基于固高FMS的控制系统设计.doc

分类号 密级 udc注1 学 位 论 文基于固高fms的控制系统设计（题名和副题名）指导教师姓名 申请学位级别 硕士 专业名称 控制理论与控制工程 论文提交日期 2010.05 论文答辩日期 2010.06 学位授予单位和日期 答辩委员会主席 评阅人 2010 年 5月24日注1：注明国际十进分类法udc的类号。声 明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名： 年 月 日 学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名： 年 月 日 硕士论文 基于固高fms的控制系统设计摘 要柔性制造系统（fms）是一套以计算机控制为核心的、可以完成生产、加工和储存等工作的自动化系统。随着科学技术的发展，fms被广泛地应用于制造业当中。为了让学生能够接触工业现场的设备，认识工业现场设备的组织形式和控制形式，实验室购置了一套固高公司的fms系统，本文主要基于该设备的硬件系统，对部分控制模块和系统管理软件进行研究和改进。本文主要工作包括以下几个方面： 作业调度方面：设计开发了立体仓库管理系统中的复杂作业功能，包括一键入/出库作业，拣选作业功能，可以一次完成多个连续的仓储任务，提高了仓储效率。 算法方面：对于系统新增的拣选作业，将其抽象为典型的tsp问题，并利用三种现代优化调度算法对该问题进行仿真研究，结果表明蚁群算法调度效果最好。运用蚁群算法得到拣选作业单，节省了系统拣选作业的时间。 系统控制方面：基于matlab软件平台，对堆垛机速度控制系统进行了仿真研究，分析了pid调节器各参数对速度性能的影响，得到了理论上的较好参数。 监控管理方面：设计了系统数据库，实现了报表的查询打印功能，并对系统的监控界面进行改进设计。关键词：fms，自动化立体仓库，蚁群算法，堆垛机控制系统67abstractflexible manufacturing systems(fms) is the automation system cored on computer control, which can be employed to accomplish multiple tasks such as production, processing, storage of the products and so on. with the development of science and technology, fms is widely applied in manufacture. in order to make students facile understand and then comprehend the organization and control modus of real industrial equipment, a set of fms system from gugao company has been introduced here to show how it works. based on the hardware of the system, this thesis focuses on the research on analyzing and substantially improving the storage of current input estimation algorithm. the main contents of the thesis are as follows:(1) job scheduling: the complex job scheduling function of management system was designed, which includes some automation task and the picking function. it can also complete the multiple tasks at the same time and greatly improve the efficiency of the system.