AGV（Automated Guided Vehicle）小車(chē)作為目前工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中重要的組成部分，在工廠和廠房的物流調(diào)度系統(tǒng)中起著重要作用[1]，有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的AGV小車(chē)控制以經(jīng)典的PID控制為主，但PID控制的精確程度取決于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的精確程度及參數(shù)設(shè)置狀況[2]。AGV小車(chē)在工廠及廠房中的工作環(huán)境復(fù)雜，且在行駛過(guò)程中會(huì)受到各種工況的干擾，傳統(tǒng)的 PID 控制有時(shí)很難達(dá)到難以效果[3]。
基于此，分析了模糊控制機(jī)理，針對(duì) AGV 中直流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，采用模糊 PID 進(jìn)行控制，極大地提高了智能小車(chē)轉(zhuǎn)速控制的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及反應(yīng)速度。

1 AGV系統(tǒng)構(gòu)成

AGV 系統(tǒng)裝備了磁導(dǎo)航、CCD 導(dǎo)航、激光導(dǎo)航等[4]，使得 AGV 在行駛過(guò)程中能夠按照事先規(guī)劃的路徑運(yùn)行，操作者只需根據(jù)上位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)度，對(duì)于不同的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況 AGV 進(jìn)行實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度，因此，大大降低了對(duì)于人力的依賴(lài)，提高了工作效率和安全系數(shù)。
AGV系統(tǒng)通過(guò)貼在地面上的磁導(dǎo)航傳感器進(jìn)行導(dǎo)航，實(shí)時(shí)監(jiān)控AGV小車(chē)現(xiàn)場(chǎng)位置，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度，避免AGV之間發(fā)生碰撞。AGV的供電系統(tǒng)由電池提供，兩塊電池安裝在AGV的兩端（一般為對(duì)稱(chēng)安裝），磁感應(yīng)傳感器安裝在 AGV 的兩端，產(chǎn)生一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行小車(chē)的實(shí)際位置的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)[5]。AGV大小有很多種分類(lèi)，對(duì)于大型 AGV的調(diào)度需要考慮其安全范圍是否足夠，轉(zhuǎn)彎時(shí)是否滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求。AGV系統(tǒng)零件圖如圖 1 所示，其中①啟動(dòng)、停止、復(fù)位、急停按鈕；②和③均為 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為前磁導(dǎo)航傳感器；②為后磁導(dǎo)航傳感器；③為伺服電機(jī)；④為伺服驅(qū)動(dòng)器。

圖1 AGV系統(tǒng)零件圖

圖2 AGV伺服安裝圖

2 AGV系統(tǒng)模糊PID控制設(shè)計(jì)

2.1 AGV轉(zhuǎn)速控制策略

基于模糊PID的AGV轉(zhuǎn)速控制如圖 3 所示[6]。
驅(qū)動(dòng)控制器控制紅外傳感器工作，根據(jù)收集到的路況循跡信息得到小車(chē)的速度給定值，同時(shí)，車(chē)輪速度檢測(cè)模塊檢測(cè)小車(chē)速度，進(jìn)行隔離、放大、A/D 轉(zhuǎn)換后與給定速度進(jìn)行比較，若工廠的物流調(diào)度路徑有上行、下行或轉(zhuǎn)彎狀況，速度檢測(cè)模塊即會(huì)表現(xiàn)出上升或下降現(xiàn)象，將此偏差信號(hào)送給模糊 PID 控制器，控制器進(jìn)行模糊規(guī)則的選擇，輸出精確的速度脈沖信號(hào)送入電力電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)精確的按照實(shí)際路況循跡速度運(yùn)行。

圖3 AGV轉(zhuǎn)速控制框圖

2.2 AGV轉(zhuǎn)速模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊 PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖 4所示，主要分為兩個(gè)模塊，其一是傳統(tǒng)的 PID 控制器，其二是模糊控制器，模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn) PID 控制器參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)確定，使得 PID控制效果更加理想化，模糊PID控制器主要是實(shí)現(xiàn)PID三大參數(shù)和誤差e的變化率△e之間的關(guān)系，在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)誤差和誤差的變化率不斷判斷、計(jì)算最終的比例、積分、微分參數(shù)[7]。

圖4 模糊PID控制結(jié)構(gòu)圖

基于上述結(jié)構(gòu)，AGV轉(zhuǎn)速控制模糊PID設(shè)計(jì)可分為以下 4個(gè)步驟[8-9]。
第一步，系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)的確定。AGV小車(chē)數(shù)據(jù)采樣是通過(guò)磁導(dǎo)航傳感器的16位數(shù)字采樣點(diǎn)，以I/O輸入的模式進(jìn)行，通過(guò)分析輸入信號(hào)的不同來(lái)確定AGV小車(chē)實(shí)際所處的位置[10]，磁導(dǎo)航為 16路 16點(diǎn)數(shù)字量輸出，一般正常檢查到的信號(hào)為 5路 5點(diǎn)數(shù)字量輸出，理論分為下面 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(jī)角速度誤差 e 和誤差變化率 ec 為系統(tǒng)輸入變量，ΔKp、ΔKi、ΔKd為輸出變量。將誤差 e 與誤差變化率 ec的模糊基本論域取為[-6，6]。
通過(guò)比例、量化因子映射到論域：設(shè)磁導(dǎo)航傳感器的 16路輸出依次從左到右為（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(tǒng)輸入輸出變量模糊化。
設(shè)計(jì)中將e、ec、ΔKp、ΔKi、ΔKd的量化等級(jí)均設(shè)為13級(jí)，即2個(gè)輸入變量一個(gè)輸出變量在模糊集上的論域?yàn)椋簕-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}。對(duì)應(yīng)的模糊語(yǔ)言為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，該集合中元素分別代表負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大[11-12]。把上述集合的元素描述為AGV 小車(chē)的加、減速狀況，則為：NB 表示大減速、NM表示中減速、NS表示小減速、ZO 表示保持當(dāng)前轉(zhuǎn)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(chē)在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的誤差是隨機(jī)的，因此，采用三角形隸屬函數(shù)，如圖 5所示。

