1. 歡迎進入深圳市足球买球平台智能機器人股份有限公司網站!

          專業提供倉儲物流升級改造、無人搬運機器人產品

          一家專注AGV、激光叉車、倉儲機器人研發製造國家高新技術企業

          全國服務熱線 400-007-3860

          足球买球平台白鯊系列AGV
          足球买球平台激光雙滾筒AGV
          足球买球平台機器人小精靈
          足球买球平台複合機器人
          足球买球平台機器人小白鯊
          足球买球平台前移式激光叉車

          基於模糊 PID的AGV轉速控制系統設計


          發佈時間:2020年07月01日 內容來源:深圳市足球买球平台智能機器人股份有限公司

          自導引小車AGV在自動循跡過程中要求很高的控制精度。基於此,本文首先介紹了AGV系統的構成,其次針對AGV中直流電機的調速系統具有非線性、時變性較強、易受外界幹擾的情況,設計了轉速模糊 PID 控制器,並在 AB PLC中採用梯形圖實現模糊控制算法,運行結果表明,所設計的模糊控制器具有響應速度快、超調小等優點,能使AGV小車以最佳速度沿所設定軌跡運動。

          AGV(Automated Guided Vehicle)小車作爲目前工業自動化系統中重要的組成部分,在工廠和廠房的物流調度系統中起着重要作用[1],有着非常廣泛的應用前景。

          傳統的AGV小車控制以經典的PID控制爲主,但PID控制的精確程度取決於系統數學模型的精確程度及參數設置狀況[2]。AGV小車在工廠及廠房中的工作環境複雜,且在行駛過程中會受到各種工況的幹擾,傳統的 PID 控制有時很難達到難以效果[3]。
          基於此,分析了模糊控制機理,針對 AGV 中直流電機的調速系統,採用模糊 PID 進行控制,極大地提高了智能小車轉速控制的準確性、穩定性及反應速度。

          1 AGV系統構成

          AGV 系統裝備了磁導航、CCD 導航、激光導航等[4],使得 AGV 在行駛過程中能夠按照事先規劃的路徑運行,操作者只需根據上位機進行現場的實時調度,對於不同的現場運行情況 AGV 進行實時的現場調度,因此,大大降低了對於人力的依賴,提高了工作效率和安全係數。
          AGV系統通過貼在地面上的磁導航傳感器進行導航,實時監控AGV小車現場位置,現場調度,避免AGV之間發生碰撞。AGV的供電系統由電池提供,兩塊電池安裝在AGV的兩端(一般爲對稱安裝),磁感應傳感器安裝在 AGV 的兩端,產生一個閉環的系統來進行小車的實際位置的現場調節[5]。AGV大小有很多種分類,對於大型 AGV的調度需要考慮其安全範圍是否足夠,轉彎時是否滿足現場要求。AGV系統零件圖如圖 1 所示,其中①啓動、停止、復位、急停按鈕;②和③均爲 12 V 電池;④輪子;⑤三色燈;⑥傳送帶;⑦觸摸屏;⑧避障傳感器;⑨對射傳感器。AGV伺服安裝如圖2所示,其中,①爲前磁導航傳感器;②爲後磁導航傳感器;③爲伺服電機;④爲伺服驅動器。


          基於模糊 PID 的 AGV 轉速控制系統設計


          圖1 AGV系統零件圖



          基於模糊 PID 的 AGV 轉速控制系統設計


          圖2 AGV伺服安裝圖

          2 AGV系統模糊PID控制設計

          2.1 AGV轉速控制策略

          基於模糊PID的AGV轉速控制如圖 3 所示[6]。
          驅動控制器控制紅外傳感器工作,根據收集到的路況循跡信息得到小車的速度給定值,同時,車輪速度檢測模塊檢測小車速度,進行隔離、放大、A/D 轉換後與給定速度進行比較,若工廠的物流調度路徑有上行、下行或轉彎狀況,速度檢測模塊即會表現出上升或下降現象,將此偏差信號送給模糊 PID 控制器,控制器進行模糊規則的選擇,輸出精確的速度脈衝信號送入電力電子執行機構,驅動直流電機精確的按照實際路況循跡速度運行。


          基於模糊 PID 的 AGV 轉速控制系統設計


          圖3 AGV轉速控制框圖

          2.2 AGV轉速模糊PID控制器設計

          模糊 PID 控制器結構如圖 4所示,主要分爲兩個模塊,其一是傳統的 PID 控制器,其二是模糊控制器,模糊控制器來實現 PID 控制器參數的現場確定,使得 PID控制效果更加理想化,模糊PID控制器主要是實現PID三大參數和誤差e的變化率△e之間的關係,在運行過程中根據誤差和誤差的變化率不斷判斷、計算最終的比例、積分、微分參數[7]。


