專利名稱：堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物流自動化領(lǐng)域，特別涉及的堆垛機(jī)運行速度優(yōu)化控制的方法和技術(shù)。
背景技術(shù)：
堆垛機(jī)是自動化立體倉庫系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，堆垛機(jī)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(jī)工作效率的關(guān)鍵是提高堆垛機(jī)的運行速度，但堆垛機(jī)的 運行速度提高以后，會增大堆垛機(jī)運行時的振動和噪聲，所以不能無限制的提高堆垛機(jī)的 運行速度，必須限制堆垛機(jī)的最高運行速度。目前，堆垛機(jī)的運行速度一般采取的是有級換擋調(diào)速的方法進(jìn)行控制。即堆垛機(jī) 具有幾個固定的運行速度(一般是高、中、低速3種速度)，堆垛機(jī)啟動和運行過程中使用恒 定的高速運行，接近目標(biāo)位置時將速度降為中速，快到目標(biāo)位置時，為了能夠停準(zhǔn)貨位，再 將速度降為低速運行。但這種調(diào)速方式存在幾個問題，第一，堆垛機(jī)接近目標(biāo)貨位時，速度的變化不連續(xù) 跳躍性比較大，對堆垛機(jī)產(chǎn)生很大的沖擊，堆垛機(jī)運行速度越高，這種沖擊越大。第二，堆垛 機(jī)平穩(wěn)運行時采用的是恒速，這種速度不大于堆垛機(jī)在任何狀態(tài)下的最高允許速度。實際 上，由于堆垛機(jī)的狀態(tài)是不斷變化的，不同的貨物重量，不同的貨位度，對應(yīng)的堆垛機(jī)的最 高允許速度是不一樣的，而且區(qū)別很大，如載貨重量很重貨位很高時的允許速度就比載貨 重量很輕貨位很低時的允許速度小很多。為了控制的簡單化，堆垛機(jī)的運行速度一般是恒 定的，并且不能大于載貨重量很重貨位很高時的允許速度，這樣就限制了堆垛機(jī)的運行速 度。目前在堆垛機(jī)控制技術(shù)方面開展了一些研究工作。例如周克良使用模糊控制的方 法來優(yōu)化PID控制器的3個參數(shù)，使堆垛機(jī)在某一給定速度控制的比較穩(wěn)定，也就是說堆垛 機(jī)還是使用單一的速度運行的；張欣考慮堆垛機(jī)運行時的三個階段存在速度階躍的問題， 將模糊控制用于速度設(shè)定的平滑過度，沒有考慮堆垛機(jī)如何根據(jù)運行時的高度和載重等狀 態(tài)實時改變運行速度的問題，沒有考慮堆垛機(jī)運行過程時速度優(yōu)化問題；張建榮研究了堆 垛機(jī)的精確定位的問題，使用模糊預(yù)測控制方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID算法，并比較了兩種方法 的控制效果，并沒有提出堆垛機(jī)的速度優(yōu)化問題。本發(fā)明研究了堆垛機(jī)載貨重量、載貨高度與堆垛機(jī)最高允許速度的關(guān)系。同時考 慮堆垛機(jī)啟動和停止時速度變化的平穩(wěn)性和貨位定位的精確性。提出了堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊 優(yōu)化控制的方法，實現(xiàn)了堆垛機(jī)的運行速度的自適應(yīng)優(yōu)化控制，提高了堆垛機(jī)的工作效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明分析了堆垛機(jī)最高允許速度與堆垛機(jī)運行時的載貨高度、載貨重量的關(guān) 系，分析了堆垛機(jī)啟動和停止定位時的速度控制要求，提出了如何進(jìn)一步提高堆垛機(jī)運行 速度的一種方法，提出了堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制的方法，實現(xiàn)了堆垛機(jī)的運行速度的自適應(yīng)優(yōu)化控制，實現(xiàn)了堆垛機(jī)的無級平穩(wěn)調(diào)速，堆垛機(jī)可以根據(jù)自身的狀態(tài)(如高度、載 重、啟停等)，實時變化其運行速度，使其始終運行在高效、平穩(wěn)、可靠的最佳狀態(tài)下，提高了 堆垛機(jī)的速度控制的自適應(yīng)性和智能性，提高了堆垛機(jī)的工作效率。模糊控制的核心是模 糊變量隸屬度函數(shù)的設(shè)計以及模糊控制規(guī)則的設(shè)計，沒有好的隸屬度函數(shù)和模糊推理控制 規(guī)則，模糊控制器不會產(chǎn)生連續(xù)可靠的輸出，控制平穩(wěn)性會很差，達(dá)不到控制效果。