自动化立体仓库堆垛机控制的优化设计

徐建云

（山西兴新安全生产技术服务有限公司， 山西 太原 030024）

0 引言

堆垛机为自动化立体仓库中的核心机械设备，作为运输系统的主要设备之一，其将直接影响自动化立体仓库的运转效率。从根本上讲，堆垛机速度和位置的精准控制是实现其高效率、高安全性以及高准确度的关键。目前，堆垛机采用传统的多段调速控制方式，在实际应用中存在调速效率低以及对系统冲击大等问题；采用传统PID 方式对位置控制，存在超调量大、响应时间长以及抗干扰能力差等问题[1]。本文将重点对自动化立体仓库堆垛机速度和位置控制存在的问题进行优化设计。

1 自动化立体仓库堆垛机

自动化立体仓库属于自动化水平相对较高的系统，其中堆垛机为自动化立体仓库的核心搬运设备。目前，自动化立体仓库堆垛机控制系统组成如图1 所示。

图1 自动化立体仓库堆垛机控制系统框图

如图1 所示，目前堆垛机主要通过PLC 对其进行控制，控制系统主要包括起升变频器、起升电机、行走变频器、行走电机、货叉变频器、货叉电机、上位机、认址码、BPS、编码电缆以及激光测距仪等。在实际运行中要求监控层与上位机具备大量数据进行实时交互、传输的功能。根据自动化立体仓库的高效率的运转需求，要求堆垛机控制系统具备准确性、平稳性以及快速性的功能[2]。其中，快速性要求系统具备快速的响应特性；平稳性要求系统对堆垛机的控制在启停阶段对其造成的冲击较小，避免其所运输的货物出现偏移甚至掉落的情况；准确性是要求控制系统控制堆垛机将所运输的货物准确的放在目标位置上[3]。

本文重点对堆垛机的速度和位置控制方式进行优化。因此，本章结合图1 中的堆垛机控制系统框图对其定位和速度控制进行分析。

1）堆垛机定位控制分析。系统通过激光测距仪识别其与目标位置之间的距离；通过安装与堆垛机从动轮上的编码器对其行走距离进行换算，以核算其与目标位置之间的实时距离，为PLC 控制提供依据。

2）堆垛机速度控制分析。堆垛机的速度控制主要以多段调控方式为主，该种控制方式的核心为根据操作人员的经验设计分挡速度对其速度进行控制；该种控制方式在实际应用中主要存在加速度突变的情况，从而对设备造成较大的冲击，甚至导致货物掉落，久而久之影响设备的使用寿命[4]。

2 堆垛机速度的优化控制

根据自动化立体仓库的运输需求，对应的堆垛机在水平方向的运行速度为80～120 m/min，在垂直方向的速度为10～15 m/min，调速比为15∶1～30∶1。当堆垛机距离目标位置相对较远时，采用高速的方式进行控制，以保证货物的运输效率；当堆垛机距离目标位置相对较近时，以低速的方式进行控制，保证货物能够被准确地运输至指定位置。针对当前堆垛机采用多段调控方式进行控制所存在的问题，本系统拟采用S型速度曲线对其进行控制，从理论上讲S 型速度曲线控制具备如下特点：

1）S 型速度曲线相对平滑，采用该种速度控制曲线可避免加速度突变而对系统造成的冲击，从而保证对系统的平稳控制，可有效解决多段调控方式所面临的加速度突变的问题。

2）基于S 型速度曲线进行控制，可对不同阶段的加速度、减速度进行设置。

3）基于S 型速度曲线进行控制可保证堆垛机在最短时间内到达目标位置。

本节对采用传统多段调控和S 型速度曲线两种控制方式对应的控制效果进行对比，对比结果如图2所示。

图2 不同速度控制方式下加速度响应曲线

如图2-1 所示，分别在1.3～8.5 s 和23～24 s 两个时间段内的加速度和减速度分别达到最大值，加速度最大值为0.22 m/s2，减速度最大值为-0.21 m/s2；堆垛机在8.2 s 的时刻点速度达到最大值，为1.58 m/s。在整个34 m 的行程控制中，采用多段调速控制方式仅需34 s。

如图2-2 所示，相比于图2-1 所示，采用S 型速度调控方式对应的加速度曲线更加平稳，对加速度突变而对系统造成冲击的问题得到有效解决；同时，采用S 型速度调控方式在34 m 的行程中仅需31.4 s。

此外，由于采用S 型曲线速度控制方式对应的堆垛机立柱的最大摆动幅度相比于多段调速控制方式减小12.8%。

3 堆垛机定位的优化设计

针对堆垛机当前定位算法所采用PID 算法所存在的震荡严重、超调量大以及稳定性差等问题，本文拟在传统PID 控制器中引入模糊算法和免疫算法实现对堆垛机定位控制的优化。基于模糊免疫算法的PID 控制器的结构框图如图3 所示。

图3 基于模糊免疫算法的PID 控制框图

如图3 所示，基于模糊免疫算法的PID 控制器的核心为基于模糊控制规则对PID 控制器中的积分系数和微分系数进行调控；基于免疫反馈系统对PID 控制器中的比例环节系数进行调控。

基于MATLAB 软件分别建立传统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 控制器对应的仿真系统，对三种控制方式下设定货物运输距离为3.8 m 时，对控制效果进行对比，对比结果如图4 所示。

图4 不同PID 控制算法对应的控制效果

如图4 所示，基于常规PID 控制器对应达到预定的控制目标，系统的最大超调量达10.4%，调节时间为10.1 s；采用模糊算法的PID 控制系统几乎无超调且达到预定位置所需的时间仅需4.9 s；采用模糊算法的PID 控制系统无超调且达到预定位置所需的时间仅需3.8 s。对比可知，采用模糊免疫算法对PID 控制器中的系数进行调控后有效解决了传统PID 控制算法对应的超调量大、响应速度慢的问题。

4 结语

自动化立体仓库作为高自动化的集成系统，堆垛机为其核心运输设备，其运行效率和效果直接决定自动化立体仓库的搬运效果[5]。本文针对堆垛机当前在速度和位置控制所存在的问题展开系列研究，并提出了优化方案，总结如下：

1）目前，堆垛机速度控制主要采用多段速度调控方式，存在加速度突变对系统造成冲击的问题，为此，采用S 型速度曲线对其进行控制。经仿真分析：采用多段调速控制方式仅需34 s，采用S 型速度调控方式在34 m 的行程中仅需31.4 s；采用S 型曲线速度控制方式对应的堆垛机立柱的最大摆动幅度相比于多段调速控制方式减小12.8%。

2）目前，堆垛机位置控制主要采用常规PID 方式进行，存在超调量大、响应速度慢等问题。为此，基于模糊免疫算法对PID 控制器的系数进行调控。经仿真分析：采用模糊算法的PID 控制系统无超调且达到预定位置所需的时间仅需3.8 s，相比于模糊PID 控制算法的4.9 s 和常规PID 算法的10.1 s 具有明显的改善效果。