论文总字数：19503字

摘 要

物流行业的兴起与不断发展给人们的生活带来了很大的便捷，提高了人们的生活品质。堆垛机是物流供应链中仓储环节的核心机械设备，它掌握着货物出入自动化立体仓库的工作，所以堆垛机工作的快慢就影响到单位时间内货物进出立体仓库的数量，直接影响整个仓库的工作效率，也间接影响着我们的生活质量，因此针对堆垛机展开的研究非常有实际意义。
本文首先针对自动化立体仓库、堆垛机自己应用在其身上的智能控制技术进行了简单概述，概述了堆垛机速度控制模型。因为堆垛机的速度稳定性和定位精度是影响堆垛机工作效率的关键因素，所以本文设计将模糊控制技术引入传统PID控制技术研究堆垛机的速度控制，设计了模糊PID控制器并利用MATLAB软件仿真调试，验证了模糊PID控制技术可以使堆垛机速度控制更稳定，精度更高的结论，也分析了本设计存在的不足与原因。

关键词：堆垛机；速度控制；模糊控制原理；PID；仿真

Abstract

The rise and continuous development of logistics industry has brought great convenience to people's life and improved people's quality of life. Stacker is the core mechanical equipment in the storage link of the logistics supply chain. It controls the work of goods entering and leaving the automated three-dimensional warehouse. Therefore, the speed of stacker work affects the quantity of goods entering and leaving the three-dimensional warehouse in unit time, directly affects the work efficiency of the whole warehouse, and indirectly affects our quality of life. Therefore, the research on stacker is very practical International significance.

In this paper, the intelligent control technology of automatic warehouse and stacker is introduced, and the speed control model of stacker is summarized. Because the speed stability and positioning accuracy of the stacker are the key factors that affect the working efficiency of the stacker, this paper introduces the fuzzy control technology into the traditional PID control technology to study the speed control of the stacker.This paper designs a fuzzy PID controller and uses the MATLAB software to simulate and test, and verifies that the fuzzy PID control technology can make the speed control of the stacker more stable and more accurate The conclusion also analyzes the shortcomings and reasons of this design.

Key words: stacker; speed control;Principle of fuzzy control ;PID ; simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 3

1.3研究方法与研究目的 4

1.4研究内容 4

第2章 堆垛机速度控制分析 6

2.1 堆垛机速度控制硬件结构 6

2.2 堆垛机定位调速控制系统 6

2.3 变频调速技术 7

2.4光电编码器 8

2.5 本章小结 9

第3章 模糊PID控制器设计 10

3.1 模糊逻辑与模糊控制概念 10

3.2 模糊控制器 10

3.3 模糊控制中的论域、量化因子及比例因子 11

3.4模糊控制器的隶属度函数 12

3.5 PID控制算法 12

3.7 PID参数整定 13

3.7.1 PID初始参数选择 13

3.7.2 模糊PID控制参数自整定 15

3.8 模糊PID控制及其优点 15

3.9 本章小结 17

第4章 系统模型的建立与仿真 18

4.1 MATLAB软件及Simulink工具介绍 18

4.1.1 MATLAB介绍 18

4.1.2 Simulink工具 19

4.2 模糊控制器模型的建立 19

4.2.1 模糊规则的确立 19

4.2.2 模糊控制器模型建立步骤 21

4.2.3 模糊控制器设计效果 24

4.3 模糊PID控制器模型的建立 27

4.4 仿真结果分析 28

4.4 本章小结 30

第五章 总结与展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

现在，社会在不断地发展，科技水平在不断地提高，生产方式也在不断地科技化与智能化。物流虽然作为一个新兴产业的代名词，但是早就已经应用于实际生产中的各个领域，深深地影响着我们的生活。现在的城市里高楼大厦密集排列，同样为了解决仓库用地资源短缺的问题，也为了高效率的管理存储产品，“向空间要仓库”的性理念被提出来，即自动化立体仓库^[1]，现在自动化立体仓库广泛地被应用在企业的仓储环节，经过实践，自动化立体仓库也为这些企业创造了可观的经济利益，同时也推动了社会向前发展^[2][3]。

图1.1 自动化立体仓库

自动化立体仓库由堆垛机、托盘、货架、AGV系统、输送机系统、信息管理系统和自动控制系统组成，相对来说是比较复杂的，自动化立体仓库需要这些组成部分协调配合才能完成货物的出入库任务。在现在科技化、自动化的时代背景下，企业对自动化立体仓库的运行效率和自动化程度有着越来越高的期待和要求。
堆垛机是自动化立体仓库的核心设备，堆垛机的运行性能对整个仓库的工作效率十分重要，因为堆垛机是货物出入库最直接的工作设备，所以，精确地控制堆垛机的运行速度是保证仓库运行效率的关键^[4]。堆垛机机身上主要的硬件结构有电控柜、水平运行机构、垂直提升机构、载货台伸缩货叉、安全保护设备以及传感检测设备等，软件有各类通讯软件和控制系统软件，每个组成部分都是不可或缺的，只有这些硬件和软件协同配合，发挥各自的功能才能使堆垛机顺利的搞定货物的出入库工作任务。

