【正文】 控制器流程圖，控制器需要設(shè)定的參數(shù)有目標位置、目標速度和目標加速度以及計算周期[56]，各變量之間關(guān)系見式 () 。若要是用位置/速度控制模式來進行研究，需要把驅(qū)動器的參數(shù)Pr02設(shè)置為3。運動控制器對于步進電機的控制模式有兩種[55]，一種是脈沖/方向控制，一種是正脈沖/負脈沖控制。Kd能夠消除系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的過大超調(diào)量[53]，使系統(tǒng)可較快趨于穩(wěn)定。通過上面實驗仿真可知：Kp保證系統(tǒng)可以快速響應(yīng)輸入信號，但該值過大會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[52]。分別用來控制堆垛機的X、Y、Z三個方向。(c)所示，可以看出，跟蹤曲線基本沒有誤差，可以很好的實現(xiàn)對伺服電動機的雙閉環(huán)控制，記錄此時的PID參數(shù)為，Kp=8，Ki=5，Kd=30。 (a) kp=0，ki=0，kd=0 (b) kp=10，ki=0，kd=5(c) kp=8，ki=5，kd=30 (a) kp=30，ki=0，kd=0 (b) kp=10，ki=0，kd=5 (c) kp=8，ki=5，kd=30 跟蹤目標位置曲線 最佳參數(shù)下的速度曲線經(jīng)過多次仿真后，改變PID參數(shù)的原則是先調(diào)內(nèi)環(huán)（速度環(huán)），再調(diào)外環(huán)（位置環(huán)）。[51]，更新參數(shù)，然后觀察系統(tǒng)的超調(diào)量，此處可以通過速度曲線來看出超調(diào)量，發(fā)現(xiàn)超調(diào)量過大，則要增大Kd的值，直到系統(tǒng)的超調(diào)量逐漸減小。設(shè)定好S曲線控制模式，實現(xiàn)單軸運動，然后設(shè)定軸的運動。實驗過程采用試湊法，過程如下：把PID的參數(shù)設(shè)定為Kp=1，Ki=0，Kd=0。給定系統(tǒng)初始值，目標速度為4，目標位置為140000，采樣時間為200。因此，選用MATLAB來進行仿真?？刂破髋c濾波器的參數(shù)則可以由控制終端來設(shè)置。速度控制器中采用了PID調(diào)節(jié)器加數(shù)字濾波器，主要是用于計算控制輸出信號，采用速度和加速度前饋，即PID+濾波器。位置環(huán)的作用是根據(jù)采樣回來的位置偏差來發(fā)出指令調(diào)節(jié)電機速度，以實現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位和回零；速度環(huán)和電流環(huán)分別在速度控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式下發(fā)揮作用[42,43]，因此在運動控制器采用的速度控制模式中，主要由速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)。其中，電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)指標，使系統(tǒng)抗干擾能力增大。 系統(tǒng)速度控制器的設(shè)計。所以，本系統(tǒng)的速度控制采用S曲線模式[41]。由于常用的模式在終止點的定位精度差，速度跟蹤平穩(wěn)性不高。 堆垛機的速度控制速度控制包括啟動初期的加速、移動過程中的勻速以及即將到達目的位置時的減速控制。激光測距的優(yōu)點是測量精度高，不易產(chǎn)生跳鏈[40]。l 激光測距定位近年來，一種新的可用于巷道堆垛機行走方向上精確定位的新技術(shù)—激光測距技術(shù)應(yīng)運而生。因此通過對旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)換，可以得到堆垛機的相對運行位置。