本專利 給出了堆垛機(jī)模糊控制的詳細(xì)的模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)的設(shè)計，并給出了模糊控制的 控制效果圖，設(shè)計了堆垛機(jī)速度控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和控制原理，并給出了一種在PLC中 實現(xiàn)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制的實現(xiàn)方法。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是堆垛機(jī)運行時的振動量跟堆垛機(jī) 的載貨重量、載貨高度、運行速度、堆垛機(jī)運行加速度有關(guān)。也就是說在震動量一定的情況 下，堆垛機(jī)的最高允許速度與堆垛機(jī)載貨重量、載貨高度、啟動制動狀態(tài)等有關(guān)。對于相同 的載貨重量和運行速度，載貨高度越高，堆垛機(jī)的重心越高，運動時產(chǎn)生的力矩越大，立柱 的變形越大，堆垛機(jī)的震動量越大。所以對于相同的載貨重量，在給定的震動范圍內(nèi)，堆垛 機(jī)的載貨高度越高，其最高允許速度越小。對于相同的載貨臺高度和運行速度，載貨重量越大，輪子與軌道的摩擦力越大，堆 垛機(jī)的震動量越大，其允許的最高速度將越小。堆垛機(jī)啟動過程中，速度應(yīng)該逐步提高，減 少對堆垛機(jī)的沖擊；堆垛機(jī)接近目標(biāo)貨位時，速度應(yīng)該逐步減少，定位準(zhǔn)確時，速度減為0， 盡量減少對堆垛機(jī)的沖擊。通過上面的分析可知，對于高速堆垛機(jī)的運行速度控制應(yīng)該做到如下幾點1)堆垛機(jī)的速度盡量快；2)堆垛機(jī)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(zhǔn)過程速度逐步降低上面我們分析了堆垛機(jī)的速度控制的特點和控制目標(biāo)，為了實現(xiàn)堆垛機(jī)運行速度 的高速性、平穩(wěn)性和自適應(yīng)性，這里我們采用自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制的方法來實現(xiàn)堆垛機(jī)運 行速度的自適應(yīng)模糊控制。自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制方法的實現(xiàn)過程是先檢測堆垛機(jī)在幾個 特殊狀態(tài)下(最高，最重，最低，最輕，最遠(yuǎn)，最近等的組合狀態(tài))最高允許速度，初步確定堆 垛機(jī)最高允許速度與堆垛機(jī)狀態(tài)的大體關(guān)系。然后建立合適的模糊控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計合適的 輸入和輸出，為輸入和輸出設(shè)計合適的隸屬度函數(shù)，設(shè)計合理的模糊推理規(guī)則，檢查設(shè)計的 模糊控制器輸出效果是否滿足實際需要，這些可以借助Matlab軟件實現(xiàn)。如果輸出效果滿 足要求，再將模糊控制算法轉(zhuǎn)換為模糊控制表，將模糊控制表存到PLC控制器里，通過在線 實時查詢模糊控制表，給出堆垛機(jī)的速度控制值。堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制系統(tǒng)的硬件 結(jié)構(gòu)和原理如圖12和13所示。方案的具體實現(xiàn)方法見后面的具體實施方式
。本發(fā)明的優(yōu)點堆垛機(jī)的速度是自動化立體倉庫工作效率的關(guān)鍵，提高堆垛機(jī)運 行速度普遍方法是改善堆垛機(jī)運行結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)或提高堆垛機(jī)的安裝質(zhì)量，但這些方法 成本高，效果不明顯。本發(fā)明提出了一種新的策略來提高堆垛機(jī)的運行速度，即通過軟件的 方法，通過改善堆垛機(jī)運行方式的方法來提高堆垛機(jī)的運行速度，這種方法比較新穎，成本低，實現(xiàn)方便，無需改變倉庫系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，只需要通過改變程序就可大幅度提高堆垛機(jī)的運行速度，特別適合已建自動化倉庫系統(tǒng)中堆垛機(jī)的改造。