(2) algorithm of the system: the new selecting function is abstracted as a typical tsp problem. three modern scheduling algorithms are used in the simulation research of this problem. the results show that the simulation research of ant colony algorithm scheduling is the best. by using ant colony algorithm method, the list of the chosen homework assignments is obtained and the time is also saved in the picking (selecting process) of the system.(3) control system: based on software platform of matlab, the simulation analysis for stacker speed control system as been carried out. meanwhile, the study of pid adjustor parameters on the performance of speed has been performed and the theoretical optimization has been achieved.(4) monitoring and management system: the database of the system has been designed, the inquiry and print function of reports is achieved, and the monitor system interface is improved.keywords: fms, automated multi-layered storehouse, the ant colony algorithm, stacker control system目 录摘 要iabstractiii1 绪论11.1 柔性制造系统概述11.2 柔性制造系统国内外发展现状21.3 柔性制造系统的基本组成31.4 本文研究内容及组织结构32 固高fms介绍及系统改进方向52.1 系统硬件介绍62.1.1 自动化立体仓库62.1.2 堆垛机62.1.3 微型输送线72.1.4 agv输送系统82.1.5 上下料机械臂82.1.6 雕刻机82.2 系统功能92.2.1 入库操作92.2.2 出库操作102.2.3 移库操作102.2.4 调库功能102.2.5 雕刻功能102.2.6 agv取货功能112.3 系统改进方向112.4 小结123 立体仓库调度算法的研究133.1 自动化立体仓库简介133.2 几种常用的现代调度算法153.2.1 调度策略153.2.2 几种现代调度算法介绍153.3 现代调度算法的仿真实现183.3.1 基于遗传算法的分析183.3.1.1 算法设计193.1.1.2 仿真结果分析213.3.2 基于蚁群算法的分析223.3.2.1 算法分析223.3.2.2 仿真结果分析243.3.3 基于模拟退火算法的分析263.3.3.1 算法分析263.3.3.2 仿真结果263.3.3.3 仿真结果273.4 算法比较273.5 小结274 柔性制造系统主要功能模块的设计294.1 立体仓库的多任务功能设计294.1.1 单任务作业介绍294.1.1.1 单任务入库管理系统294.1.1.2 单任务出库管理系统314.1.2 复杂作业功能的设计324.1.2.1 一键入库功能的设计324.1.2.2 一键出库功能的设计334.1.2.3 拣选入/出库操作功能的设计344.2 堆垛机控制系统的研究374.2.1 堆垛机控制系统的结构374.2.2 堆垛机的控制394.2.2.1 堆垛机的定位方式394.2.2.2 堆垛机的速度控制404.2.2.3 系统速度控制器的设计404.2.3 堆垛机速度控制的仿真研究414.2.4 堆垛机速度控制的实现434.3 系统数据库及报表打印功能设计464.3.1 系统数据库的构建464.3.2 查询打印功能的设计484.4 小结495 系统的综合运行515.1 多任务作业的实现515.1.1 一键入库作业535.1.2 一键出库作业545.1.3 拣选作业555.2 数据管理和查询功能565.3 小结576 总结与展望596.1 总结596.2 展望59致 谢61参考文献631 绪论1.1 柔性制造系统概述柔性制造系统（flexible manufacturing system，简称fms），由物料自动储运系统和计算机信息控制系统组合成的整体。