l 編碼器定位法編碼器定位方式主要有兩種：從動輪與軌道旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式、鏈輪與鏈條旋轉(zhuǎn)計數(shù)測定方式。其缺點是由于外界因素干擾可能引起計數(shù)錯誤。堆垛機計數(shù)器記錄下標的層、列號，在沿巷道運行時，每經(jīng)過一列計數(shù)一次，在達到一預(yù)定數(shù)值之后開始減速，確保到達目標地址時停止。l 相對計數(shù)定位法(計數(shù)法)該方式以計數(shù)方式表示堆垛機X方向和Y方向的實際走過的路程。在各個地址上加上門牌，堆垛機靠門牌地址與自身目的地址相比較來決定進退升降。所以，正常的情況時硬限位是彈起的，保證系統(tǒng)的正常上電。當堆垛機碰到軟限位時，不會造成系統(tǒng)掉電。l 保護功能：為了保證堆垛機系統(tǒng)的運行安全，系統(tǒng)中需要多種保護措施，第一是軟限位，第二是硬限位，第三是橡膠擋塊。 堆垛機坐標系示意圖l 貨叉控制：貨叉控制的作用為使得貨叉準確無誤地取出并放下貨物，貨叉的速度分高檔和低檔兩種。一般情況下，堆垛機的速度分為高、中、低三檔。1——下橫梁 2——貨叉裝置 3——載貨臺4——上橫梁 5——導(dǎo)輪組 6——卷筒 堆垛機結(jié)構(gòu)圖堆垛機控制系統(tǒng)的功能包括：l 位置控制：為了準確的存取貨物，堆垛機必須到達指定貨位處，且保證停止精度在可允許的誤差范圍。對速度控制的合理與否、定位設(shè)計是否精確以及故障診斷系統(tǒng)的效果是實現(xiàn)堆垛機高效率、高準確度、高度安全性運行的重要因素。本文主要對堆垛機的定位和調(diào)速控制進行研究，以實現(xiàn)對堆垛機的快速定位和調(diào)速，并進一步提高倉儲作業(yè)的效率。當執(zhí)行任務(wù)時，即可點擊此按鈕，就可以執(zhí)行揀選作業(yè)任務(wù)。采用蟻群算法進行優(yōu)化調(diào)度具有較好的效果，因此系統(tǒng)揀選操作中使用了蟻群算法來生成任務(wù)單。由此可見，揀選作業(yè)調(diào)度問題本質(zhì)上是求取堆垛機最短運行路徑的問題。堆垛機的揀選作業(yè)調(diào)度問題可以描述為：出庫信息或者訂單上有n個揀選任務(wù)，堆垛機到達這n個貨位來執(zhí)行揀選作業(yè)任務(wù)。出庫口采用鏈式輸送機將貨物運送至AGV小車，小車把貨物送至分揀臺，在分揀臺上由工作人員按照出庫單進行分揀。揀選作業(yè)是根據(jù)出庫信息或者訂單，將顧客訂購的物品從倉庫中取出，并運送至配貨區(qū)的作業(yè)過程。該功能也適用于同一類型的多個產(chǎn)品同時出貨的情況，允許用戶設(shè)定出庫數(shù)量。(a) 全部貨位出庫 (b) 按物料名稱出庫 一鍵出庫程序流程圖當選擇一鍵出庫的模式時，控制終端計算機向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)指令，執(zhí)行一鍵出庫功能。該任務(wù)單由控制終端讀取后，發(fā)送指令給執(zhí)行系統(tǒng)，并最終實現(xiàn)一鍵入庫的功能。同時將任務(wù)單信息保存至自定義的類中。最后，查詢到需要進行入庫作業(yè)的所有倉位號碼。一鍵入庫可以按空貨位和物料名稱兩種方式一次性全部入庫，前者適用于物料種類單一的情況下，可對同類物料一次性全部入庫，后者適用于物料種類比較多的情況下，可對不同種類物品的一次連續(xù)性入庫。如果繼續(xù)，系統(tǒng)發(fā)送新指令至堆垛機。把連續(xù)作業(yè)任務(wù)指令存入指針數(shù)組，生成任務(wù)單，終端控制系統(tǒng)依次在任務(wù)單中讀取倉儲作業(yè)指令。在執(zhí)行信息傳遞的過程中，當執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障時，執(zhí)行機構(gòu)將發(fā)送報警信號至終端控制系統(tǒng)，終端控制系統(tǒng)收到信號后反饋確認信息至執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)收到指令后返回應(yīng)答信號給終端控制系統(tǒng)，以確認收到指令。 