堆垛机的半闭环变频调速控制

张铁异，李 俚，陈 琳，黎毓鹏

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

（广西大学 机械工程学院，南宁 530004）

0 引言

巷道堆垛机是自动化立体仓库中的主要设备，仓库中所有货物的入库、出库等作业都必须通过堆垛机完成，堆垛机控制系统的性能对于自动化立体仓库系统则起着重要的作用，堆垛机为了达到较高的工作效率，在精确定位的前提下，运行时要尽量以最大的速度运行，在提速时要尽可能在较短的时间内达到最大速度，并能高速运行，换速平稳，这样才能提高出入库能力，减少工作循环周期。本文的主要内容是在自行研制的教学型自动化立体仓库GXU-1型堆垛机的基础上，对堆垛机的运行机构在运行时的速度控制进行研究，综合现有的各种控制方法，提出了激光测距传感器与变频器相结合的半闭环控制方式。下面对这一控制方式进行介绍。

1 堆垛机半闭环控制

控制系统根据有无反馈作用可以分为两类：开环控制和闭环控制。开环控制系统的输出量对系统的控制作用没有影响；而闭环控制控制系统的输出端和输入端之间存在反馈回路，输出量对控制作用有直接影响，闭环的作用就是应用反馈来减少偏差，其优点是精度高及动态响应好。

堆垛机控制系统包括有两个部分的闭环控制：1）是堆垛机位移的闭环控制。当要求堆垛机到达某一目的地址时，根据传感器反馈回来的堆垛机与目的地址之间的距离信号，按照预先设定的控制策略，使堆垛机先以较高的速度运行，然后减速到较低的速度运行，在到达目的地址的时候停准；2）是堆垛机运行速度的闭环控制。当要求堆垛机以某一个速度运行时，根据传感器反馈回来的堆垛机当前的速度信号，实时调整变频器的频率值，使堆垛机迅速达到某一个速度运行。既有速度环又有位移环的闭环控制为全闭环控制，只有速度环的控制为半闭环控制。

GXU-1型堆垛机运行系统的半闭环控制是以实际情况和经济性为前提，是在实践中发展起来的一种有效的控制方式。在本文研究的堆垛机半闭环控制方案中，位移环由于使用激光测距传感器作为定位方式，采集到的信号为绝对位移信号，精度高，为减少控制系统计算量，采用了开环控制；而速度环中，需要通过实验的方法来确定的堆垛机的运行曲线，需要实时的对位移传感器采集到的位移信号进行微分处理，得到速度反馈信号，并根据反馈信号与存储在堆垛机PLC中的运行曲线对比得到控制指令，通过变频器进行实时的速度调整，最终实现堆垛机半闭环控制。

2 堆垛机半闭环控制与运行曲线

堆垛机速度控制的难点就在于其运行起止距离的不确定性和离散性，而不同的运行距离对应不同加减速的运行曲线。通过对GXU-1型堆垛机半闭环控制方案所要求的运行曲线进行分析，可以得到堆垛机运行曲线的基本规律如下（如图1所示）：在运行起止距离为一个货格时，采用标准加减速曲线1运行；在运行起止距离为两个货格时，采用标准加减速曲线2运行；在运行起止距离为三个货格时，采用类似标准加减速曲线3运行；在运行起止距离为大于或者等于四个货格时，采用类似标准加减速曲线4运行。而这些运行曲线可以事先通过试验的方式得到，存储在PLC的寄存器中，当主控单元得到上位机发出的当前任务的目的地址时，通过对当前的地址进行比较，得到要运行的起止距离，通过PLC对存储在PLC寄存器中的运行曲线进行相应的变换，就可以调用堆垛机的不同的运行曲线来运行。以达到调速的目的。

图1 堆垛机加减速特性曲线

图2 半闭环控制运行曲线控制流程图

图1中，Vmin为保证停准而设定的堆垛机最小稳定运行速度；S0为保证停准而设定的Vmin运行距离。Vmax为堆垛机最高运行速度的速度，S4为变频器以合理加减速曲线加速到Vmax，再减速到Vmin所需运行的距离，一般为4个货格距离大小。S3、S2、S1分别为3个、2个、1个货格之间的距离大小；V3、V2、V1分别为变频器从距目的地3个、2个、1个货格开始运行时合理加减速曲线相交处的速度。

GXU-1型堆垛机控制系统采用的是松下电工FPX-C60R型PLC，PLC通过实时检测实际地址与目的货位地址进行比较，通过两者的差值调用存在PLC寄存器中的运行曲线，并把控制指令通过RS485传送给变频器，这样就可以达到堆垛机运行速度闭环调速。可以看出，GXU-1型堆垛机采用的半闭环控制是一种基于试验结果的运行控制方案，虽然可以满足教学型自动化立体仓库中堆垛机高速运行、平稳换速、低速停准的调速要求,但它得到的不是最优的结果，而是一种相对合理的结果。GXU-1型堆垛机半闭环控制的优点是由于没有位移环，减少了控制系统的运算量，实时性更好。