它能够适应加工对象不断变换的机械制造自动化系统，因为它由统一的一组数字控制加工设备、信息控制系统和物料储运系统组成1。柔性制造系统具有部分生产管理和加工制造的功能，能够进行机械加工、装配和质量检验、毛坯制造等，可以有效地提高企业的生产和管理效益。80年代中期使用的fms，基本上只是用于切削加工，少部分应用于冲压和焊接，而现在的fms已经成为了在批量切削加工中以先进的自动化和高水平的柔性为目标的制造系统。柔性制造系统能够高效、高质量地进行多种零件的加工，一般可以从以下三个方面对它进行描述1：l 是一个计算机控制的生产系统；l 系统采用半独立的nc(numerical control)机床；l 这些机床通过物料输送系统联成一体。柔性制造是在计算机支持下，能适应加工对象变化的制造系统。柔性制造系统有以下三种类型2：l 柔性制造单元柔性制造单元（flexible manufacture cell，简称fmc）是由一台或数台数控机床构成的加工中心构成的加工单元。该单元可以通过自动换刀具来加工不同的产品。柔性制造单元的设备具有较大的柔性，不过加工和人员柔性低。可以很好地加工形状复杂但工序简单，小批量，工时较长的零件。l 柔性制造系统柔性制造系统是以加工中心或数控机床为基础，另外配备合适的传送物料装置而组成的生产系统。柔性制造系统适合加工工序多，形状复杂，大批量的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性较低。该系统能在不停机的状况下，通过计算机自动地控制不同品种产品的加工。l 柔性自动生产线柔性自动生产线是联接多台专用机床，再配备合适的自动运送装置而组成的自动生产线。它可以加工较大批量规格不同的零件。柔性自动生产线在柔性程度高的时候可以接近于批量小、品种多生产用的柔性制造系统，柔性程度低的时候，它在性能上接近大批量生产用的自动生产线。1.2 柔性制造系统国内外发展现状自1954年第一台数字控制铣床在美国麻省理工学院诞生以来，机械加工行业从单台数控机床的应用逐渐发展为具有加工中心、柔性制造单元的柔性制造系统和计算机集成的制造系统，实践表明自动化系统得到了迅速发展3。1967年，英国莫林斯公司首次根据威廉森提出的fms基本概念，研制了“系统24”。其主要设备是六台模块化结构的多任务序数控机床，目的是在无人看管的条件下，实现昼夜24小时连续加工，但最终由于经济和技术上的困难而未全部建成。同年，美国的怀特森斯特兰公司建成omniline i系统，它由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于在少品种、大批量的生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动线。日本，前苏联和德国等也都在60年代末至70年代初，先后开展了fms的研制工作。1976年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元，为发展fms提供了重要的依据。柔性制造单元一般由12台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。70年代末期，fms在技术上和数量上都有较大发展，80年代初期的fms进入实用阶段，其中由35台设备组成的fms最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。1982年，日本发那科公司建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，它们都能连续24小时运转。这种自动化和无人化车间，是向实现计算机集成的自动化工厂迈出的重要一步。与此同时，还出现了若干仅具有fms基本特征，但自动化程度不很完善的经济型fms，使fms的设计思想和技术成就得到普及应用。fms系统在我国的发展比较晚，据统计，我国在1984年开始研制fms，比国外晚了整整17年。国家机电部“七五”重点科技项目的支持和国家863高技术发展计划在自动化领域的发展使得fms得到极大的重视和发展。从此我国对于fms的研究，进入了自主开发与少部分进口相结合的阶段。1988年北京机床研究所完全自行开发的为天津减速机厂配套提供的加工减速机座jcs-fms-2fms fms，也是我国从此开始具有自主开发fms系统的实力的象征。因此21世纪初在我国fms开始全面流行4。今天，真正成规模的fms并不多，但fms的构想已经得到了大家的肯定。