基于串级PID控制技术的堆垛机控制器的设计样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。
基于串级PID控制技术的堆垛机控制器的设计
Design of Storage/Retrieval Machine controller based on series PID control algorithm

摘要: 本文从提高堆垛机作业系统的工作效率和可靠性的角度出发, 利用串级控制原理和积分分离的PID算法, 建立了堆垛机串级PID变频调速控制系统, 避免了速度扰动的影响, 实现了堆垛机的快速精确定位控制, 提高了系统运行的稳定性和可靠性。
关键词: 串级控制 PID算法 速度控制 位置控制
Abstract: From the view of improving the work efficiency and reliability of Storage/Retrieval Machine, The series PID frequency conversion motor speed Regulating System of Storage/Retrieval Machine is developed, by using techniques of series PID. It availably avoids the negative effect of speed disturbance. The time of Ware allocation is shorter and its precision is higher .The stability and reliability of Automated Storage and Retrieval system are also evidently improved.
Keyword: series control PID algorithm speed control position control
0 引言
当前, 物流系统中的大多自动化立体仓库的堆垛机控制采用的是闭环恒速控制或闭环变频调速控制方案来实现堆垛机的控制。在这些控制方案中, 均以输出速度为理想值, 而没有考虑速度在外部和内部因素的影响下将出现扰动现象。如果输出速度在扰动的作用下偏离理想值, 得不到及时的校正, 将产生堆垛机的蠕动和抖动现象, 降低系统定位精度和定位效率, 甚至造成定位错误等故障。基于此, 本文在考虑位置因素影响的同时, 兼顾速度因素的影响提出了堆垛机的串级控制方案。
所谓串级控制是在单回路PID 控制的基础上发展起来的一种控制技术。当PID控制应用于单回路控制一个被控制量时, 其控制结构简单, 控制参数易于整定。可是, 当系统中同时有几个因素影响同一个被控制量时, 如果只控制其中一个因素, 将难以满足系统的控制性能要求。串级控制针对上述情况, 在原控制回路中, 增加一个或几个控制副回路, 用以控制可能引起被控量变化的其它因素, 从而有效地控制了被控对象的时滞特性, 提高了系统动态响应的快速性。
1 堆垛机串级控制系统模型的建立
堆垛机控制系统, 其控制目的是使堆垛机快速准确定位, 以提高仓库效率。假如堆垛机的运行速度是恒定的, 堆垛机的位置坐标值就对应着一定的时间, 这时为了实现堆垛机的准确定位, 在堆垛机运行过程中只需测量它的实际坐标位置, 并与位置目标设定值进行比较; 利用二者的偏差以PID控制规律控制堆垛机进行定位即可。实际上, 如果运行速度设置较大, 满足了运行快速性, 但在定位时由于惯性的影响产生抖动现象, 造成定位控制滞后; 如果运行速度设置较小, 虽然避免了抖动现象, 但不能满足运行快速性。为了满足堆垛机的快速准确定位, 需要进行变速运行。但又为了避免系统外界和内部因素对输出速度的扰动作用。因此, 在堆垛机位置控制主回路中增加了速度控制副回路, 构成串级控制结构, 如图1所示。

图1: 堆垛机位置速度的串级控制结构
图中主控制器和副控制器分别表示位置调节器和速度调节器的传递函数。
2 控制系统的算法
根据图1, 用PLC 实现和时, PLC 串级控制系统如图2所示, 图中的和是由PLC 实现的PID 数字控制器, H( S) 是零阶保持器, T 为采样周期。

考虑到堆垛机实际的工作情况, 采用积分分离的PID 算法, 即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。其计算顺序为:
（1） 计算主回路的偏差;
（2） 计算主回路控制器的输出;
根据增量式得:
当时:
当时:
式中: 为位置比例增益; 为位置积分系数; 为位置微分系数。
（3） 计算副回路的偏差;
（4） 计算副回路控制器 的输出;
根据速度式得:
当时:
当时:
式中: 为速度比例增益; 为速度积分系数; 为速度微分系数。
3 系统的设计
堆垛机控制系统的硬件包括可编程控制器(PLC)、 认址片和读址器、 旋转编码器、 变频器、 D/A模块、 高速可逆计数器模块、 运行机构等组成。其组成框图如3所示。
旋转编码器
运行机构
图3 堆垛机控制系统原理图
位置检测
速度检测
PLC
控 制 器
变频器
读址器
电机

工作原理为: PLC 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。速度输出经过D/A模块连接到变频器, 变频器调节交流电动机的转速, 轴脉冲编码器安装在交流电动机轴上, 编码器的输出脉冲接入PLC的高速可逆计数器模块。电动机的旋转经过传动机构转化为堆垛机的运动, 高速计数器记录了电动机轴的脉冲数( 电机旋转角度) , 一定时间内的脉冲数又反映了堆垛机的运行速度, 实现速度信息的反馈。同时, 运行机构上装有的认址器能够检测堆垛机是否运行到位, 实现位置信息的反馈。其程序流程图, 如图4所示。

4 用扩充临界比例度法整定T 和、 、
扩充临界比例度法是对模拟调节器中使用的临界比例度法的扩充, 是实验经验法的一种。其步骤如下:
(1) 选择一个足够短的采样周期; 其值要小于对象纯滞后时间的0.1倍。
(2) 用上述的, 采样模拟调节器的临界比例度法, 求出临界比例度及临界振荡周期。具体做法是仅让DDC 作纯比例控制, 逐渐缩小比例度, 最终得到一个等幅振荡, 此时的比例度即为, 振荡周期即为。
(3) 选择控制度。所谓控制度, 就是以模拟调节器为基准, 将DDC 的控制效果与模拟调节器的控制效果相比较。控制效果的评价函数采用( 最小的误差平方面积) 表示, 则
(4) 根据选定的控制度查表1, 求得T 和、 、 的值。
控制度
控制规律
T

1.05
PI
0.03
0.53
0.88
——
PID
0.014
0.63
0.49
0.14
1.2
PI
0.05
0.49
0.91
——
PID
0.043
0.47
0.47
0.16
1.5
PI
0.14
0.42
0.99
——
PID
0.09
0.34
0.43
0.20
2.0
PI
0.22
0.36
1.05
——
PID
0.16
0.27
0.40
0.22
模拟调节器
PI
——
0.57
0.83
——
PID
——
0.70
0.50
0.13
Ziegler-Nichols整定式
PI
——
0.45
0.83
——
PID
——
0.60
0.50
0.125
表1: 按扩充临界比例度法整定T 和、 、 的经验数值表
(5) 按求得的参数整定运行, 在运行中观察控制效果, 用探索法进一步寻求比较满意的值。
5 结束语
本文所提出的堆垛机的串级控制方案, 结合串级控制技术和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蠕动、 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。
★本文作者的创新点是利用串级控制技术, 增加速度控制环节, 以避免速度扰动的影响, 并在控制环节中采用改进的PID 算法避免积分饱和现象。
参考文献
[1] 高钦和 可编程控制器应用技术与设计实例P232—P237 北京: 人民邮电出版社, .
[2] 张万忠, 刘明芹. 电器与PLC 控制技术P214-P220 北京: 化学工业出版社, .
[3] 杨宁, 胡学军. 单片机与控制技术P255—P258 北京: 航空航天大学出版社, .
[4] Katsuhiko.Ogata Modern Control Engineering P633—P653 北京:电子工业出版社, .
[5] 宋绢 基于PID 算法的燃料电池实验室组态王监控系统. 微计算机信息. 测控自动化P28—P30. .1