圖5 三角形隸屬函數(shù)圖

第三步 模糊規(guī)則庫(kù)的建立。
模糊規(guī)則庫(kù)的建立即為找出運(yùn)行時(shí)刻P、I、D與誤差e及誤差變化率ec之間的模糊關(guān)系。通過(guò)e和ec的變化規(guī)律，應(yīng)用所制定的模糊控制規(guī)則，從而調(diào)整ΔKp、ΔKi、ΔKd三個(gè)參數(shù)值，使AGV小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中有良好的動(dòng)態(tài)性及穩(wěn)定性[13-14]。應(yīng)用在智能小車(chē)中，對(duì)速度誤差e的控制規(guī)律尤為重要，不合適的控制規(guī)律會(huì)使AGV的速度產(chǎn)生振蕩，對(duì)不同車(chē)間的不同路徑?jīng)]有很好的適應(yīng)性。當(dāng)車(chē)體實(shí)際運(yùn)行速度和期望速度偏差e大時(shí)，為了加速系統(tǒng)的跟蹤速度，應(yīng)取較大的Kp；但是為了避免由于開(kāi)始時(shí)偏差e的瞬間變大可能出現(xiàn)的微分過(guò)飽和而使控制作用超出許可范圍，應(yīng)取較小的Kd，同時(shí)為了防止系統(tǒng)速度響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，產(chǎn)生積分飽和，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制，通常取Ki=0等。根據(jù)AGV的操作經(jīng)驗(yàn)，可得轉(zhuǎn)速控制輸出參數(shù)（ΔKp、ΔKi、ΔKd）的模糊規(guī)則庫(kù)如表 1所示[15-17]。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊控制規(guī)律

模糊控制器輸出量是模糊量，不能直接用來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在AGV實(shí)際控制時(shí)要將這些結(jié)果轉(zhuǎn)化為精確量。考慮到重心法能較好的反映控制量的真實(shí)分布情況，因此，在本設(shè)計(jì)中采用重心法對(duì)模糊變量進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

文中采用AB PLC作為控制設(shè)備，用梯形圖對(duì)PID控制器和模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，為了可以快速響應(yīng)AGV小車(chē)的實(shí)際位置，采樣時(shí)間設(shè)為100mms。電路和氣路連接完成并檢查無(wú)誤后，通電下載程序并在線監(jiān)控程序運(yùn)行。連接路由器，進(jìn)行 AB PLC 的 IP設(shè)置。具體的調(diào)試過(guò)程如下：
1）在主菜單畫(huà)面中 LCD 的使用鍵盤(pán)上的 Up 和Down鍵選 Advanced Set。
2）通過(guò)點(diǎn)擊 LCD 鍵盤(pán)上的 OK 鍵即可出現(xiàn)高級(jí)設(shè)置操作界面，如圖 6 所示。該界面上有“Up”和“Down”上、下翻轉(zhuǎn)鍵用來(lái)選擇 ENET 功能，選擇好之后點(diǎn)擊 OK 鍵即可進(jìn)入。
3）使用“Up”和“Down”上、下翻轉(zhuǎn)鍵對(duì) IP 地址進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置好的 IP地址點(diǎn)擊 OK 鍵即可。

圖6 PID參數(shù)程序調(diào)試界面圖

4）輸入密碼操作界面，在本 AGV 小車(chē)控制系統(tǒng)中 ，通 過(guò) Left、Right、Up 和 Down 鍵實(shí)現(xiàn)Master password的設(shè)置，該密碼最大長(zhǎng)度為10位數(shù)字，在本操作系統(tǒng)中，設(shè)置 1234為 Master password。
5）密碼驗(yàn)證界面，若輸入的密碼正確，則顯示以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型選擇界面，點(diǎn)擊“Up”和“Down”上、下翻轉(zhuǎn)鍵選擇合適的網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型；若輸入密碼不正確，則操作界面會(huì)提示密碼有誤的錯(cuò)誤信息。
6）對(duì)網(wǎng)絡(luò)的IP地址以及子網(wǎng)掩碼等信息進(jìn)行設(shè)置。調(diào)試過(guò)程完成后，圖 7 和圖 8 分別顯示了傳統(tǒng)PID 和本設(shè)計(jì)的模糊 PID 實(shí)現(xiàn)結(jié)果。可以看出，模糊PID 控制有較短的響應(yīng)時(shí)間，較小的超調(diào)，能較快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，因此，能更好的跟蹤 AGV 小車(chē)速速控制。

圖7 PID響應(yīng)圖

圖8 模糊PID響應(yīng)圖

4 結(jié) 論

文中介紹了AGV小車(chē)的構(gòu)成，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)小車(chē)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速模糊PID控制器，并在PLC設(shè)備上進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證，與傳統(tǒng)PID控制相比，AGV模糊 PID 轉(zhuǎn)速控制器響應(yīng)時(shí)間短，響應(yīng)過(guò)程無(wú)振蕩無(wú)超調(diào)，有較好的動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能。

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