因为在保证质量的前提下，原来一些采用大批量自动化生产线的金属制品企业已经开始提高了利润和生产率，这也是fms的优点。fms兼顾了生产率和灵活性，因此它具有生命力，从而得到了广泛的使用。1.3 柔性制造系统的基本组成就机械制造业的柔性制造系统而言，其基本组成部分有：软件系统：软件系统是必不可少的组成部分，它可以保证计算机有效地控制柔性制造系统。主要包括系统规划、系统监督、设计和生产控制等部分。信息系统：信息系统是指通过电子计算机或其它控制装置如液压、气压装置等，收集、处理、反馈加工和运输过程中所需各种信息，实现分级控制运输设备或机床的系统。物流系统：物流系统是柔性制造系统的主要组成部分，它由多种运输装置如传送带、轨道-转盘以及机械手等构成，可以实现对工件、刀具等的供给与传送。自动加工系统：自动加工系统是把材料相同，重量、外形、工艺、尺寸大致相似的零件集中在一起，利用成组技术（gt-group technology，揭示和利用事物间的相似性，按照一定的准则分类成组，同组事物能够采用同一方法进行处理，以便提高效益的技术），用一台或数台数控机床或专用机床等进行设备加工的系统5。fms是一类复杂的实时系统，也是一个多层次、多结构的集成化复杂系统。因此，研究fms的系统结构也是企业研究的一个重点。柔性制造系统的信息网络模型可以分为五层1：l 计划层：包括产品设计、工艺设计、库存管理和生产计划等，属于工厂一级；l 管理层：包括作业计划、在制品及毛坯管理、工具管理和工艺系统分析等，这是属于车间和系统的管理级；l 单元层：包括分布式数控、运输系统和加工系统的协调，数据采集和工况等，这是系统控制级；l 设备控制层：指设备的控制级，主要包括各机器人控制、机床数控、仓储控制和运输等；l 动作执行层：通过伺服系统的控制命令来控制机械运动，或者是通过传感器采集到的信号来控制数据等。fms中有基本数据、控制数据和状态数据这三种不同类型的数据。在系统运行的过程中，这些数据相互联系，包括数据联系、决策联系和组织联系等。因此，fms是在计算机的管理下，通过这三种联系，将制造过程的信息流构成一个有反馈的回路，最终实现自动控制的过程。1.4 本文研究内容及组织结构先进的fms系统可以加速资金周转，自动化管理物流，降低劳动强度。因此，它的发展已经成为了一个企业现代化的重要标志。一个好的fms控制系统需要综合多种先进的计算机技术，包括专家系统、智能传感器技术、模糊控制技术、神经网络技术等，才能更好的发挥fms的优势。为了解决传统实验设备无法满足社会对毕业生的要求这一问题，南京理工大学自动化学院购买了一套固高公司的fms系统用于教学研究。本文主要基于原设备硬件系统，对部分控制模块和系统管理软件进行研究和改进设计，具体包括堆垛机控制系统、立体仓库调度算法、作业管理系统等。最后将设计成果应用于系统，完成了fms的综合调试。本文共分为六章，结构安排如下：第一章 绪论。对柔性制造系统的基本概念、发展现状和研究意义进行了全面综述，介绍了本文的研究内容和组织结构。第二章 固高fms介绍及系统改进方向。详细介绍了固高fms的整体结构和各功能组件的技术参数；描述了系统的所有功能；针对原系统存在的不足，提出了系统改进的方向。第三章 立体仓库调度算法的研究。对常用的调度策略和三种现代优化调度算法：遗传算法、蚁群算法和模拟退火算法进行了重点介绍。基于tsp（traveling salesman problem）模型，利用matlab软件实现了上述三种调度算法仿真。分析仿真结果，得到了适于本系统的最优调度算法。第四章 fms主要功能模块的设计。设计添加了复合作业功能，并应用蚁群算法得到拣选作业的任务单。针对原系统对数据处理过于简单的问题，设计了access数据库，增加了查询打印报表功能。改进了堆垛机控制系统，实现了对堆垛机的快速定位和更好的速度控制。第五章 fms的综合运行。将设计的控制模块、系统管理软件模块、调度算法模块应用于固高fms，并进行系统的综合运行，得到了满意的控制效果。第六章 总结与展望。对本文工作进行总结，提出了进一步研究的方向。2 固高fms介绍及系统改进方向目前，传统的实验设备已经无法满足社会对毕业生在知识的广度和深度方面的要求。为了让学生能够接触工业现场的真实设备，认识设备的组织形式和控制形式，掌握制造工业的先进运动控制技术和数控技术等重要知识，我校自动化学院购进了一套深圳固高科技有限公司研制的fms设备。该系统集光、机、电、气以及计算机信息技术为一体，具可开发性。本课题是基于该综合平台，对物流、控制、总线等相关技术进行研究，进一步开发系统平台的功能，改善系统的控制性能和调度策略。图2.1为固高fms平面布局示意图，系统硬件结构如图2.2所示。