CN116774738A - 一种堆垛机的双闭环调速与定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化控制技术领域，具体为一种堆垛机的双闭环调速与定位方法。本方案考虑到堆垛机实际的工作情况，采用积分分离的PID算法，在被控制量开始跟踪时，取消积分作用，以避免因严重的积分饱和现象而造成的很大的超调和长时间的振荡。而当被控制量接近给定值时，才利用积分作用，以消除静差，提高了控制精度。此外，本方案对堆垛机运行速度进行调节,使系统控制性能达到最优状态,还提高了速度控制系统的稳定性和动态响应。

Description

一种堆垛机的双闭环调速与定位方法

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，具体为一种堆垛机的双闭环调速与定位方法。

背景技术

自动化立体仓库是现代物流仓储中出现的新概念，通过立体仓库设备实现对仓库空间的高效利用。而当下的自动化立体仓库的建设都少不了堆垛机的投入运行，通过堆垛机对仓库货架上的货物进行自动化取放。因此，在仓库物流效率要求越来越高的同时，现在对堆垛机自身的运行速度、稳定性和精度控制的要求也越来越高。

堆垛机的出入库运行主要包括沿着巷道前后运动、载货台沿着立柱上下运动和货叉左右伸缩运动。其控制方式现在通常包括单旋转编码器的相对认址方式以及绝对认址的位置控制，但这两种方式的稳定性都比较差。其中，相对认址容易出现漏读现象，导致定位出错。而绝对认址则只能得到堆垛机地址信息，其速度不平滑，且容易溜车或急刹车。

并且，由于堆垛机本体机械结构的特殊性，在运行过程中载货台和货物对立柱的弯矩、堆垛机加减速产生的水平惯性力等都会使得立柱在巷道平面内产生挠曲变形，从而影响到堆垛机运行的稳定性和可靠性。而这种缺陷在当下堆垛机高度越来越高的趋势下也越发明显，单一的控制已经无法满足堆垛机运行需求。堆垛机的水平轴调速启动过猛或是急停都会导致堆垛机立柱摆幅过大，造成载货台货物移位以及水平轴驱动机构磨损严重，使得堆垛机的使用寿命和安全性都大幅降低。

发明内容

本发明的技术问题在于堆垛机的水平轴调速启动过猛或是急停都会导致堆垛机立柱摆幅过大，造成载货台货物移位以及水平轴驱动机构磨损严重，使得堆垛机的使用寿命和安全性都大幅降低。

本发明提供的基础方案：一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，包括步骤：

S1：在堆垛机位置控制主回路中设置速度控制副回路，构成串级控制结构；

S2：调节堆垛机运行速度，获取堆垛机的实际坐标位置并计算出与预设坐标位置的偏差值；

S3：根据偏差值通过位置PID算法得出位置输出，再通过速度PID算法控制速度输出。

进一步，所述位置PID算法包括步骤：

S31：计算位置控制主回路的偏差e₁(k)：

e₁(k)＝n₁(k)-y₁(k)

S32：计算位置控制主回路控制器的输出u₁(k)：

u₁(k)＝u₁(k-1)+Δu₁(k)

根据增量式得：

当|e₁(k)|≥ε时：

Δu₁＝K_p1[e₁(k)-e₁(k-1)]+K_D1[e₁(k)-2e₁(k-1)+e₁(k-2)]

当|e₁(k)|＜ε时：

Δu₁(k)＝K_p1[e₁(k)-e₁(k-1)]+K_l1e₁(k)+K_D1[e₁(k)-2e₁(k-1)+e₁(k-2)]

式中，K_p1为位置比例增益；K_l1＝K_p1T/T_l1为位置积分系数；K_D1＝K_p1T_D1/T为位置微分系数，T为采样周期，T_l1为积分时间，T_D1为微分时间。

进一步，所述速度PID算法包括步骤：

S33：计算速度控制副回路的偏差e₂(k)：

e₂(k)＝z₂(k)-y₂(k)

