dòng)化的集成系統(tǒng)，堆垛機(jī)為其核心運(yùn)輸設(shè)備，其運(yùn)行效率和效果直接決定自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)的搬運(yùn)效果[5]。本文針對(duì)堆垛機(jī)當(dāng)前在速度和位置控制所存在的問(wèn)題展開系列研究，并提出了優(yōu)化方案，總結(jié)如下：

1）目前，堆垛機(jī)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(duì)系統(tǒng)造成沖擊的問(wèn)題，為此，采用S 型速度曲線對(duì)其進(jìn)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(duì)應(yīng)的堆垛機(jī)立柱的最大擺動(dòng)幅度相比于多段調(diào)速控制方式減小12.8%。

2）目前，堆垛機(jī)位置控制主要采用常規(guī)PID 方式進(jìn)行，存在超調(diào)量大、響應(yīng)速度慢等問(wèn)題。為此，基于模糊免疫算法對(duì)PID 控制器的系數(shù)進(jìn)行調(diào)控。經(jīng)仿真分析：采用模糊算法的PID 控制系統(tǒng)無(wú)超調(diào)且達(dá)到預(yù)定位置所需的時(shí)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。