图2.1 fms系统平面布局示意图图2.2 系统硬件结构图2.1 系统硬件介绍2.1.1 自动化立体仓库自动化立体仓库由机械、电气、控制和管理系统等组成，它涵盖了运动控制技术、plc控制技术、检测技术、数据库技术和网络技术等现代物流技术，是实现制造自动化和物流自动化系统的必备子系统。该立体仓库由4层6列立体货架，1台巷道有轨堆垛机以及一套出入库输送设备组成。自动化立体仓库仓位编码规定：从左到右，从下到上。相关参数如表2.1所示。表2.1 自动化立体仓库的相关参数名 称规 格仓库尺寸180mm120mm120mm仓库数量4层6格24个输入电压ac220v50hz最大速度30m/min单位载重2kg控制方式运动控制器+交流伺服电机运行模式可独立运行或远程监控自动化立体仓库的主驱动采用运动控制器+交流伺服电机方式，具有噪音低、速度快、定位精度高等特点。专用的运动控制器的核心是高性能的dsp和fpga技术，核心的控制部件为固高公司研制的精密嵌入式四轴运动控制器。立体仓库控制结构如图2.3所示。图2.3 立体仓库控制结构图2.1.2 堆垛机堆垛机是自动化立体仓库的核心部分，堆垛机必须具有严格的技术要求，这样自动化立体仓库的优越性才能够通过其表现出来。堆垛机具有三大机构：运行机构、起升机构、货叉伸缩机构。堆垛机的高精度定位、速度控制采用先进的变频技术和双闭环控制系统。运行起升机构采用旋转编码器和光电定位伸叉。系统中提供：安全保护、程序双层保护和电器闭锁的安全功能；上位机下达的指令通过plc控制系统来进而控制堆垛机的运行，并完成存取货物的任务；堆垛机有手动、自动操作方式；还可实现故障报警及故障处理。堆垛机的特性：l 安全性：硬件限位、软件限位和碰撞缓冲挡块三层保护保证了设备的安全运行。l 先进性：“运动控制器+交流伺服电机”的方式是主驱动所采用的，它保证了堆垛机具有定位精度高、速度快、噪音低的特点。堆垛机内置的运动控制器可实现运动控制轴的多轴协调控制，远远优于“plc+变频器控制”的方式。l 可扩展性：堆垛机采用x、y、z三自由度模式。x方向采用齿轮齿条传动形式，配以行星齿轮减速器，使用750w交流伺服电机驱动。y方向采用链条链轮传动形式，配以蜗轮蜗杆减速机，使用一个750w交流伺服电机驱动。z方向采用三级货叉伸出形式，货叉可以上升或下降，来实现双向取出或放置货物。2.1.3 微型输送线该输送线是由表面氧化铝型材和进口的防滑皮带设计制造，线体可以按要求组合成各种输送路径，如单线往返或u型线。输送线的控制方式为“plc+电机减速控制”。其核心控制系统是西门子s7-200 plc和profibus-dp em277通讯模块相结合，组态后可以和profibus master实现通讯，输送线控制结构如图2.4所示。系统通过plc处理流水线各个光电开关的采集信号，以及对流水线和机器人运行逻辑控制，可以按要求添加按位或者检测行程开关等。图2.4 混合式流水线控制系统的结构输送线主要包括皮带式输送线、倍速链输送线和90度转角机。皮带输送线主要以普通布带、胶布带、尼龙平胶带、pvc(防静电)输送带和防静电尼龙基网带为输送介质媒体，一般用于电子产品或其它小型产品的装配、调试、送料等生产工艺需求。皮带输送线利用马达驱动，可采用电磁调速或变频调速方式进行线体速度在设计调速范围内的连续任意调节。本系统中的皮带在线安装了3个欧姆龙光电感应开关，当托盘经过这些开关的时候，光电感应开关可以检测到信号，并反馈给系统，然后根据中央控制计算机设定的虚拟工位停留的时间控制皮带线停下。90度转角机的作用是在生产流水线之间中转托盘，采用转角气缸和单相ac220v交流电机驱动。2.1.4 agv输送系统自动导引车辆(automated guided vehicle，简称agv)是一种无人操纵的自动化运输设备，它能承载一定的重量在出发地和目的地之间进行自主驾驶、自动运行，是自动化物流运输系统、柔性生产组织系统的核心装置6。系统中的agv是沿着铺设好的磁导线行走的，在行走过程中通过车底部的传感器来感知路线，小车也可以部分替代输送线来进行输送任务。agv具有三色声光报警功能，它在运行中遇到障碍物时将自动停车，当障碍物消失时，能自动恢复运转。agv控制系统选用一台以arm7内核芯片磁导引agv小车。2.1.5 上下料机械臂该系统的机械手臂为两自由度的机械手臂，可以实现在输送线进行出库入库操作时对特定产品的抓取操作。2.1.6 雕刻机雕刻机是集雕、刻、铣、削为一体的多功能机床，既可作为通用雕刻设备，采用cad/cam技术进行雕刻加工和雕刻工艺实验等教学研究工作。也可作为开放式数控设备平台使用。