本發(fā)明中具體分析了堆垛機(jī)最 佳運行速度與堆垛機(jī)運行狀態(tài)，位置，高度的關(guān)系，同時考慮了堆垛機(jī)啟動和制動過程中對 堆垛機(jī)速度的控制要求，提出了一種使堆垛機(jī)始終處于最佳運行速度的自適應(yīng)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，堆垛機(jī)狀態(tài)連續(xù)變化時，自適應(yīng)模糊優(yōu) 化控制算法根據(jù)堆垛機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)實時給出最佳的連續(xù)的速度設(shè)定值，實現(xiàn)了的堆垛機(jī)運 行速度的最佳控制。從而減少振動，提高工作效率既，滿足了堆垛機(jī)提高速度的要求，又實 現(xiàn)了堆垛機(jī)速度控制的平穩(wěn)性和貨位定位的精確性。


附圖1模糊控制器結(jié)構(gòu)；附圖2載貨高度height的隸屬度函數(shù)；附圖3水平距離length的隸屬度函數(shù)；附圖4載貨臺載貨重量weight的隸屬度函數(shù)；附圖5堆垛機(jī)速度velocity的隸屬度函數(shù)；附圖6堆垛機(jī)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)；附圖7堆垛機(jī)速度控制原理。
具體實施例方式對照圖1，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，控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示，模糊控制模塊的輸入變量有堆垛機(jī)載貨高度height，堆垛機(jī)與目標(biāo)貨位的水平距離 length，載貨臺載貨重量weight，輸出變量是堆垛機(jī)的水平運行速度velocity。對照圖2 5，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)計是模糊控制輸出是否平滑的關(guān)鍵。在設(shè)計隸屬度 函數(shù)之前，我們先假設(shè)載貨高度height、堆垛機(jī)與目標(biāo)貨位的水平距離length、載貨臺載 貨重量weight、堆垛機(jī)的水平運行速度velocity的取值范圍都是0 1 (進(jìn)行了歸一化處理)。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。堆垛機(jī)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。載貨臺載貨重量weight的隸屬度函數(shù)設(shè)計如圖4所示，具有高，低兩個模糊變量。模糊控制輸出變量是堆垛機(jī)的水平運行速度velocity，它的隸屬度函數(shù)設(shè)計如圖 5所示，具有7個模糊變量。模糊變量的隸屬度函數(shù)的設(shè)計非常關(guān)鍵，要通過不斷摸索和實驗才能確定，要根 據(jù)實際檢測的堆垛機(jī)狀態(tài)與最高允許速度的關(guān)系以及模糊控制的輸出效果作出相應(yīng)的調(diào) 整。實際證明我們設(shè)計的隸屬度函數(shù)是比較合理的。對照圖6 7，基于堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制系統(tǒng)實現(xiàn)1)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制系統(tǒng)由PLC(可編程控制器)、變頻器、交流電機(jī)，傳感 器、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)等組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。傳感器包括激光測距儀、重量傳感器、光電 傳感器等，重量傳感器完成貨物重量G的測量，激光測距儀完成堆垛機(jī)水平位置X的測量， 光電傳感器完成載貨臺高度位置H的測量。PLC負(fù)責(zé)運行速度的控制功能以及與上位機(jī)的 通信功能，變頻器用于控制交流電機(jī)的電源頻率，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和堆垛機(jī)的運行速 度。