S34：计算速度控制副回路控制器的输出v₂(k)：

当|e₂(k)|≥ε时：

当|e₂(k)|＜ε时：

式中，为速度比例增益，/>为速度积分系数，/>为速度微分系数。

进一步，所述S2中，调节堆垛机运行速度包括步骤：

S21：运行堆垛机，调试变频器并计算电子齿轮比；

S22：优化定位时的速度环；

S23：优化电子齿轮比的车轮周长值和电机减速比；

S24：位置环调试。

进一步，所述S21中变频器采用闭环矢量控制方式。

进一步，所述S21中调试变频器包括步骤：

S211：设定振动阈值，采集堆垛机振动量；

S212：当振动量达到振动阈值时，降低速度环比例增益。

进一步，所述S21中，电子齿轮比＝传动比*位置反馈值*位置分辨率/螺距。

进一步，所述S22中，包括步骤：

S221：关闭功能块位置环；

S222：运行不同方向和距离的点到点定位，取得停止后的位置误差和速度跟随曲线；

S223：计算变频器和编码器反馈的转速差，取得转速差在±20rpm以内时的变频器的速度环滤波系数最大值。

进一步，所述S23中，包括步骤：

S231：在前驱方向进行10-20m的点到点定位，取得停止后的位置误差；

S232：根据位置误差，当堆垛机不到位时减少车轮周长值，当堆垛机过冲时增加车轮周长值。

进一步，所述S24中，包括步骤：

S241：进行3-5m的点到点定位，在堆垛机不到位时增加位置环比例增益，当堆垛机在目标位置的振动量达到振动阈值时，减小位置环比例增益；

S242：进行10-20m的点到点定位，当堆垛机过冲时增大速度S曲线减速段加速度。

本发明的原理及优点在于：本方案考虑到堆垛机实际的工作情况，采用积分分离的PID算法，在被控制量开始跟踪时，取消积分作用，以避免因严重的积分饱和现象而造成的很大的超调和长时间的振荡，而当被控制量接近给定值时，才利用积分作用，以消除静差，提高了控制精度。在此基础上，本方案还对堆垛机运行速度进行调节,使系统控制性能达到最优状态,提高了速度控制系统的稳定性和动态响应，减少了载货台货物移位以及水平轴驱动机构的磨损，延长了堆垛机的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种堆垛机的双闭环调速与定位方法实施例的步骤流程图。

图2为本发明一种堆垛机的双闭环调速与定位方法实施例的控制结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

具体实施过程如下：

实施例一

实施例一基本如附图1所示，一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，包括步骤：

S1：在堆垛机位置控制主回路中设置速度控制副回路，构成串级控制结构；

S2：调节堆垛机运行速度，获取堆垛机的实际坐标位置并计算出与预设坐标位置的偏差值；

S3：根据偏差值通过位置PID算法得出位置输出，再通过速度PID算法控制速度输出。

本实施例在堆垛机位置控制主回路中增加了速度控制副回路，之后将遗传算法应用到模糊PID控制器参数的优化设定上，克服了模糊PID控制器参数选取的局限性。

具体的，本实施例中调节堆垛机运行速度包括步骤：

S21：运行堆垛机，调试变频器并计算电子齿轮比；

S22：优化定位时的速度环；

S23：优化电子齿轮比的车轮周长值和电机减速比；

S24：位置环调试。

其中，变频器采用闭环矢量控制方式，避免了开环矢量定位精度较差的缺陷。

S21中调试变频器包括步骤：

S211：设定振动阈值，采集堆垛机振动量；

S212：当振动量达到振动阈值时，降低速度环比例增益。

本实施例中的震动阈值根据实际运载物料进行设置，振动量通过振动传感器进行采集，振动量包括加速度、位移和速度，当振动量达到震动阈值时，降低速度环比例增益。

调节完毕后对电子齿轮比进行计算，电子齿轮比＝传动比*位置反馈值*位置分辨率/螺距，本实施例中：齿轮传动比为5；螺距为8mm(负载每转一圈负载行程)；负载单位为1个单位＝1毫米，呈线性；位置反馈:24位线性(激光)编码器，分辨率为0.1mm；通过电机编码器进行速度反馈，位置反馈值＝2²⁴＝16777216；负载编码器比例＝5*16777216*0.1/8。