用户可利用运动控制器提供的底层运动函数库进行电机运动规划、控制及运动控制系统设计方面的教学实践，可利用cnc（computer numerical control：计算机数字控制机床）系统平台进行开放式数控系统的开发和数控技术的研究和教学。雕刻机通过计算机来进行控制，其硬件包括以下部分：l 雕刻机主机，雕刻机是该系统的重要部分，雕刻机上面安装的刀具可以对产品完成图形雕刻的功能。机床主要规格：最大车削直径=220mm，标准切削直径=150mm，横向最大行程(x轴)：20110mm，纵向最大行程(z轴)：480mm，前后顶尖间最大距离：600mm，快速进给z：15m/min，x：12m/min，主轴转速6060000r/min，主轴电机功率：7.46kw。l 自动控制柜，可以完成对雕刻机的驱动功能，它内部的plc可以完成将控制流信号转化为电信号。该电信号可以驱动雕刻机内置的三轴步进电机以及控制刀具高速运转的主轴电机。l 控制pc，这个是雕刻机所有指令的下达中心，它包含控制雕刻机的软件以及雕刻的图形和文字等等，负责对雕刻机进行控制。l 辅助工具，有夹具以及清洁刷等。雕刻机加工过程如图2.5所示。图2.5 雕刻机加工过程2.2 系统功能系统的功能主要有仓储作业、加工和控制功能。原系统的控制界面如图2.6所示，从图中可以看出系统能够实现的功能，下面作详细介绍。图2.6 系统仓储任务界面2.2.1 入库操作入库的顺序是：由中央控制台发出入库指令，物品被送至传送带，传送带上的光电传感器采集信号，该信号传送至控制终端。控制终端通过总线把信号传递给主控plc控制电机运动，最终控制传送带的运行7。物品被送至入货台，光电传感器采集信号发出指令控制电机，货物运至入货台，漫反射传感器接受到的指令使得皮带停止并驱动堆垛机，堆垛机收到指令，至入库台取货物。堆垛机行至入库台，伸出货叉，将托盘托起后收回。取到货物之后，堆垛机上面的传感器便可以检测到信号，然后堆垛机开始运行，运行至指定货位后，伸出货叉，将货物放到指定货位后，收回货叉，从而完成指定入库操作。2.2.2 出库操作出库操作和入库操作的顺序是相反的。首先堆垛机收到指令后，到目的仓位取货，伸出货叉，将货物取出后收回货叉。取货后堆垛机上的传感器便可检测到信号，然后堆垛机开始运行，运行至出库台后，将货物放到出库台后，收回货叉并收回。然后传感器接收到信号，发出信号使得电动机带动皮带转动，将货物运出。最后同样的光电传感器，采集信号来发出指令控制电机使得皮带停止。2.2.3 移库操作移库模块功能可以实现在库存中将一个货位的物品运送到另外一个空货位上。移库操作适用于以下几种情况：当对存货区域进行整理时，由于空货位太多，将货物集中放置；对货物进行分类整理时，对货物进行生产日期筛选，生产日期早的货物靠近出库台放置，以防物品过期，这个在现实生活中经常遇到。用户可以根据自己的需要，对需要进行移库的货物进行选址。移库操作基本都是发生在一个巷道内。本文研究平台中的立体仓库是i型仓库，可以满足不同用户对移库操作的要求。2.2.4 调库功能调库模块可以实现仓库中两个不同货位上物品的位置转换。功能与移库类似，可以满足不同用户对不同类型货物的出库要求。这样做有利于管理，可增加仓库的库存能力，避免物品因过期而浪费。调库的程序设计与移库相似，区别就是调库是把两个货位上的物品进行交换。运行的时候需要借助于另外一个空货位，先把一个货位a的物品搬运到空货位b上面，然后再将另外一个货位c上的货物移至a上面。再将货位b上面的物品搬运到货位c上面。2.2.5 雕刻功能雕刻模块的功能是控制雕刻机的雕刻，在模块上面可以雕刻成用户所需要的产品。该加工设备选用的是固高公司的数控机床和传统的机械雕刻系统。它采用传统的切削式加工方法进行雕刻。2.2.6 agv取货功能agv小车也称自动导向小车（automated guide vehicle）是一种由计算机控制并完成运输任务的工具。主要由车架、蓄电池（充电装置）、电气系统、驱动装置、转向装置、自动认址和精确停位系统、自动导向系统和无线通讯系统等组成。本系统的agv小车内部安装驱动程序，便可启动。它由plc上传来的信号来控制启停。当次品出库后，小车到出库线的机械手臂处，由机械手臂将托盘吸住，放置到小车上面。然后小车接受到plc发来的信号沿铺设好的路线行至仓库后货物。agv小车底部安装了两台电机，由电机的转速来控制小车的前进和转弯。2.3 系统改进方向高效率的控制系统可以提高生产效率和仓储的自动化水平，控制系统就相当于fms的大脑，其性能的好坏决定了fms系统的优劣。固高fms系统集光、机、电、气以及计算机信息技术为一体，在功能和结构方面都具有模块化设计思想和可开发性。本课题基于该综合平台，对堆垛机嵌入式控制、现代优化调度算法等相关技术作进一步的研究和开发。