          基於模糊 PID 的 AGV 轉速控制系統設計


          圖4 模糊PID控制結構圖


          基於上述結構,AGV轉速控制模糊PID設計可分爲以下 4個步驟[8-9]。
          第一步,系統輸入輸出信號的確定。AGV小車數據採樣是通過磁導航傳感器的16位數字採樣點,以I/O輸入的模式進行,通過分析輸入信號的不同來確定AGV小車實際所處的位置[10],磁導航爲 16路 16點數字量輸出,一般正常檢查到的信號爲 5路 5點數字量輸出,理論分爲下面 20種情況:
          1000000000000000(1)
          1100000000000000(2)
          1110000000000000(3)
          1111000000000000(4)
          1111100000000000(5)
          0111110000000000(6)
          0011111000000000(7)
          0001111100000000(8)
          0000111110000000(9)
          0000011111000000(10)
          0000001111100000(11)
          0000000111110000(12)
          0000000011111000(13)
          0000000001111100(14)
          0000000000111110(15)
          0000000000011111(16)
          0000000000001111(17)
          0000000000000111(18)
          0000000000000011(19)
          0000000000000001(20)
          取直流電機角速度誤差 e 和誤差變化率 ec 爲系統輸入變量,ΔKp、ΔKi、ΔKd爲輸出變量。將誤差 e 與誤差變化率 ec的模糊基本論域取爲[-6,6]。
          通過比例、量化因子映射到論域:設磁導航傳感器的 16路輸出依次從左到右爲(1)→-6,(2)→-5,(3)(4)→-4,(5)(6)→-3,(7)→-2,(8)(9)→-1,(10)(11)→0,(12)(13)→1,(14)→2,(15)(16)→3,(17)(18)→4,(19)(20)→5
          第二步,系統輸入輸出變量模糊化。
          設計中將e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd的量化等級均設爲13級,即2個輸入變量一個輸出變量在模糊集上的論域爲:{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6}。對應的模糊語言爲{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},該集合中元素分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中、正大[11-12]。把上述集合的元素描述爲AGV 小車的加、減速狀況,則爲:NB 表示大減速、NM表示中減速、NS表示小減速、ZO 表示保持當前轉速、PS 表示小加速、PM 表示中加速、PB 表示大加速。考慮到 AGV 小車在實際運行中產生的誤差是隨機的,因此,採用三角形隸屬函數,如圖 5所示。


          基於模糊 PID 的 AGV 轉速控制系統設計


          圖5 三角形隸屬函數圖


          第三步 模糊規則庫的建立。
          模糊規則庫的建立即爲找出運行時刻P、I、D與誤差e及誤差變化率ec之間的模糊關係。通過e和ec的變化規律,應用所制定的模糊控制規則,從而調整ΔKp、ΔKi、ΔKd三個參數值,使AGV小車在運行過程中有良好的動態性及穩定性[13-14]。應用在智能小車中,對速度誤差e的控制規律尤爲重要,不合適的控制規律會使AGV的速度產生振盪,對不同車間的不同路徑沒有很好的適應性。當車體實際運行速度和期望速度偏差e大時,爲了加速系統的跟蹤速度,應取較大的Kp;但是爲了避免由於開始時偏差e的瞬間變大可能出現的微分過飽和而使控制作用超出許可範圍,應取較小的Kd,同時爲了防止系統速度響應出現較大的超調,產生積分飽和,應對積分作用加以限制,通常取Ki=0等。根據AGV的操作經驗,可得轉速控制輸出參數(ΔKp、ΔKi、ΔKd)的模糊規則庫如表 1所示[15-17]。


          基於模糊 PID 的 AGV 轉速控制系統設計


          表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊控制規律


          模糊控制器輸出量是模糊量,不能直接用來控制直流電機的轉速,在AGV實際控制時要將這些結果轉化爲精確量。考慮到重心法能較好的反映控制量的真實分佈情況,因此,在本設計中採用重心法對模糊變量進行轉化。

          3 實驗對比分析

          文中採用AB PLC作爲控制設備,用梯形圖對PID控制器和模糊控制器進行設計,爲了可以快速響應AGV小車的實際位置,採樣時間設爲100mms。電路和氣路連接完成並檢查無誤後,通電下載程序並在線監控程序運行。連接路由器,進行 AB PLC 的 IP設置。具體的調試過程如下:
          1)在主菜單畫面中 LCD 的使用鍵盤上的 Up 和Down鍵選 Advanced Set。
          2)通過點擊 LCD 鍵盤上的 OK 鍵即可出現高級設置操作界面,如圖 6 所示。該界面上有“Up”和“Down”上、下翻轉鍵用來選擇 ENET 功能,選擇好之後點擊 OK 鍵即可進入。
          3)使用“Up”和“Down”上、下翻轉鍵對 IP 地址進行設置,設置好的 IP地址點擊 OK 鍵即可。


