基于串级PID控制技术的堆垛机控制器的设计.doc

基于串级PID控制技术堆垛机控制器设计
Design of Storage/Retrieval Machine controller based on series PID control algorithm

摘要: 本文从提升堆垛机作业系统工作效率和可靠性角度出发, 利用串级控制原理和积分分离PID算法, 建立了堆垛机串级PID变频调速控制系统, 避免了速度扰动影响, 实现了堆垛机快速正确定位控制, 提升了系统运行稳定性和可靠性。
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
现在, 物流系统中大多自动化立体仓库堆垛机控制采取是闭环恒速控制或闭环变频调速控制方案来实现堆垛机控制。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原因影响下将出现扰动现象。假如输出速度在扰动作用下偏离理想值, 得不到立刻校正, 将产生堆垛机蠕动和抖动现象, 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, 本文在考虑位置原因影响同时, 兼顾速度原因影响提出了堆垛机串级控制方案。
所谓串级控制是在单回路PID 控制基础上发展起来一个控制技术。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。不过, 当系统中同时有多个原因影响同一个被控制量时, 假如只控制其中一个原因, 将难以满足系统控制性能要求。串级控制针对上述情况, 在原控制回路中, 增加一个或多个控制副回路, 用以控制可能引发被控量改变其她原因, 从而有效地控制了被控对象时滞特征, 提升了系统动态响应快速性。
1 堆垛机串级控制系统模型建立
堆垛机控制系统, 其控制目是使堆垛机快速正确定位, 以提升仓库效率。假如堆垛机运行速度是恒定, 堆垛机位置坐标值就对应着一定时间, 这时为了实现堆垛机正确定位, 在堆垛机运行过程中只需测量它实际坐标位置, 并与位置目标设定值进行比较; 利用二者偏差以PID控制规律控制堆垛机进行定位即可。实际上, 假如运行速度设置较大, 满足了运行快速性, 但在定位时因为惯性影响产生抖动现象, 造成定位控制滞后; 假如运行速度设置较小, 即使避免了抖动现象, 但不能满足运行快速性。为了满足堆垛机快速正确定位, 需要进行变速运行。但又为了避免系统外界和内部原因对输出速度扰动作用。所以, 在堆垛机位置控制主回路中增加了速度控制副回路, 组成串级控制结构, 如图1所表示。

图1: 堆垛机位置速度串级控制结构
图中主控制器和副控制器分别表示位置调整器和速度调整器传输函数。
2 控制系统算法
依据图1, 用PLC 实现和时, PLC 串级控制系统如图2所表示, 图中和是由PLC 实现PID 数字控制器, H（S）是零阶保持器, T 为采样周期。

考虑到堆垛机实际工作情况, 采取积分分离PID 算法, 即在被控制量开始跟踪时, 取消积分作用, 以避免因严重积分饱和现象而造成很大超调和长时间振荡; 而当被控制量靠近给定值时, 才利用积分作用, 以消除静差, 提升控制精度。其计算次序为:
（1） 计算主回路偏差;
（2） 计算主回路控制器输出;
依据增量式得:
当初:
当初:
式中: 为位置百分比增益; 为位置积分系数; 为位置微分系数。
（3） 计算副回路偏差;
（4） 计算副回路控制器 输出;
依据速度式得:
当初:
当初:
式中: 为速度百分比增益; 为速度积分系数; 为速度微分系数。
3 系统设计
堆垛机控制系统硬件包含可编程控制器(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所表示。
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, 与本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, 变频器调整交流电动机转速, 轴脉冲编码器安装在交流电动机轴上, 编码器输出脉冲接入PLC高速可逆计数器模块。电动机旋转经过传动机构转化为堆垛机运动, 高速计数器统计了电动机轴脉冲数（电机旋转角度）, 一定时间内脉冲数又反应了堆垛机运行速度, 实现速度信息反馈。同时, 运行机构上装有认址器能够检测堆垛机是否运行到位, 实现位置信息反馈。其程序步骤图, 如图4所表示。

4 用扩充临界百分比度法整定T 和、 、
扩充临界百分比度法是对模拟调整器中使用临界百分比度法扩充, 是试验经验法一个。其步骤以下:
(1) 选择一个足够短采样周期; 其值要小于对象纯滞后时间0.1倍。
(2) 用上述, 采样模拟调整器临界百分比度法, 求出临界百分比度及临界振荡周期。具体做法是仅让DDC 作纯百分比控制, 逐步缩小百分比度, 最终得到一个等幅振荡, 此时百分比度即为, 振荡周期即为。
(3) 选择控制度。所谓控制度, 就是以模拟调整器为基准, 将DDC 控制效果与模拟调整器控制效果相比较。控制效果评价函数采取（最小误差平方面积）表示, 则
(4) 依据选定控制度查表1, 求得T 和、 、 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
模拟调整器
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: 按扩充临界百分比度法整定T 和、 、 经验数值表
(5) 按求得参数整定运行, 在运行中观察控制效果, 用探索法深入寻求比较满意值。
5 结束语
本文所提出堆垛机串级控制方案, 结合串级控制技术和PID 控制技术, 处理了因为速度扰动影响而产生堆垛机蠕动、 抖动和定位错误等问题; 同时也避免了因严重积分饱和现象而造成很大超调和长时间振荡现象, 提升了使堆垛机定位精度和系统运行稳定性、 可靠性。
★本文作者创新点是利用串级控制技术, 增加速度控制步骤, 以避免速度扰动影响, 并在控制步骤中采取改善PID 算法避免积分饱和现象。
参考文件
[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 算法燃料电池试验室组态王监控系统. 微计算机信息. 测控自动化P28—P30. .1