下面概括地列出原系统有待改进的方面，并提出改进的思路和方法。l 仓储作业：系统可以完成基本的单任务作业，如单任务入/出库、移库和调库等功能，单任务作业一次只能完成一个仓储任务，效率较低，消耗时间较多。对该设备的控制系统进行改进，添加复合作业任务，加入一键入/出库作业和拣选作业。复杂作业可以一次完成多个连续的仓储任务，节省时间，仓储效率得到提高。对于拣选作业任务，可以把它抽象为tsp模型，tsp问题是如何在最短走过所有的城市。应用遗传算法、蚁群算法和模拟退火算法等现代优化调度算法，编程实现，将程序生成的最优路径储存为任务单。堆垛机系统可以根据此任务单完成拣选作业。l 堆垛机控制系统：该系统是控制系统的核心。因为堆垛机是控制系统的执行机构，所有的仓储作业最终都是通过堆垛机来完成，所以对堆垛机系统的改进，可以提高系统的效率。堆垛机控制系统主要实现堆垛机的精确定位和速度控制。本文研究了堆垛机的高精度定位，对堆垛机控制系统进行了分析，建立速度控制模型，利用matlab进行仿真实验。实验仿真了不同的pid参数下的电流和速度图形。比较参数不同时的仿真图，可以得出对运动控制器可设置的一组最优pid参数，对实际操作时有效的控制堆垛机的速度具有实际指导意义。l 仓库信息管理系统：在原系统中，无法实现查询打印报表的功能，只能够实现入/出库操作过程中简单的资料统计。合理的仓库信息管理系统应该包括入库信息管理系统，出库信息管理系统，库存信息管理系统和信息报表模块。本文对上述管理功能模块进行了分析和设计。2.4 小结本章介绍了固高fms系统的硬件结构，包括自动化立体仓库、堆垛机、输送线等。对系统各模块的功能，包括出、入库，雕刻等进行了详细的说明，针对原系统的一些不足以及可进一步开发的功能，提出了后续课题研究的重点。3 立体仓库调度算法的研究tsp问题8是指一个商人欲到n个城市推销商品，每两个城市i和j之间的距离为，如何选一条路径使商人走遍所有城市后回至起点且所走路径最短。tsp可分为非对称距离和对称距离两大类问题。当=时称为对称tsp。反之，则称为非对称距离tsp。旅行商问题是典型的非多项式时间可解难题(np-hard problem)，许多领域的优化问题都可归结为旅行商问题。tsp问题就是寻找一条最短的遍历n个城市的路径，也就是搜索整数子集，其中x表示对城市的编号。使 (3.1)取得最小值即可。其中表示的是城市到之间的距离，表示城市到之间的距离。本章就是基于tsp模型寻找最优调度算法，使路径最短。实践表明，拣选作业可提高自动化立体仓库的工作效率。拣选作业，是指堆垛机接到指令后，根据生成的任务单来执行任务，对于任务单上的所有的货位，堆垛机要全部走一遍，且每个货位不重复遍历。类似于一个典型的tsp问题，立体仓库中需进行拣选作业的货位可看作旅行商所要到达的城市。堆垛机从起点出发，根据取货路径到需拣选作业的仓位执行作业，完成任务后回终点。堆垛机对每个仓位都依次走一遍，那么如何走才是最短的路径，tsp问题就是要研究的内容。3.1 自动化立体仓库简介自动化立体仓库(as/rs系统)又称高层货架或立库9，它是在电子计算机控制管理下，通过堆垛运输车进行存储保管，对货物进行分类、包装、分拣、配送、存盘等功能操作的。在飞速发展的科技信息时代，自动化立体仓库能够满足现代化生产要求以及物资的交流和仓储的需要，是物流技术的一个很有意义的创新与改革。根据不同的标准，自动化立体仓库有多种分类方式10：按货物存取形式，可以分为单元货架式、移动货架式和拣选货架式；按建筑形式11，可以分为整体式和分离式；按货架构造形式可分为单元货位式、贯通式、水平循环式和垂直旋转式仓库；按作用，可以分为生产性仓库和流通性仓库。自动化立体仓库系统是由机械和电气、强电控制和弱电控制相结合的产品。其组成如下：l 货架。一般由钢铁结构构成储存商品的单元格，单元格内存放托盘货物。货架一般有固定货架和旋转货架两种，其中旋转货架还配有升降台。l 堆垛机。堆垛机又称为搬运车，其形式多种多样。一般两排高层货架之间一般留有11.5m宽的巷道，来充当堆垛机的轨道，堆垛机在巷道内作来回运动，其运行方式有直线运动和回转运动，合起来可以有四个自由度，也有多达六个自由度12,13。l 出库台和入库台。货物在入库前先在入库台等待巷道堆垛机的取货入货；货物在出库时先被巷道堆垛机从货架上取出，通过输送系统运送到出库站台上等待运出。因此出、入库站台是临时储存物料，以便交接或转载的装置。l 输送系统。主要包括传送带输送机、机动辊道和链传动输送机。可以根据具体的需要来选取合适的输送线路。l 货物自动分拣系统。完成货物入库前的分类、集中。