一鍵入庫功能的設(shè)計實現(xiàn)復(fù)雜作業(yè)功能，要對系統(tǒng)內(nèi)的信息傳遞有清楚的認識，信息傳遞主要存在于終端控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)之間。對于復(fù)雜作業(yè)的研究，包括以下三個方面：一鍵入庫、一鍵出庫和揀選作業(yè)。也即堆垛機在復(fù)合作業(yè)的情況下，是連續(xù)作業(yè)的。 單任務(wù)出庫程序流程圖 復(fù)雜作業(yè)功能的設(shè)計為了提高系統(tǒng)的工作效率，本文設(shè)計了復(fù)合作業(yè)的功能。分析系統(tǒng)程序后，添加判斷代碼，并把吸盤吸起貨物的時間測定好，在程序中添加定時器，實現(xiàn)當貨物送至機械手臂處的時候，輸送線的紅外開關(guān)檢測信號后，輸送線的PLC收到該信號后，控制皮帶電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，繼續(xù)執(zhí)行出庫操作，以下操作與出庫操作類似。然后AGV小車沿著固定的磁導(dǎo)引線，把貨物送至加工點。當堆垛機放下貨物后，紅外傳感器采集到的信號便會控制輸送線的電機啟動并停止堆垛機的運動。堆垛機在指令控制下行至該貨位，伸出貨叉，取出貨物，然后收回貨叉。 單任務(wù)入庫作業(yè)的程序流程圖 單任務(wù)出庫管理系統(tǒng)出庫功能跟入庫功能類似，首先也要設(shè)置出庫信息，包括出庫物料名稱，出庫的貨位號。最后，堆垛機上的傳感器采集信號，系統(tǒng)根據(jù)該信號控制堆垛機完成任務(wù)。然后，系統(tǒng)計算堆垛機的坐標位置，并控制堆垛機至入庫臺取貨。人工把貨物放置到輸送線，點擊入庫操作，控制終端發(fā)出指令后，皮帶上的驅(qū)動電機(松下伺服電機，型號M9GC6B)得到信號后驅(qū)動皮帶轉(zhuǎn)動。通常作業(yè)入庫是指正常情況下，系統(tǒng)按照中央控制器所給的指令來執(zhí)行入庫作業(yè)；備選作業(yè)入庫是指當設(shè)備突然斷電時，系統(tǒng)通過AGV小車來實現(xiàn)作業(yè)入庫。 單任務(wù)作業(yè)介紹 單任務(wù)入庫管理系統(tǒng)入庫功能是FMS的基本功能。復(fù)雜作業(yè)可以一次完成多個連續(xù)的倉儲任務(wù)，節(jié)省時間，提高倉儲作業(yè)效率。由于單任務(wù)作業(yè)每次只能完成一個倉儲任務(wù)，效率較低，消耗時間較多。 FMS體系結(jié)構(gòu)圖針對原系統(tǒng)存在的缺陷和不足，本文設(shè)計開發(fā)了立體倉庫管理系統(tǒng)中的倉儲作業(yè)模塊、監(jiān)控系統(tǒng)中的信息管理模塊、堆垛機控制模塊，并對系統(tǒng)的監(jiān)控界面進行改進。4 柔性制造系統(tǒng)主要功能模塊的設(shè)計固高FMS的控制系統(tǒng)分為立體倉庫管理系統(tǒng)、加工系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和系統(tǒng)管理這四個部分。基于TSP模型，實現(xiàn)了上述三種調(diào)度算法的仿真。因此，將蟻群算法應(yīng)用在揀選作業(yè)當中，生成任務(wù)單，堆垛機按照該任務(wù)單執(zhí)行調(diào)度任務(wù)時所走路徑最短，耗時最少，提高了設(shè)備的效率。 模擬退火算法優(yōu)化調(diào)度仿真結(jié)果 仿真結(jié)果，最短路徑為1→19→4→23→10→17→2→7→14→13→15→8→9→3→21→24→18→22→16→5→20→12→6→11→1。第二步：程序流程圖。所以蟻群算法的效果比遺傳算法好。 迭代次數(shù)不同時得到的最優(yōu)解NC_max最 優(yōu) 路 徑路線長度(cm)運行時間(s)1001→13→11→21→4→22→23→2→10→12→20→24→19→8→16→15→14→18→9→6→5→7→3→17→12001→13→11→21→4→22→23→20→24→19→12→2→10→8→16→15→14→18→9→7→6→5→3→17→13001→17→3→5→6→7→9→18→14→15→16→8→19→24→12→20→22→23→2→10→4→21→11→13→1：隨著NC_max值的增加，最優(yōu)路徑的長度越來越短，但所用時間也越來越長。 