【導讀】注1：注明《國際十進分類法UDC》的類號。歷而使用過的材料。與我一同工作的同事對本學位論文做出的貢獻均。已在論文中作了明確的說明。交并授權其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學位論文的部分或全部內(nèi)容。于保密論文，按保密的有關規(guī)定和程序處理。等工作的自動化系統(tǒng)。隨著科學技術的發(fā)展，F(xiàn)MS被廣泛地應用于制造業(yè)當中。統(tǒng)管理軟件進行研究和改進。本文主要工作包括以下幾個方面：。出庫作業(yè)，揀選作業(yè)功能，可以一次完成多個連續(xù)的倉儲任務，提高了倉儲效率。種現(xiàn)代優(yōu)化調(diào)度算法對該問題進行仿真研究，結果表明蟻群算法調(diào)度效果最好。究，分析了PID調(diào)節(jié)器各參數(shù)對速度性能的影響，得到了理論上的較好參數(shù)。監(jiān)控界面進行改進設計。

　　

【正文】 后再將另外一個貨位 C 上的貨物移至 A 上面。再將貨位 B 上面的物品搬運到貨位 C 上面。 雕刻功能 雕刻模塊的功能是控制雕刻機的雕刻，在模塊上面可以雕刻成用戶所需要的產(chǎn)品。該加工設備選用的是固高公司的數(shù)控機床和 傳統(tǒng)的機械雕刻系統(tǒng)。它采用傳統(tǒng)的切削式碩士論文 基于固高 FMS 的控制系統(tǒng)設計 11 加工方法進行雕刻。 AGV 取貨功能 AGV 小車也稱自動導向小車（ Automated Guide Vehicle）是一種由計算機控制并完成運輸任務的工具。主要由車架、蓄電池（充電裝置）、電氣系統(tǒng)、驅動裝置、轉向裝置、自動認址和精確停位系統(tǒng)、自動導向系統(tǒng)和無線通訊系統(tǒng)等組成。 本系統(tǒng)的 AGV 小車內(nèi)部安裝驅動程序，便可啟動。它由 PLC 上傳來的信號來控制啟停。當次品出庫后，小車到出庫線的機械手臂處，由機械手臂將托盤吸住，放置到小車上面。然后小車接受到 PLC 發(fā)來的信號 沿鋪設好的路線行至倉庫 后 貨物。 AGV 小車底部安裝了兩臺電機，由電機的轉速來控制小車的前進和轉彎。 系統(tǒng)改進方向 高效率的控制系 統(tǒng) 可以提高生 產(chǎn) 效率和 倉儲 的自 動 化水平，控制系 統(tǒng)就 相 當 于 FMS的大腦，其性能的好壞決定了 FMS 系統(tǒng)的優(yōu)劣。固高 FMS 系統(tǒng)集光、機、電、氣以及計算機信息技術為一體，在功能和結構方面都具有模塊化設計思想和可開發(fā)性。本課題基于該綜合平臺，對堆垛機嵌入式控制、現(xiàn)代優(yōu)化調(diào)度算法等相關技術作進一步的研究和開發(fā)。 下面概括地列出原系統(tǒng)有待改進的方面，并提出改進的思路和方法。 ? 倉儲 作 業(yè) ：系 統(tǒng) 可 以完成基本的 單 任 務 作 業(yè) ，如 單 任 務 入 /出 庫 、 移庫 和 調(diào)庫 等 功能， 單 任 務 作 業(yè) 一次只能完成一 個倉儲 任 務 ，效率 較 低，消耗 時間較 多。 對該設備的控制系統(tǒng)進行改進， 添加復合作 業(yè) 任 務 ， 加入 一 鍵入 /出 庫 作 業(yè) 和 揀選 作 業(yè) 。 復雜作業(yè)可以一次完成多 個連續(xù)的倉儲 任 務 ， 節(jié) 省 時間 ， 倉儲 效率得到提高。 對 于 揀選 作 業(yè) 任 務 ，可以把它抽象 為 TSP 模型， TSP 問題 是如何在最短走 過 所有的城市。 應 用 遺傳 算法、 蟻群算法和模 擬 退火算法等 現(xiàn) 代優(yōu)化 調(diào) 度算法， 編 程 實現(xiàn) ， 將 程序生成的最優(yōu)路 徑儲 存 為任 務單 。堆垛機系 統(tǒng) 可以根據(jù)此任 務單 完 成揀選 作 業(yè) 。 ? 堆垛機控制系 統(tǒng) ： 該 系 統(tǒng) 是控制系 統(tǒng) 的核心。因 為 堆垛機是控制系 統(tǒng) 的 執(zhí) 行機 構，所有的 倉儲 作 業(yè) 最 終 都是通 過堆 垛機 來 完成，所 以對 堆垛機系 統(tǒng) 的改 進 ，可以提高系 統(tǒng) 的效率。堆垛機控制系 統(tǒng) 主要 實現(xiàn) 堆垛機的精確定位和速度控制。 本文研究了 堆垛機的高精度定位， 對堆垛機控制系統(tǒng)進行了分析，建立速度控制模型，利用 MATLAB進行仿真實驗 。 實驗仿真了不同的 PID 參數(shù)下的電流和速度圖形。比較參數(shù)不同時的仿真圖，可以得出對運動控制器可設置的一組最優(yōu) PID 參數(shù)，對實際操作時有效的控制堆垛機的速度具有實際指導意義。 ? 倉庫信息管理系統(tǒng)：在原系統(tǒng)中，無法實現(xiàn)查詢打印 報表的功能，只能夠實現(xiàn) 入 /出庫操作過程中簡單的資料統(tǒng)計。合理的倉庫信息管理系統(tǒng)應該包括入庫信息管理系2 固高 FMS介紹及系統(tǒng)改進方向 碩士論文 12 統(tǒng)，出庫信息管理系統(tǒng)，庫存信息管理系統(tǒng)和信息報表模塊。本文對上述管理功能模塊進行了分析和設計。 小 結 本章介紹了固高 FMS 系統(tǒng)的硬件結構，包括自動化立體倉庫、堆垛機、輸送線等。對系統(tǒng)各模塊的功能，包括出、入庫，雕刻等進行了詳細的說明，針對原系統(tǒng)的一些不足以及可進一步開發(fā)的功能，提出了后續(xù)課題研究的重點。碩士論文 基于固高 FMS 的控制系統(tǒng)設計 13 3 立體倉庫調(diào)度算法的研究 TSP問題 [8]是指一個商人欲到 n個城市推銷商品，每兩個城市 i和 j之 間的距離為 ijd ，如何選一條路徑使商人走遍所有城市后回至起點且所走路徑最短。 TSP 可分為非對稱距離和對稱距離兩大類問題。當 ijd = jid 時稱為對稱 TSP。反之，則稱為非對稱距離 TSP。旅行商問題是典型的非多項式時間可解難題 (Nphard Problem)，許多領域的優(yōu)化問題都可歸結為旅行商問題。 TSP 問題就是尋找一條最短的遍歷 n個城市的路徑，也就是搜索整數(shù)子集},2,1{ nX ?? ，其中 X 表示對城市的編號。使 ??? ? ?? 11 11 ),(),(ni niid vvdvvdT () 取得最小值即可。其中 ),( 1?ii vvd 表示的是城市 iv 到 1?iv 之間的距離， ),( 1 nvvd 表示城市 1v 到 nv 之間的距離 。本章就是基于 TSP 模型尋找最優(yōu)調(diào)度算法，使路徑最短。 實踐表明，揀選 作業(yè)可提高自動化立體倉庫的工作效率。揀選作業(yè)，是指堆垛機接到指令后，根據(jù)生成的任務單來執(zhí)行任務，對于任務單上的所有的貨位，堆垛機要全部走一遍，且每個貨位不重復遍歷。類似于一個典型的 TSP 問題，立體倉庫中需進行揀選作業(yè)的貨位可看作旅行商所要到達的城市。堆垛機從起點出發(fā)，根據(jù)取貨路徑到需揀選作業(yè) 的 倉位執(zhí)行作業(yè)，完成任務后回終點。堆垛機對每個倉位都依次走一遍，那么如何走才是最短的路徑， TSP 問題就是要研究的內(nèi)容。 自 動 化立體 倉庫簡 介 自 動化立體倉庫 (AS/RS 系統(tǒng) )又稱高層貨架或立庫 [9]，它是在電子計算機控制管理下，通過堆垛運輸車進行存儲保管，對貨物進行分類、包裝、分揀、配送、存盤等功能操作的。在飛速發(fā)展的科技信息時代，自動化立體倉庫能夠滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)要求以及物資的交流和倉儲的需要，是物流技術的一個很有意義的創(chuàng)新與改革。 