3 堆垛机半闭环控制的PID调节

堆垛机半闭环控制采用PID调节具有三个优点：1)不需要求出控制系统的数字模型；2)PID调节器具有典型的结构，程序设计简单，参数调整方便；3)它具有较强的灵活性和适应性，可以采用PID控制的改进方式，如：PI，PD，带死区的PID，变速积分PID等。PID调节是经典控制理论中最典型的用于闭环控制系统的调节方法。积分控制可以消除系统的静差，提高系统控制精度和抗外界干扰能力；微分控制改善系统的动态响应速度，用于克服系统的惯性滞后，提高系统的稳定性；比例、积分、微分控制结合具有较强的灵活性和适应性。

在PLC中对模拟量实现PID控制可以采用以下几种方法：1)使用PID过程控制模块；2)使用PID功能指令；3)用自编的程序实现PID闭环控制。GXU-1型堆垛机控制系统采用的是松下电工FPXC60R型PLC，带有内置集成的PID调节运算指令功能，通过PLC中PID参数的设置，则可以进行堆垛机的速度闭环控制，PID控制有两个输入量：给定值(SP)和过程变量(PV)，通常给定值是固定的，过程变量是经A/D转换和计算后得到的被控量的实测值，给定值与过程变量都是与被控对象有关的值。应用PLC的PID指令之前，必须将其转换成符合参数表要求的标准浮点数(实数)，即转换为0.0～1.0之间的标准实数。同样，对于PID指令的输出，也需进行转换。其控制原理如图3所示。

图3 堆垛机速度PID闭环控制原理

图3中，堆垛机先以设定的速度值运行，在运行过程中激光测距传感器通过实时测量堆垛机的位移量，把位移量以4-20mA的模拟量（激光测距传感器的模拟量输出值与实际的测量距离成线性关系）形式通过PLC中的A/D模块传给PLC，并在PLC中经过微分运算把位移值转换成速度值，这样就可以和给定速度值进行比较。然后根据偏差值进行PID功能的运算，并把运算得出的控制量通过RS485与变频器进行通信，变频器根据接收的控制指令进行频率控制，进而控制交流电机的转速，达到堆垛机的速度实时调控，我们在PLC与变频器之间没有采用D/A进行转换,而是采用了RS-485进行数字通信,可提高系统的抗干扰能力。堆垛机运行信号传递流程如图4所示：

图4 堆垛机运行信号传递流程图

在GXU-1型堆垛机控制系统中，PID功能输入需要模拟输入，以反映被控制的运行速度的实际数值为反馈。PID运算的任务就是根据反馈与给定的相对差值，按照PID运算规律计算出结果，输出到变频器驱动电机变速运行。PLC半闭环控制的PID功能是通过PID指令功能块实现，通过定时（按照采样时间）执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定值、反馈值、比例-积分-微分数据，计算出控制量。PLC中PID功能块的数据交换是通过一个PID参数表进行，这个表是在数据存储区中的开辟， PID参数表提供了给定值、反馈值，以及PID参数等数据入口，PID运算的结果也在参数表输出。

4 PID参数的自整定

PID参数自整定，是在对象参数辨识和特征辨识的基础上按照一定的寻优规律或整定规则，对控制参数进行自动整定。一般要求自整定操作对工况影响小，整定时间短，且自整定环节在工况变化时可自动启动。

在GXU-1型堆垛机控制系统中，在PLC中选择PID的自整定控制模式，通过测量过程量的相应情况，可以测定PID的参数Kp、Ti、Td。执行自整定时，在自整定结束之后，推测出的结果被自动反映到PID参数区（对不同的被控制过程，有可能存在无法完成自整定的情况，在这种情况下处理结束后将返回到原有的设定参数）。在自整定结束之后，最优的参数值被分别存放到比例增益（Kp）、积分时间（Ti）和微分时间（Td）。如果能采用效率高、差错少的PROFIBUS现场总线技术，结合 “激光测距定位+变频器闭环调速控制”技术，则能更好的实现按距离确定运行曲线，实现绝对认址，无级调速，零速停车，保证堆垛机起步加速和减速停车的平稳。

5 结束语

自行研制的教学型GXU-1型堆垛机，为双立柱结构形式，具有0-30m/min的运行速度，6m长的运行距离，仓库货架高3m宽4.4m，货位数量48个，是一种具有较强功能的教学型自动化立体仓库，在控制系统中引入激光测距传感器与变频器相结合的半闭环控制方式，可有效地提高教学型自动化立体仓库的性能，使教学型自动化立体仓库在满足教学效果、设备造价、占用空间、运行维护、安全性等各方面要求的前提下，更加接近工业型自动化立体仓库，为开发出更好的教学型、工业型自动化立体仓库打下较好的基础。

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