王鑫國，陸金桂

WANG Xin-guo，LU Jin-gui

（南京工業(yè)大學(xué) 自動化與電氣工程學(xué)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(guān)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(wěn)和精確定位。

堆垛機運行速度的常規(guī)控制方法是有級換擋調(diào)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(biāo)位置時將速度降為中速，快到目標(biāo)位置時，采用低速運行，以便精確定位[2]。這種調(diào)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(wěn)運行過程中通常采用恒速運行，國內(nèi)外查到的關(guān)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(wěn)定性，如采用模糊PID或串級控制實現(xiàn)堆垛機速度的平穩(wěn)控制[3,4]。

事實上，堆垛機的運行過程中，隨著工作狀態(tài)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(yīng)模糊優(yōu)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(tài)的關(guān)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(chǎn)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(yīng)該逐步提高，以減少對堆垛機的沖擊；堆垛機接近目標(biāo)貨位時，速度應(yīng)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(yōu)化控制應(yīng)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(yōu)化控制方法

這里我們采用模糊優(yōu)化控制的方法來實現(xiàn)堆垛機運行速度的優(yōu)化控制目標(biāo)，實現(xiàn)堆垛機的高速平穩(wěn)無級調(diào)速。

2.1 模糊控制簡介

模糊控制也是一種自動控制技術(shù)，與傳統(tǒng)自動控制相比，在控制方法上應(yīng)用了模糊數(shù)學(xué)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(xiàn)控制，而且還能模仿人的思維方法，對一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控過程進行有效控制[5]。

2.2 模糊控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

我們使用Matlab下的fuzzy模糊工具箱來設(shè)計模糊控制算法，控制器結(jié)構(gòu)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(biāo)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(jié)構(gòu)

2.3 模糊變量隸屬度函數(shù)設(shè)計

模糊控制中隸屬度函數(shù)的設(shè)計是模糊控制器輸出是否平滑的關(guān)鍵。

1）載貨高度height的隸屬度函數(shù)設(shè)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(shù)

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

3）堆垛機當(dāng)前位置與目標(biāo)貨位的水平距離length的隸屬度函數(shù)設(shè)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(shù)

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(shù)設(shè)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(shù)

2.4 模糊控制規(guī)則的設(shè)計

根據(jù)堆垛機速度控制的策略，模糊控制規(guī)則匯總?cè)缦卤硭尽?/p>

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?zāi)：刂频目刂菩Ч?/p>

堆垛機載貨高度height與堆垛機最佳運行速度velocity的關(guān)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(guān)系曲線

堆垛機與目標(biāo)貨位的水平距離length與堆垛機最佳運行速度velocity的關(guān)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(wěn)，接近目標(biāo)貨位后速度慢慢降低。

圖6 水平距離與運行速度的關(guān)系曲線

堆垛機載貨重量weight與堆垛機最佳運行速度velocity的關(guān)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(guān)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(guān)系曲面如圖8所示。

圖8 高度、重量與速度的關(guān)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(guān)系曲線及關(guān)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(yōu)化控制。

3 基于模糊優(yōu)化控制算法的堆垛機速度優(yōu)化控制系統(tǒng)實現(xiàn)

堆垛機運行速度優(yōu)化控制系統(tǒng)由PLC（可編程控制器）、變頻器、交流電機，傳感器、機械傳動機構(gòu)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(tǒng)工作原理如圖10所示。PLC實時監(jiān)測堆垛機當(dāng)前的運行狀態(tài)，將運行狀態(tài)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(nèi)部的堆垛機運行速度模糊優(yōu)化控制模塊，該模塊根據(jù)模糊控制規(guī)則推理出堆垛機的當(dāng)前狀態(tài)下的最佳速度，將此速度作為堆垛機運行速度的設(shè)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(huán)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(jīng)PID運算后的控制量通過PLC的D/A模塊轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，從而控制堆垛機的運行速度。

模糊優(yōu)化控制算法具體實現(xiàn)時，可以根據(jù)設(shè)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(jù)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(shè)定值。該方法無需完成模糊推理過程，程序設(shè)計簡單，同時保證了系統(tǒng)的實時性。

4 結(jié)論

本文研究了堆垛機平穩(wěn)運行過程中的最佳運行速度與載貨重量、載貨高度的關(guān)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(yōu)化控制方法，制定了合理的隸屬度函數(shù)和模糊推理規(guī)則，實現(xiàn)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(wěn)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(chǔ)自動化,1998（6）：48-50.

[2]常發(fā)亮.堆垛機械的速度控制和位置定位方法[J].機械工業(yè)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(yīng)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(shù)的堆垛機控制器的設(shè)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(yīng)用[M].華中科技大學(xué)出版社,2006.