立體倉庫堆垛機的模糊控制定位技術研究

王玉湘，盧秉亮，石 馨，張亞菊，宋 楊

(1.沈陽航空職業技術學院，沈陽110034;2.沈陽航空航天大學計算機學院，沈陽110136)

1 引言

自動化立體倉庫堆垛機(以下簡稱堆垛機)控制系統(以下簡稱系統)位置控制策略方面要求甚高，主要是由于交流位置控制系統存在參數時變、負載擾動以及交流電動機自身和被控對象的線性特性、強耦合性等不確定因素。因此，理想的控制策略不僅要求能滿足上述動態、靜態性能，而且還應該具有抑制各種非線性因素對系統的影響，具有解耦能力，并且無須依賴精確的數學模型等。

為了減少控制系統對精確數學模型的過分依賴，在電力傳動領域中正積極嘗試各種按效果進行的新型控制策略，即智能控制方法。模糊控制是其中最成功的方法之一。目前在大量的交、直流傳動系統中應用模糊控制無論是仿真還是實驗都取得了成功與突破。

對自動化立體倉庫堆垛機給出了應用模糊理論進行位置定位控制，得到了很好的效果。

2 常規定位過程

目前，國內的堆垛機都是應用開環控制，一般都采用變頻器一次定位:即運轉控制機構在目標達入出貨口前，在定位傳感器的指導下控制變頻器進行一次停車，所采用的方法是在減速點以前，以高速運行;減速點以后，低速運行直到準確停車。這種方法主要有以下缺點:①定位時間長;②定位精度不高;③變頻器低速參數難以確定;④容易發生過沖現象。

在堆垛機存取貨物時有空載、輕載、重載幾種狀態，這幾種狀態的慣性相差很大，很難確定出一個合適的低速參數。取輕載或空載的低速參數在重載時會發生過沖現象;取重載的低速參數在輕載或空載時又要浪費不必要的時間。這種停車方式對于一般應用的精度要求可以很好的滿足，在沒有嚴重的偏載情況下一般都能達到精度要求(±5mm)。對于這樣內部封閉略顯精度不足，系統運行會出現一定的故障率，在取出和存放貨物時，貨物不易從電動門位置取出，其定位精度能夠穩定保持在±1mm以內。

通過以上分析，提出基于多規則因子的模糊控制方法，構成了閉環控制系統，能夠較好的解決上述矛盾。

3 模糊控制器設計

3.1 堆垛機定位控制的數學模型

利用模糊控制原理進行定位操作［4］。堆垛機定位控制的數學模型一般性描述見公式(1)所示。

其中 x= ［x1，x2，...，xn］T= ［x，x'，x″，...，xn-1］T是系統的狀態向量，f(x)、b(x)是非線性函數，f(x)描述與系統狀態相關部分，b(x)描述控制相應部分，d(x)為擾動函數，u、y分別是系統的控制輸入和系統輸出，控制目標是當系統的f(x)、b(x)、d(x)(有界擾動)存在不確定性時，系統的輸出y能漸近跟蹤期望的輸出xd。

在本系統中，系統模型描述見公式(2)。

其中:x=［x1］表示當前堆垛機的運行狀態，a=［a1，a2］是狀態參數;v(x)是與堆垛機運行有關的非線性函數，與變頻器參數設置、電機參數以及變速器變速比有關，其具體函數模式無法確定;控制量u為時間相關函數，d(x)為有界擾動。

堆垛機位置控制需要具有快速、無超調的響應特征。用常規的PID控制調節很難滿足這些要求，特別是位置控制中存在某些不確定性。基于上述原因將位置控制設計成模糊控制。

3.2 具有調整因子的規則自生成

本系統位置控制系統采用旋轉編碼器作為位置的控制檢測裝置，同時也可以獲得速度信息。本系統位置控制采用旋轉編碼器的分辨率為1200脈沖/轉，并利用旋轉編碼器輸出的相位差90度的兩路脈沖信號構成四倍頻和鑒相信號，則電動機每轉一圈實際脈沖數為1000*4=4000，把電動機旋轉五圈為20000個脈沖作為模糊控制的范圍。針對模糊控制規則，采用具有調整因子的規則自生成方法，見公式(3)。

