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一种在柔性制造系统中的模糊控制物流装置
摘要：为提高产品制造的柔性和生产效率，开发了一种以CCD图像作为位置反馈、以模糊逻辑作为运动控制策略的物流装置，将该装置用于现代化柔性制造系统，能大大提高整个制造系统的柔性和效率。
关键词：物流装置； 模糊逻辑运动控制；制造系统的柔性和效率
图 1 模糊控制物流装置
科学技术的飞速发展，国内外市场竞争激烈，企业逐步采用柔性制造系统(Flexible Manufacturing System- FMS)以大幅度提高产品制造的柔性和生产效率的，才能获得更好的经济效益。而FMS中物流系统的效率对整个系统的效率要产生巨大影响[1]。因此，如何使FMS中的物料运输系统具有较大柔性，减少物料输送时间，对提高整个制造系统的柔性和效率起着关键的作用[2]。
1 前言
为了设计和开发具有柔性和可靠性的物流实时控制系统，充分发挥FMS的柔性，研制开发了以CCD图像作为位置反馈、以模糊逻辑作为运动控制策略的模糊控制物流装置。
2 模糊控制物流装置系统总体设计
2.1 机械部分
该装置的本体是一个四轮小车（如图1所示），前轮驱动，差速转向，两套55W自带减速器的直流伺服电机J70S201分别驱动左右轮，采用PWM调速。车体上部固联机械手用于搬运货物，机械手的运动由PLC控制。小车自备蓄电池为各驱动装置提供电源。
2.2 控制系统结构及工作原理
该控制系统由两大部分组成，一部分是以上位机为核心的行为主控系统，另一部分是以下位机为核心的运动执行系统（如图2所示）。上位机是工业PC机，完成图像采集与处理，经图像拼和以及模式识别确定车体在工作场地中的位置，再经智能运算做出运动决策，并以
无线通信的方式发送运动方向控制信号。下位机接收运动方向控制信号，并与方向传感器（这里采用绝对式编码器）检测到的实际运动方向进行比较，得到运动方向偏差信号，经模糊控制算法计算出运动方向控制量以控制车体运动。当车体运动到达目的地后，向PLC发出信号控制车体上的机械手对货物实施相应搬运操作。
图 2 控制系统结构
由于该装置的车体运动速度不高，实时运算量不大，普通8位单片机就能满足，故下位机选择Cygnal公司的C8051F020，控制车体运动的模糊逻辑控制器即由此芯片实现。该系统中的无线通信模块选用PTR2000。
3 物流装置模糊控制器设计
本系统采用模糊控制与PID控制相结合的混合控制器，当方向误差大（大于3°）时，采用模糊控制以尽快消除误差；当方向误差小（大于3°）时，采用PID调节以提高稳态精度。图3为模糊PID运动控制器控制系统结构图。

图3 模糊PID运动控制器控制系统
由于
（1）
转向角 （2）
式中VL 、VR分别为左、右轮线速度，V为车体质心线速度，L为两轮间距，θ为实际转向角（图3中θ*为上位机发出控制命令转向角），△t为转向时间[3]。
可知，车体的运动轨迹是依赖于左右两轮的转速差。当转速差为零时，车体航迹为直线，否则车体作转向运动。根据（1）、（2）式，左右轮速度分配器按照模糊控制器输出的方向指令u即可计算出左右轮的速度，再将各速度值分别转换成驱动左右轮的直流电机的PWM脉冲的占空比，实现左右轮速度控制。左右轮速度分配也由事先设计在C8051F020中的软件算法实现。
3.1模糊逻辑控制器模糊化处理
取两轮转速差E及转差的变化率EC作为模糊逻辑控制器的输入量，选取转向控制量U作输出变量。输入用7个语言变量{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}来对输入变量E、EC进行描述，其论域范围为{-3，-2，-1，0，1，2，3}7个等级，车体的转向范围为-90°～+90°，考虑到转向角的大小及其控制精度的要求，转向控制量用7个语言变量{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}来描述变量U，其论域范围是{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}13个等级：-90°～-70°，-70°～-50°，-50°～-30°，-50°～-30°，-30°～-15，-15°～-10°，-10°～-5°，-5°～5°， 5°～10°，10°～15°，15°～30°，30°～50°， 50°～70°，70°～90°。
3.2 模糊推理及决策
采用MAX-MIN法进行模糊推理。总结人们的驾车经验，得到转向控制规则表（见表1）。
3.3 清晰化处理
采用重心法去模糊化可得相应的输出控制量U，见表2模糊决策表。
表1 控制规则表
U

EC

NB
NM
NS
ZE
PS
PM
PB

E

NB
PB
PB
PB
PB
PM
PS
NS
NM
PB
PB
PB
PM
PS
NB
NM
NS
PB
PB
PM
PS
NS
NM
NB
ZE
PB
PM
PS
ZE
NS
NM
NB
PS
PB
PM
PS
NS
NM
NB
NB
PM
PM
PS
NS
NM
NM
NB
NB
PB
PS
ZE
NM
NM
NB
NB
NB

表2 模糊决策表
U

EC

-3
-2
-1
0
1
2
3

E

-3
6
5
5
3
2
1
-1
-2
6
5
4
2
1
-1
-2
-1
5
4
3
1
-1
-2
-3
0
4
3
2
0
-2
-3
-4
1
3
2
1
-1
-3
-4
-5
2
2
1
-1
-2
-4
-5
-6
3
1
-1
-2
-3
-5
-5
-6

4 结论
该装置通过工业PC机利用CCD摄像头及图像采集卡获得物流装置在工作场地中的实际位置信息，并根据此信息通过无线传输来命令单片机实现对物流装置运动的模糊控制，从而控制物流装置的轨迹，实现物流装置的实时运动控制，充分体现了柔性制造系统中物流系统的工作柔性，也提高了整个制造系统的柔性和效率。本装置结构简单，经实验运行稳态精度高，鲁棒性好，具有一定的实用性。
A Fuzzy Logic Control Material Transfer System in the FMS
Abstract: The FMS material transfer device is developed , which conclude position feedback of CCD image and motion control with Fuzzy logic. Applying this device, the whole FMS can work more flexible and more effectively.
Key words: material transfer device ; Fuzzy logic；flexible and effective
参考文献：
1. CAI Ge-ming. Discussion on Application Prospect of FMS [J]. MECHANICAL RESEARCH & APPLICATION,2007,20(2):11-13.(in chinese)[蔡葛明 FMS应用前景探讨[J] 机械研究与应用 2007,20(2):11-13]
2. ZHOU Jian-peng,TANG Yi-fan. Design and implementation of AGV real time control system in FMS[J]. Machinery Design & Manufacture,2007(3):128-130(in chinese)[周建鹏 汤以范 FMS中AGV的实时控制系统设计与实现[J] 机械设计与制造 2007(3):128-130]
3. Yu Dianyong ,Xue Hui “Application of Fuzzy Control Method to AGV ”Proceeding of the 2003 IEEE International Conference on Robotics Intelligent Systems and Signal Processing. Changsha China-October 2003 P768～P772

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