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

傳統的AGV小車控制以經(jīng)典的PID控制爲主，但PID控制的精确程度取決于系統數學(xué)模型的精确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(guò)程中會(huì)受到各種(zhǒng)工況的幹擾，傳統的 PID 控制有時很難達到難以效果[3]。
基于此，分析了模糊控制機理，針對(duì) AGV 中直流電機的調速系統，采用模糊 PID 進(jìn)行控制，極大地提高了智能(néng)小車轉速控制的準确性、穩定性及反應速度。

1 AGV系統構成(chéng)

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(guò)程中能(néng)夠按照事(shì)先規劃的路徑運行，操作者隻需根據上位機進(jìn)行現場的實時調度，對(duì)于不同的現場運行情況 AGV 進(jìn)行實時的現場調度，因此，大大降低了對(duì)于人力的依賴，提高了工作效率和安全系數。
AGV系統通過(guò)貼在地面(miàn)上的磁導航傳感器進(jìn)行導航，實時監控AGV小車現場位置，現場調度，避免AGV之間發(fā)生碰撞。AGV的供電系統由電池提供，兩(liǎng)塊電池安裝在AGV的兩(liǎng)端（一般爲對(duì)稱安裝），磁感應傳感器安裝在 AGV 的兩(liǎng)端，産生一個閉環的系統來進(jìn)行小車的實際位置的現場調節[5]。AGV大小有很多種(zhǒng)分類，對(duì)于大型 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、複位、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(duì)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(hòu)磁導航傳感器；③爲伺服電機；④爲伺服驅動器。

圖1 AGV系統零件圖

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

基于模糊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迹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(jìn)行隔離、放大、A/D 轉換後(hòu)與給定速度進(jìn)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(huì)表現出上升或下降現象，將(jiāng)此偏差信号送給模糊 PID 控制器，控制器進(jìn)行模糊規則的選擇，輸出精确的速度脈沖信号送入電力電子執行機構，驅動直流電機精确的按照實際路況循迹速度運行。

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(liǎng)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 控制器參數的現場确定，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之間的關系，在運行過(guò)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]。

圖4 模糊PID控制結構圖

基于上述結構，AGV轉速控制模糊PID設計可分爲以下 4個步驟[8-9]。
第一步，系統輸入輸出信号的确定。AGV小車數據采樣(yàng)是通過(guò)磁導航傳感器的16位數字采樣(yàng)點，以I/O輸入的模式進(jìn)行，通過(guò)分析輸入信号的不同來确定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号爲 5路 5點數字量輸出，理論分爲下面(miàn) 20種(zhǒng)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(jiāng)誤差 e 與誤差變化率 ec的模糊基本論域取爲[-6，6]。
通過(guò)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(jiāng)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(duì)應的模糊語言爲{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，該集合中元素分别代表負大、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 小車在實際運行中産生的誤差是随機的，因此，采用三角形隸屬函數，如圖 5所示。

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之間的模糊關系。通過(guò)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(guò)程中有良好(hǎo)的動态性及穩定性[13-14]。應用在智能(néng)小車中，對(duì)速度誤差e的控制規律尤爲重要，不合适的控制規律會(huì)使AGV的速度産生振蕩，對(duì)不同車間的不同路徑沒(méi)有很好(hǎo)的适應性。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；但是爲了避免由于開(kāi)始時偏差e的瞬間變大可能(néng)出現的微分過(guò)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，産生積分飽和，應對(duì)積分作用加以限制，通常取Ki=0等。根據AGV的操作經(jīng)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]。

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(néng)直接用來控制直流電機的轉速，在AGV實際控制時要將(jiāng)這(zhè)些結果轉化爲精确量。考慮到重心法能(néng)較好(hǎo)的反映控制量的真實分布情況，因此，在本設計中采用重心法對(duì)模糊變量進(jìn)行轉化。

3 實驗對(duì)比分析

文中采用AB PLC作爲控制設備，用梯形圖對(duì)PID控制器和模糊控制器進(jìn)行設計，爲了可以快速響應AGV小車的實際位置，采樣(yàng)時間設爲100mms。電路和氣路連接完成(chéng)并檢查無誤後(hòu)，通電下載程序并在線監控程序運行。連接路由器，進(jìn)行 AB PLC 的 IP設置。具體的調試過(guò)程如下：
1）在主菜單畫面(miàn)中 LCD 的使用鍵盤上的 Up 和Down鍵選 Advanced Set。
2）通過(guò)點擊 LCD 鍵盤上的 OK 鍵即可出現高級設置操作界面(miàn)，如圖 6 所示。該界面(miàn)上有“Up”和“Down”上、下翻轉鍵用來選擇 ENET 功能(néng)，選擇好(hǎo)之後(hòu)點擊 OK 鍵即可進(jìn)入。
3）使用“Up”和“Down”上、下翻轉鍵對(duì) IP 地址進(jìn)行設置，設置好(hǎo)的 IP地址點擊 OK 鍵即可。

圖6 PID參數程序調試界面(miàn)圖

4）輸入密碼操作界面(miàn)，在本 AGV 小車控制系統中 ，通 過(guò) Left、Right、Up 和 Down 鍵實現Master password的設置，該密碼最大長(cháng)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(miàn)，若輸入的密碼正确，則顯示以太網網絡類型選擇界面(miàn)，點擊“Up”和“Down”上、下翻轉鍵選擇合适的網絡類型；若輸入密碼不正确，則操作界面(miàn)會(huì)提示密碼有誤的錯誤信息。
6）對(duì)網絡的IP地址以及子網掩碼等信息進(jìn)行設置。調試過(guò)程完成(chéng)後(hòu)，圖 7 和圖 8 分别顯示了傳統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(néng)較快進(jìn)入穩态，因此，能(néng)更好(hǎo)的跟蹤 AGV 小車速速控制。

圖7 PID響應圖

圖8 模糊PID響應圖

4 結 論

文中介紹了AGV小車的構成(chéng)，在此基礎上，針對(duì)小車的轉速控制系統，設計了轉速模糊PID控制器，并在PLC設備上進(jìn)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(guò)程無振蕩無超調，有較好(hǎo)的動、穩态性能(néng)。

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