S22中，本实施例对定位时的速度环进行了优化，包括步骤：

S221：关闭功能块位置环；

S222：运行不同方向和距离的点到点定位，取得停止后的位置误差和速度跟随曲线；

S223：计算变频器和编码器反馈的转速差，取得转速差在±20rpm以内时的变频器的速度环滤波系数最大值。

S23中，优化了电子齿轮比的车轮周长值和电机减速比，包括步骤：

S231：在前驱方向进行10m的点到点定位，取得停止后的位置误差；

S232：根据位置误差，当堆垛机不到位时减少车轮周长值，当堆垛机过冲时增加车轮周长值。

S24中，包括步骤：

S241：进行5m的点到点定位，在堆垛机不到位时增加位置环比例增益，当堆垛机在目标位置的振动量达到振动阈值时，减小位置环比例增益；

S242：进行10m的点到点定位，当堆垛机过冲时增大速度S曲线减速段加速度。

通过上述步骤对堆垛机运行速度进行调节后,能够使系统控制性能达到最优状态,大大提高了速度控制系统的稳定性和动态响应。

本实施例中的PLC控制系统如图2所示,图中的D1(z)和D2(z)是由控制器算法实现的PID数字控制器，H(S)是零阶保持器，T为采样周期。

考虑到堆垛机的实际工作情况，本实施例采用积分分离的PID算法，在被控制量开始跟踪时，取消积分作用，以避免因严重的积分饱和现象而造成的很大的超调和长时间的振荡:而当被控制量接近给定值时，才利用积分作用，以消除静差，提高控制精度。具体的，包括步骤：

S31：计算位置控制主回路的偏差e₁(k)：

e₁(k)＝n₁(k)-y₁(k)

S32：计算位置控制主回路控制器的输出u₁(k)：

u₁(k)＝u₁(k-1)+Δu₁(k)

根据增量式得：

当|e₁(k)|≥ε时：

Δu₁＝K_p1[e₁(k)-e₁(k-1)]+K_D1[e₁(k)-2e₁(k-1)+e₁(k-2)]

当|e₁(k)|＜ε时：

Δu₁(k)＝K_p1[e₁(k)-e₁(k-1)]+K_l1e₁(k)+K_D1[e₁(k)-2e₁(k-1)+e₁(k-2)]

式中，K_p1为位置比例增益；K_l1＝K_p1T/T_l1为位置积分系数；K_D1＝K_p1T_D1/T为位置微分系数，T为采样周期，T_l1为积分时间，T_D1为微分时间。

S33：计算速度控制副回路的偏差e₂(k)：

e₂(k)＝z₂(k)-y₂(k)

S34：计算速度控制副回路控制器的输出v₂(k)：

当|e₂(k)|≥ε时：

当|e₂(k)|＜ε时：

式中，为速度比例增益，/>为速度积分系数，/>为速度微分系数。

本实施例中堆垛机控制系统主要由控制器、(交流)变频器、(异步)电动机、(增量式)编码器、激光测距认址传感器等组成，并通过总线进线连接。控制器得到目标位置坐标后，与自身现处位置坐标进行比较，利用位置PID算法得出位置输出，然后利用速度PID算法控制速度输出。速度输出通过编码器卡连接到变频器，变频器调节交流电动机的转速，实现速度信息的反馈；激光认址器安装在堆垛机上，编码器的输出脉冲通过总线方式返回到控制器。电动机的旋转通过传动机构转化为堆垛机的运动，控制器记录了电动机轴的脉冲数(堆垛机的位置反馈)，同时激光认址器可以检测堆垛机是否运行到位，实现位置信息的反馈。