蟻群調(diào)度算法流程圖 仿真結(jié)果分析。第一步：編碼采用符號編碼中的序號編碼方法，這是一種最自然的編碼方式。仿真一次后更新信息強度的公式為： () () ()其中，為第k只螞蟻從時間t到t+1之間內(nèi)，在所經(jīng)過的路徑上留下的單位長度上的信息素量。該公式可以求出螞蟻下一個要走的城市的概率。反映了螞蟻運動過程中積累的信息的作用并闡述了軌跡的相對重要性；為期望啟發(fā)式因子，表示了能見度的相對重要性，反映螞蟻在運動過程中啟發(fā)信息在螞蟻選擇路徑中的受重視程度。狀態(tài)轉(zhuǎn)移公式為： ()其中，是從節(jié)點到的啟發(fā)式函數(shù)，A是未走過的所有節(jié)點的集合，為啟發(fā)式因子。表中數(shù)據(jù)給出了當?shù)螖?shù)確定的時候，迭代NC次后，算法所求得的最優(yōu)路徑，并給出了路線長度和取得最優(yōu)路徑時的代數(shù)。 迭代次數(shù)不同時得到的最優(yōu)解NC最 優(yōu) 路 徑路線長度進化最優(yōu)代數(shù)2001→21→11→17→4→10→2→23→22→12→8→20→15→14→16→19→24→18→9→7→6→5→3→13→11044001→7→6→5→3→11→1→17→21→4→10→2→23→22→16→15→8→12 →20→24→19→18→14→9→11216001→18→9→2→16→14→15→8→19→24→22→20→12→23→10→4→21→11→13→7→17→3→5→6→1271NC最 優(yōu) 路 徑路線長度進化最優(yōu)代數(shù)8001→3→4→18→9→7→6→5→10→22→20→8→16→14→ 15→ 19→ 24→ 12→ 23→ 2→ 21→ 11→ 13→17→1339，迭代次數(shù)不同時得到的最優(yōu)解也不相同。此時，即取得最優(yōu)路徑。(a) NC=200 (b) NC=400 (c) NC=600 (d) NC=800 遺傳算法優(yōu)化調(diào)度仿真結(jié)果（參數(shù)：Pc=；Pm=）圖中的虛線是種群的變化曲線，實線是種群產(chǎn)生的下一代的變化曲線。第五步：選取中間函數(shù)取每條作業(yè)在線的總時間 ()其中為起始點，為終點。第四步：選定算法停止條件在遺傳算法中，停止條件是最優(yōu)解無顯著提高。交叉概率一般是在1左右，使其可以遺傳至下一代。因此，題目變成求該函數(shù)的最小值問題。 對所取貨位點按自然編碼方式編碼坐標編碼坐標編碼(0，0)1(3，0)13(20，11)2(9，13)14(2，3)3(10，14)15(23，7)4(13，13)16(3，6)5(1，2)17(4，7)6(7，11)18(1，9)7(18，15)19(16，13)8(21，13)20(5，10)9(20，4)21(20，9)10(30，12)22(6，1)11(22，12)23(19，13)12(20，15)24第二步：選取適應(yīng)度函數(shù)因為模擬于TSP問題，所以目標函數(shù)就是所要走的距離最短就可以。 算法設(shè)計第一步：編碼采用符號編碼中的序號編碼方法，這是一種最自然的編碼方式。l 堆垛機對任何貨物的存取速度是一定的，不會因存取順序的不同而改變[36]。下面基于上述24個倉位進行遺傳調(diào)度算法的研究。貨架上每個貨位以(X，Y)表示，其中X為列，Y為層，堆垛機的出發(fā)點坐標為(0，0)。擾動和接受次數(shù)N需要通過實驗來確定，N越大，算法嘗試的試探點越多，求得全局最優(yōu)解的可能性越大，但計算量也隨之增大；算法終止條件，系統(tǒng)溫度降到規(guī)定的溫度或始末溫度差在某精度范圍內(nèi)兩種方式，只要滿足其一算法即終止。模擬退火算法的重要參數(shù)：退