其中α為修正因子，α=0～1。α的大小反映了誤差和誤差變化率的權重系數，反映了控制過程中人們的思維特點;α取值不同，則可得到不同的規則表，以實現對規則的自調整。該方法克服了單憑經驗來選擇規則的困難。

因為模糊控制系統在不同的狀態下，對誤差和誤差變化率的權重要求不同。當誤差較大時，系統主要是消除誤差，此時，誤差應有較大的權重;當誤差較小時，系統主要是減少超調，使系統盡快穩定下來，此時，應加大誤差變化率的權重。根據這一要求，如果強調僅由α來調整規則，且α一旦確定，則誤差和誤差變化率的權重就固定了，顯然無法滿足上述控制要求。改進的方法是采用多修正因子的模糊控制規則自調整方法，具體實現見公式(4)。

由于這個模糊控制階段是控制穩定性和定位精度的主要時段，對控制品質(如是否震蕩和超調，能否準確定位)起決定性影響。

3.3 模糊控制器輸出

根據加權平均反模糊化可以求得模糊控制器的輸出見公式(5)。

其中 W=［w1，w2，…，wm］T，P=［p1，p2，…，pm］，uf表示實際控制輸出，pi表示對應模糊規則Ri下的模糊輸出wi。按照模糊規則計算，根據公式(4)求出控制輸出量uf，為了消除過度控制，設置飽和函數見公式(6)。

最后以飽和函數sat(u)的輸出代替u作為模糊控制器的最終輸出進行定位控制。

4 系統仿真結果

在Matlab環境下對模糊控制系統進行了仿真，并通過與傳統的PID調節器控制仿真對比，得出了系統階躍響應曲線［5］，如圖1和圖2所示。

仿真實驗結果表明，采用多調節因子的模糊控制器相對于傳統PID位置控制，在給定的單位階躍信號下，采用多調節因子的模糊控制器的控制效果優于傳統PID位置控制。表現在如下幾方面:①可以使系統響應超調量明顯小;②系統響應時間短，具有較好的抗干擾性;③位置的跟蹤誤差小，可以獲得較好的動態、靜態特性和抗干擾能力。

圖1 模糊控制系統階躍響應曲線

圖2 PID控制的系統階躍響應曲線

采用模糊控制的方法，構成了閉環結構，克服了目前堆垛機控制系統采用變頻器控制一次停車方法中的變頻器低速參數難以確定的缺點和定位效果不一致，而且使定位精度提高。

由于堆垛機位置控制系統存在參數時變、負載擾動、非線性特征以及強耦合性等不確定因素，因此對這類系統的理想控制策略不僅要求能滿足上述動、靜態性能，而且還應該具有抑制各種非線性因素對系統的影響，具有解耦合能力，并且無需依賴精確的數學模型等。研究設計了具有多修正因子的模糊控制器，根據仿真實驗結果表明，該模糊控制器的控制效果優于傳統的PID控制器，將其用于堆垛機中以實現快速、準確定位是可行的。

模糊控制具有多值邏輯模型，因此在定位時速度響應有微小波動。通常對位置精度要求很高的場合(如數控機床，機械手臂)，可以在將達到給定位置時，把模糊控制切換為一般的線性控制。如利用PI控制達到輸出無靜差。

5 結束語

從動態和靜態品質分析了模糊位置控制系統，性能指標主要有:①快速跟蹤性能好，系統對輸入信號的響應快，跟蹤誤差小，過渡時間短，且無超調或超調量小，震蕩次數少;②穩態精度高，系統輸出與給定值穩態偏差小，定位精度高，且有相當大的定位(制動)力矩。

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