综上所述，本方案提出的堆垛机的双闭环调速与定位方法，结合了串级控制技术和PID控制技术，解决了由于速度扰动的影响而产生的堆垛机的蟠动、抖动和定位错误等问题:同时也避免了因严重的积分饱和现象而造成的很大的超调和长时间的振荡现象,提高了使堆垛机的定位精度和系统运行的稳定性、可靠性。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，其特征在于，包括步骤：

S1：在堆垛机位置控制主回路中设置速度控制副回路，构成串级控制结构；

S2：调节堆垛机运行速度，获取堆垛机的实际坐标位置并计算出与预设坐标位置的偏差值；

S3：根据偏差值通过位置PID算法得出位置输出，再通过速度PID算法控制速度输出。

2.根据权利要求1所述的一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，其特征在于：所述位置PID算法包括步骤：

S31：计算位置控制主回路的偏差e₁(k)：

e₁(k)＝n₁(k)-y₁(k)

S32：计算位置控制主回路控制器的输出u₁(k)：

u₁(k)＝u₁(k-1)+Δu₁(k)

根据增量式得：

当|e₁(k)|≥ε时：

Δu₁＝Kp₁[e₁(k)-e₁(k-1)]+K_D1[e₁(k)-2e₁(k-1)+e₁(k-2)]

当|e₁(k)|＜ε时：

Δu₁(k)＝K_p1[e₁(k)-e₁(k-1)]+K_l1e₁(k)+K_D1[e₁(k)-2e₁(k-1)+e₁(k-2)]

式中，K_p1为位置比例增益；K_l1＝K_p1T/T_l1为位置积分系数；K_D1＝K_p1T_D1/T为位置微分系数，T为采样周期，T_l1为积分时间，T_D1为微分时间。

3.根据权利要求2所述的一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，其特征在于：所述速度PID算法包括步骤：

S33：计算速度控制副回路的偏差e₂(k)：

e₂(k)＝z₂(k)-y₂(k)

S34：计算速度控制副回路控制器的输出v₂(k)：

当|e₂(k)|≥ε时：

当|e₂(k)|＜ε时：

式中，为速度比例增益，/>为速度积分系数，/>为速度微分系数。

4.根据权利要求3所述的一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，其特征在于：所述S2中，调节堆垛机运行速度包括步骤：

S21：运行堆垛机，调试变频器并计算电子齿轮比；

S22：优化定位时的速度环；

S23：优化电子齿轮比的车轮周长值和电机减速比；

S24：位置环调试。

5.根据权利要求4所述的一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，其特征在于：所述S21中变频器采用闭环矢量控制方式。

6.根据权利要求5所述的一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，其特征在于：所述S21中调试变频器包括步骤：

S211：设定振动阈值，采集堆垛机振动量；

S212：当振动量达到振动阈值时，降低速度环比例增益。

7.根据权利要求6所述的一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，其特征在于：所述S21中，电子齿轮比＝传动比*位置反馈值*位置分辨率/螺距。

8.根据权利要求7所述的一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，其特征在于：所述S22中，包括步骤：

S221：关闭功能块位置环；

S222：运行不同方向和距离的点到点定位，取得停止后的位置误差和速度跟随曲线；

S223：计算变频器和编码器反馈的转速差，取得转速差在±20rpm以内时的变频器的速度环滤波系数最大值。

9.根据权利要求8所述的一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，其特征在于：所述S23中，包括步骤：

S231：在前驱方向进行10-20m的点到点定位，取得停止后的位置误差；

S232：根据位置误差，当堆垛机不到位时减少车轮周长值，当堆垛机过冲时增加车轮周长值。

10.根据权利要求9所述的一种堆垛机的双闭环调速与定位方法，其特征在于：所述S24中，包括步骤：

S241：进行3-5m的点到点定位，在堆垛机不到位时增加位置环比例增益，当堆垛机在目标位置的振动量达到振动阈值时，减小位置环比例增益；

S242：进行10-20m的点到点定位，当堆垛机过冲时增大速度S曲线减速段加速度。