2)控制系統(tǒng)原理 控制原理如圖7所示，控制算法主要由PLC來完成。PLC實時監(jiān)測堆垛機(jī)當(dāng)前的運 行狀態(tài)，將運行狀態(tài)X、H、G送給PLC內(nèi)部的堆垛機(jī)速度模糊控制模塊，該模塊根據(jù)模糊控制 規(guī)則推理出堆垛機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)下的最佳速度，將此速度用于堆垛機(jī)運行速度的控制，使堆 垛機(jī)始終運行在最佳速度。為了實現(xiàn)堆垛機(jī)的速度的準(zhǔn)確控制，這里對速度采用閉環(huán)控制，堆垛機(jī)的速度可 以通過激光測距儀檢測的堆垛機(jī)水平位置的變化速度來計算。經(jīng)PID運算后的控制量通過 PLC的D/A模塊轉(zhuǎn)化為電流信號用于控制變頻器，變頻器再通過改變電源頻率控制電機(jī)的 轉(zhuǎn)速。如圖6所示。在控制系統(tǒng)具體實現(xiàn)上，可以根據(jù)上述設(shè)計的模糊控制算法計算出模糊控制表， 然后把控制表存儲在堆垛機(jī)的PLC存儲單元，在控制中進(jìn)行在線查表控制，解決了模糊推 理計算量大而給控制器的實際設(shè)計和調(diào)整帶來的困難，這樣既實現(xiàn)簡單，又能保證較好的 實時性。
權(quán)利要求
堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制方法，其特征之一是提出了堆垛機(jī)變速度運行的思想來提高堆垛機(jī)的運行效率。
2.堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制方法，其特征之二分析了堆垛機(jī)最高運行速度與其工作 狀態(tài)的關(guān)系，提出了堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊控制方法來實現(xiàn)堆垛機(jī)速度的最佳給定。
3.堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制方法，其特征之三是給出了堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊控制算法 中隸屬度函數(shù)的設(shè)計，這是模糊控制是否成功的關(guān)鍵，實現(xiàn)了模糊控制器的平滑輸出。
4.堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制方法，其特征之四是給出了合理的堆垛機(jī)速度優(yōu)化控制 的模糊推理規(guī)則，實現(xiàn)控制速度的正確輸出。
5.堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制方法，其特征之五是給出了堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、控制原理和具體實現(xiàn)方法。
全文摘要
本發(fā)明書提出了一種新的提高堆垛機(jī)工作效率的方法，分析了堆垛機(jī)的最高允許速度與堆垛機(jī)載貨重量、載貨高度的關(guān)系，同時考慮了堆垛機(jī)啟動和制動過程中對堆垛機(jī)速度的控制要求，研究了堆垛機(jī)運行速度的模糊控制方法，使用模糊控制的方法建立堆垛機(jī)運行速度與載貨重量、載貨高度的關(guān)系，堆垛機(jī)的水平位置(根據(jù)水平位置確定啟停及運行狀態(tài))的關(guān)系，制定了合理的隸屬度函數(shù)和模糊推理規(guī)則，設(shè)計了基于模糊控制的堆垛機(jī)自適應(yīng)模糊優(yōu)化控制系統(tǒng)。使堆垛機(jī)在運行過程中始終保持在最佳運行速度，從而減少振動，提高工作效率，實現(xiàn)堆垛機(jī)在不同運行狀態(tài)下運行速度的平穩(wěn)變化。既滿足了堆垛機(jī)提高速度的要求，又實現(xiàn)了堆垛機(jī)速度控制的平穩(wěn)性和貨位定位的精確性。
文檔編號G05B13/02GK101846973SQ20101013641
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月30日
發(fā)明者徐正林, 王鑫國, 陸金桂, 韓紹軍 申請人:江蘇六維物流設(shè)備實業(yè)有限公司