图1.2 单立柱巷道堆垛机

直接影响堆垛机工作效率的就是它的运行速度和定位精度，堆垛机的运行速度控制的越平稳，定位精度越高，越能节约堆垛机出入单批货物的工作时间，降低物流环节能源消耗，提高堆垛机工作效率，提高自动化立体仓库的产能，所以堆垛机的运行速度和控制精度问题如果通过研究得到不断地改善，对自动化立体仓库甚至整个物流行业都有着重要的意义，对我们的生活也会有着深远影响。

1.2 国内外研究现状

现在，物流行业发展极其迅速，自动化仓库也得到广泛地应用，因为物流深深影响着人们的生活质量，所以国内外研究学者对这一领域有着浓厚的兴趣，对此展开了深入的研究。
目前，国内在堆垛机技术上的研究有了非常大的进步，而且还在不断地研发和应用高性能的堆垛机^[5]。2015年，我国研究制造的堆垛机立柱高度为24米左右，可以承重2吨左右，升降速度最高可以达到每分钟50米，水平速度最高时可以达到每分钟200米，它的货物存取能力也很强，平均每台每小时最高可以完成200多次的货物存取。尽管如此，我国依旧在努力研发高度超40米、承重超5吨、升降速度每分钟超100米、水平速度每分钟超300米的高性能堆垛机^[6]。

在2015年，日本的大福公司研发出每小时最大出入库能力达到800单元货物的堆垛机，除此之外，大福公司在堆垛机研究方面得到创新型成果，那就是单巷道可以有双堆垛机同时工作，相比之下，由单台堆垛机单巷道工作的自动化立体仓库很明显工作效率会降低很多。这也使我们认识到，双台堆垛机单巷道如何更加协调的配合，如何更高效率的工作的研究对以后堆垛机的发展有着重要意义^[7]。据报道，国外某公司还研制出水平运行速度可达到每分钟400米，升降速度可达到每分钟150米的的MINLOAD高速堆垛机，其有2毫米的定位精度，采用双货位双排结构的货叉，平均每次存取4个货物，完成单次货物的存取只需要6秒的短时间，单台堆垛机可以存取将近两万个单元格货物，可以说性能已经很优越^[8][9]。
对于智能控制技术在堆垛机身上的研究方面，堆垛机的核心控制部分最初是分离原件、单片机等简单的元器件，现在用到的是编程控制器PLC，PLC具有编程方式简单、控制性能强大的优点^[10]。堆垛机存取货物主要通过认址装置对货物进行位置识别，堆垛机用到的位置识别技术是激光测距或者编码器，寻址定位的控制和算法是保证堆垛机在三个方向上高速高效运动的关键所在^[11]。我国研究人员在堆垛机的调速控制系统研究上有的利用模糊控制技术在工业应用领域的优势将其引入堆垛机的PID变频调速控制系统，有的擅长研究小脑模型神经网络模型，将其与PID结合，更好地控制堆垛机工作^[12]。国外研究人员利用遗传算法、神经网络算法和模拟退火算法等，通过大量的计算，在堆垛机的工作运行时的路径优化问题上做出突出成果^[13][14][15]。国内研究人员在堆垛机研究上除了速度稳

定、控制精度方面的问题，还存在模型需要简单化、调节时间需要缩短、运行速度有待提高的问题。国外学者虽然在路径优化方面有突出成果，但是算法求解比较理想化，没有较多的与实际情况相结合，实际应用中若用户同步需求比较多时也很难实现同时优化。
总体上来看，国内外学者在堆垛机高度、承重、水平和升降速度以及存取货数量上等宏观研究方面取得很大的成就，但是在堆垛机稳定性控制、路径优化算法方面还存在不少问题，除此之外，我国堆垛机还存在高速运行时噪音很大、最低存取货物高度比较高等问题，所以我国堆垛机问题研究还存在很大的空间，但是相信随着科技不断进步与研究学者的不断努力，问题也会不断得到解决，我国堆垛机技术将朝着高速、稳定性好、精度高、噪音小、安全性更高的方向发展^[16]。

1.3研究方法与研究目的

通过检索查询国内外与堆垛机相关的国内外文献、科研资料，结合以前堆垛机研究学者的设计经验，充分了解堆垛机的运行特性和在实际应用中的运行要求。通过与老师的交流和对堆垛机的实地观察，我了解到堆垛机运行过程中，其在起始位置和终止位置具有很大的不确定性，这会极大的影响到堆垛机的速度稳定性和定位精度，影响到堆垛机的存取货效率，进而影响到整个自动化立体仓库的工作效率。为了进一步改善堆垛机的控制性能，通过查阅应用在堆垛机上的智能控制技术的书籍资源，发现传统PID控制过于依赖参数的调节，设计控制系统时需要准确的模型，而模糊控制技术基于其优点可以改善此问题，所以本设计基于模糊控制原理与PID控制相结合的方法针对堆垛机速度控制展开相关研究。通过学习了解模糊PID控制器的设计原理和方法，进行模糊PID控制器的研究设计，通过学习MATLAB软件，利用其强大的数学功能建立堆垛机的速度控制模型并仿真，根据仿真结果得出仿真结论。本文旨在加深学习与研究智能控制技术在堆垛机上的应用，希望智能控制技术可以更加精确控制堆垛机运行速度，不断提高自动化立体仓库的运作效率。

1.4研究内容

本文在第二章先研究堆垛机的速度控制系统，分析堆垛机的闭环控制系统以及在堆垛机控制系统中变频控制技术和编码器的作用等。然后在第三章中针对控制系统的稳定性差、定位精度低的问题设计模糊PID控制器，主要分析参数对系

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