          基於模糊 PID 的 AGV 轉速控制系統設計


          圖6 PID參數程序調試界面圖


          4)輸入密碼操作界面,在本 AGV 小車控制系統中 ,通 過 Left、Right、Up 和 Down 鍵實現Master password的設置,該密碼最大長度爲10位數字,在本操作系統中,設置 1234爲 Master password。
          5)密碼驗證界面,若輸入的密碼正確,則顯示以太網網絡類型選擇界面,點擊“Up”和“Down”上、下翻轉鍵選擇合適的網絡類型;若輸入密碼不正確,則操作界面會提示密碼有誤的錯誤信息。
          6)對網絡的IP地址以及子網掩碼等信息進行設置。調試過程完成後,圖 7 和圖 8 分別顯示了傳統PID 和本設計的模糊 PID 實現結果。可以看出,模糊PID 控制有較短的響應時間,較小的超調,能較快進入穩態,因此,能更好的跟蹤 AGV 小車速速控制。


          基於模糊 PID 的 AGV 轉速控制系統設計


          圖7 PID響應圖



          基於模糊 PID 的 AGV 轉速控制系統設計


          圖8 模糊PID響應圖

          4 結 論

          文中介紹了AGV小車的構成,在此基礎上,針對小車的轉速控制系統,設計了轉速模糊PID控制器,並在PLC設備上進行了實際驗證,與傳統PID控制相比,AGV模糊 PID 轉速控制器響應時間短,響應過程無振盪無超調,有較好的動、穩態性能。

          參考文獻:

          [1] 曾炫. 基於模糊控制的磁引導AGV系統路徑校正的應用研究[D]. 杭州:杭州電子科技大學,2015.
          [2] Mendes J,Araujo R,Matias T,et al. Automatic extraction of the fuzzy control system by a hierar⁃ chical genetic algorithm[J]. Engineering Applica⁃ tions of Artificial Intelligence,2014,29(3):70-78.
          [3] Baturone I,Moreno-Velo FJ,Śnchez-Solano S,et al. Automatic design of fuzzy controllers for carlike autonomous robots[J]. IEEE Transactions on Fuzzy Systems,2004,12(4):447-465.
          [4] 宋學賢,談宏華,潘正春,等. 基於自適應模糊PID的AGV高精度尋跡系統的研究[J]. 國內外機電一體化技術,2012(1):29-31.
          [5] 武星,樓佩煌,唐敦兵. 自動導引車路徑跟蹤和伺服控制的混合運動控制[J]. 機械工程學報,2011,47(3):43-48.
          [6] 葉金鑫. 基於模糊 PID 的智能小車控制算法研究[J]. 實驗科學與技術,2016,14(1):46-47.
          [7] 王述彥,師宇,馮忠緒. 基於模糊 PID 控制器的控制方法研究[J]. 機械科學與技術,2011,30(1):166-172.
          [8] 黃友銳,曲立國.PID 控制器參數整定與實現[M].
          [9] 湯紅誠,李著信,王正濤,等. 一種模糊PID控制系統[J]. 電機與控制學報,2005,9(2):136-138.
          [10]紀亞芳,張志剛. 基於模糊 PID 的雙容水箱液位控制系統設計[J]. 山西師範大學學報(自然科學版),2019,33(2):37-40.
          [11]李言民,苗欣,姜付傑,等. 基於模糊PID 控制器的多電機交叉耦合控制同步控制系統設計[J]. 電工技術,2005(3):118-120.
          [12]王建紅,陳耀忠,陳桂,等. 基於交叉耦合控 制的雙電機同步控制系統研究[J]. 南京理工大學學報,2017,41(6):693-697.
          [13]張小娟. 基於AT89S51單片機的除氧器溫度控制系統的設計[J]. 紡織高校基礎科學學報,2010(3): 372-376.
          [14]鞠升輝,李楊民. 非完整約束移動機器人論域自調整模糊控制研究[J]. 電子設計工程,2016,24(5):103-106.
          [15]徐鄭林,朱建波,鄭偉傑,等. 基於模糊控制的電動汽車充電器的研究[J]. 電子設計工程,2017,25(12):85-88.
          [16]王璐.一種基於模糊控制的多傳感器管理算法的研究[J].電子設計工程,2018,26(21):47-51.
          [17]蘇揚,劉文言,劉瀟,等. 基於模糊控制的盲人避障系統設計[J]. 信息網絡安全,2014(6):67-71.文章來源於AGV吧



          如果轉載,請註明本文地址:http://www.sevenshop.net/jishu_14433013.html

          上一條:智能工廠多搬運載體(堆垛機、AGV、機械手)協同作業優化       下一條:AGV智能倉儲機器人結構優化設計


          企業動態