根據(jù)不同的標準，自動化立體倉庫有多種分類方式 [10]：按貨物存取形式，可以分為單元貨架式、移動貨架式和揀選貨架式；按建筑形式 [11]，可以分為整體式和分離式；按貨架構造形式可分為單元貨位式、貫通式、水平循環(huán)式和垂直旋轉 式倉庫；按作用，可以分為生產(chǎn)性倉庫和流通性倉庫。 自動化立體倉庫系統(tǒng)是由機械和電氣、強電控制和弱電控制相結合的產(chǎn)品。其組成如下： ? 貨架。一般由鋼鐵結構構成儲存商品的單元格，單元格內(nèi)存放托盤貨物。貨架 一般有固定貨架和旋轉貨架兩種，其中旋轉貨架還配有升降臺。 3 立體倉庫調(diào)度算法的研究 碩士論文 14 ? 堆垛機。堆垛機又稱為搬運車，其形式多種多樣。一般兩排高層貨架之間一般 留有 1~，來充當堆垛機的軌道，堆垛機在巷道內(nèi)作來回運動，其運行方式有直線運動和回轉運動，合起來可以有四個自由度，也有多達六個自由度 [12,13]。 ? 出庫臺和入庫臺。貨物 在入庫前先在入庫臺等待巷道堆垛機的取貨入貨；貨物 在出庫時先被巷道堆垛機從貨架上取出，通過輸送系統(tǒng)運送到出庫站臺上等待運出。因此出、入庫站臺是臨時儲存物料，以便交接或轉載的裝置。 ? 輸送系統(tǒng)。主要包括傳送帶輸送機、機動輥道和鏈傳動輸送機?？梢愿鶕?jù)具體 的需要來選取合適的輸送線路。 ? 貨物自動分揀系統(tǒng)。完成貨物入庫前的分類、集中。 ? 控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用計算機控制和管理，不同的控制方式可以控制不同的自 動化立體倉庫。管理計算機承擔著重要的倉儲管理、在線控制和離線控制等功能。當然也可以實現(xiàn)遠程控制。管理系統(tǒng)可以分為單 臺 PLC 控制、各單臺機械聯(lián)網(wǎng)控制、集中控制、分離式控制和分布式控制等。 自動化立體倉庫的發(fā)展主要經(jīng)歷了五個大的階段 [14]：第一代機械式立體倉庫系統(tǒng)(Mechanical Highrise Warehouse System)；第二代自動化倉庫系統(tǒng)；第三代集成化立體倉庫系統(tǒng)；第四代智能型立體倉庫系統(tǒng)；第五代“ 3I” (Intelligent， Integrated， Information)。 我國自 70 年代開始進行立體倉庫的研究工作， 80 年代在全國建立了 50 多座立體倉庫。我國第一座自動化立體倉庫是于 1974 年在 鄭州紡織機械廠建成的。自動化物流系統(tǒng)在 90 年代后進入了迅猛發(fā)展的時期，并且伴隨著多家企業(yè)、科研院校以及高等院校的開發(fā)研究，自動化立體倉庫也得到了很快的發(fā)展。 1992 年清華大學建成了我國第一個CIMS 環(huán)境下的實驗工程物流系統(tǒng)，中科院沈陽自動化研究所開發(fā)研制了電磁導引自動車 [15]。但是由于當時是以單機為主，因此水平還不高。 目前，自動化倉庫已經(jīng)進入了 智能 儲運技術階段 [16]。山東大學的田國會教授提出的多起點 最近點搜索算法 [17]和結合 Hopfield 網(wǎng)絡 [18]模型的遺傳算法應用在自動化立體倉庫的揀選路徑問 題方面，優(yōu)化了揀選路徑。大連理工大學的李梅娟的改進蟻群算法應用在含多個約束條件的揀選作業(yè)路徑規(guī)劃問題，提高了自動化立體倉庫的作業(yè)效率 [19]。我國自動化倉庫現(xiàn)在正處于不斷的發(fā)展和完善階段。美國的 CHARLES J MALMBROG 對貨物的存取隊列的排序提出了基于泊松分布原理的方法 [20]。提高了貨物的存取效率。美國的 RUSSELL 等人將 M=max(X,Y)的概率密度問題應用到多貨叉堆垛機的貨物存取優(yōu)化策略方面，以達到減少貨物的存取時間最短 [21]。 碩士論文 基于固高 FMS 的控制系統(tǒng)設計 15 幾種常用的 現(xiàn) 代 調(diào) 度算法 調(diào)度策略 調(diào)度策略是如何安排合理的出入庫任務的順序，來減少出入庫作業(yè)的時間，提高貨物的出入庫效率。在自動化立體倉庫的倉儲作業(yè)中，調(diào)度策略是指：根據(jù)自動化立體倉庫的堆垛機分配策略所規(guī)定的堆垛機分配策略。 ? 先來先服務策略 先來先服務 FIFO(First In First Out)策略是物流作業(yè)中一種最基本的策略。它是指先到的作業(yè)優(yōu)先進入任務隊列，執(zhí)行系統(tǒng)按照任務來的先后來執(zhí)行。在利用先來先服務策略的時候，堆垛機總是先執(zhí)行任務隊列里面最靠前的任務。該策略的缺點是沒有優(yōu)先級，當任務緊急的時候無法取得調(diào)度的優(yōu)先級 別，因此不利于長作業(yè)運行 [22]。 ? 短任務優(yōu)先調(diào)度策略 短任務優(yōu)先調(diào)度策略就是對作業(yè)時間短的任務，優(yōu)先進入任務隊列，因此，堆垛機總是被任務隊列中的最短任務所占用。該策略的缺點是對長作業(yè)任務不利，在短任務總是優(yōu)先的情況下，長任務總是被放置到最后，而不考慮它進入任務隊列的時間 [23]。 ? 高優(yōu)先權優(yōu)先調(diào)度策略 最短空閑時間優(yōu)先策略就是一種比較常用的高優(yōu)先權優(yōu)先調(diào)度策略。最短空閑時間優(yōu)先策略 (LSF)[24]，是指任務的空閑時間最短的作業(yè)優(yōu)先進入任務隊列。 任務的空閑時間 =任務相對截止時 間 － (出 庫任務 所需 執(zhí) 行 時間 估算出 庫任務預計完成 時 刻的安全系 數(shù) )。 在確定優(yōu)先權的時候有兩種方法：靜態(tài)優(yōu)先權和動態(tài) 優(yōu)先權。靜態(tài)優(yōu)先權是指任務的優(yōu)先權是在任務進入進程后就被計算好 的，并且該優(yōu)先權的值是固定的；動態(tài)優(yōu)先權是指任務的優(yōu)先權不固定，可變化。在任務的調(diào)度過程中，它的優(yōu)先權隨著任務的等待時間的增加而變化，從而有著更高的調(diào)度性能。 ? 高 響應 比優(yōu)先調(diào)度策略 高響應 比優(yōu)先調(diào)度策略 [25]是把前面策略的動態(tài)優(yōu)先權的計算拿到該策略中的每個作業(yè)中，并確保每個作業(yè)的優(yōu)先級隨著等待時間的增加的時候并以速率 a 提高，這樣就能夠保證每個作業(yè)都會得到響應。 對比以上的策略，高響應比優(yōu)先調(diào)度策略是一個比較好的策略，因為該策略首先通過優(yōu)先級照顧到了每個作業(yè)的優(yōu)先級別，又通過引入的響應比 r 來確保了長作業(yè)最后也能夠得到響應。 幾種現(xiàn)代調(diào)度算法介紹 本文主要研究三種常用的現(xiàn)代優(yōu)化調(diào)度算法：遺傳算法、蟻群算法和模擬退火算法。 3 立體倉庫調(diào)度算法的研究 碩士論文 16 ? 遺傳算法 遺傳算法是 Holland 教授 [26]在 20 世紀 70 年代初期提出的，它主要借助生物進化中的“適者生存”的規(guī)律 [27]。遺傳算法與傳統(tǒng)算法的不同之處在于它并不依賴于梯度信息，而是通過模擬自然界中的種群進化的過程來搜索最優(yōu)解。首先， 它利用了編碼技術，作用于染色體，然后模擬其進化過程。 “生物進化”和“自然選擇”是兩個非常重要的概念，生物進化是指具有共同祖先的物種的親緣關系彼此更接近；自然選擇的概念是達爾文進化論的關鍵，“適者生存，不適者淘汰”。自然界是這樣利用雜交和選擇相結合的方法來培養(yǎng)優(yōu)良品種的。在進化的過程中，有性生殖的重要作用是保證后代的基因混合與重組。到八十年代末期，隨著生物學的發(fā)展，由密歇安大學的 Holland[28,29]等