l 控制系统。本系统采用计算机控制和管理，不同的控制方式可以控制不同的自动化立体仓库。管理计算机承担着重要的仓储管理、在线控制和离线控制等功能。当然也可以实现远程控制。管理系统可以分为单台plc控制、各单台机械联网控制、集中控制、分离式控制和分布式控制等。自动化立体仓库的发展主要经历了五个大的阶段14：第一代机械式立体仓库系统(mechanical high-rise warehouse system)；第二代自动化仓库系统；第三代集成化立体仓库系统；第四代智能型立体仓库系统；第五代“3i”(intelligent，integrated，information)。我国自70年代开始进行立体仓库的研究工作，80年代在全国建立了50多座立体仓库。我国第一座自动化立体仓库是于1974年在郑州纺织机械厂建成的。自动化物流系统在90年代后进入了迅猛发展的时期，并且伴随着多家企业、科研院校以及高等院校的开发研究，自动化立体仓库也得到了很快的发展。1992年清华大学建成了我国第一个cims环境下的实验工程物流系统，中科院沈阳自动化研究所开发研制了电磁导引自动车15。但是由于当时是以单机为主，因此水平还不高。目前，自动化仓库已经进入了智能储运技术阶段16。山东大学的田国会教授提出的多起点-最近点搜索算法17和结合hopfield网络18模型的遗传算法应用在自动化立体仓库的拣选路径问题方面，优化了拣选路径。大连理工大学的李梅娟的改进蚁群算法应用在含多个约束条件的拣选作业路径规划问题，提高了自动化立体仓库的作业效率19。我国自动化仓库现在正处于不断的发展和完善阶段。美国的charles j malmbrog对货物的存取队列的排序提出了基于泊松分布原理的方法20。提高了货物的存取效率。美国的russell d.meller等人将m=max(x,y)的概率密度问题应用到多货叉堆垛机的货物存取优化策略方面，以达到减少货物的存取时间最短21。3.2 几种常用的现代调度算法3.2.1 调度策略调度策略是如何安排合理的出入库任务的顺序，来减少出入库作业的时间，提高货物的出入库效率。在自动化立体仓库的仓储作业中，调度策略是指：根据自动化立体仓库的堆垛机分配策略所规定的堆垛机分配策略。l 先来先服务策略先来先服务fifo(first in first out)策略是物流作业中一种最基本的策略。它是指先到的作业优先进入任务队列，执行系统按照任务来的先后来执行。在利用先来先服务策略的时候，堆垛机总是先执行任务队列里面最靠前的任务。该策略的缺点是没有优先级，当任务紧急的时候无法取得调度的优先级别，因此不利于长作业运行22。l 短任务优先调度策略短任务优先调度策略就是对作业时间短的任务，优先进入任务队列，因此，堆垛机总是被任务队列中的最短任务所占用。该策略的缺点是对长作业任务不利，在短任务总是优先的情况下，长任务总是被放置到最后，而不考虑它进入任务队列的时间23。l 高优先权优先调度策略最短空闲时间优先策略就是一种比较常用的高优先权优先调度策略。最短空闲时间优先策略(lsf)24，是指任务的空闲时间最短的作业优先进入任务队列。任务的空闲时间=任务相对截止时间(出库任务所需执行时间估算出库任务预计完成时刻的安全系数)。在确定优先权的时候有两种方法：静态优先权和动态优先权。静态优先权是指任务的优先权是在任务进入进程后就被计算好的，并且该优先权的值是固定的；动态优先权是指任务的优先权不固定，可变化。在任务的调度过程中，它的优先权随着任务的等待时间的增加而变化，从而有着更高的调度性能。l 高响应比优先调度策略高响应比优先调度策略25是把前面策略的动态优先权的计算拿到该策略中的每个作业中，并确保每个作业的优先级随着等待时间的增加的时候并以速率a提高，这样就能够保证每个作业都会得到响应。对比以上的策略，高响应比优先调度策略是一个比较好的策略，因为该策略首先通过优先级照顾到了每个作业的优先级别，又通过引入的响应比r来确保了长作业最后也能够得到响应。3.2.2 几种现代调度算法介绍本文主要研究三种常用的现代优化调度算法：遗传算法、蚁群算法和模拟退火算法。l 遗传算法遗传算法是holland教授26在20世纪70年代初期提出的，它主要借助生物进化中的“适者生存”的规律27。遗传算法与传统算法的不同之处在于它并不依赖于梯度信息，而是通过模拟自然界中的种群进化的过程来搜索最优解。首先，它利用了编码技术，作用于染色体，然后模拟其进化过程。“生物进化”和“自然选择”是两个非常重要的概念，生物进化是指具有共同祖先的物种的亲缘关系彼此更接近；自然选择的概念是达尔文进化论的关键，“适者生存，不适者淘汰”。自然界是这样利用杂交和选择相结合的方法来培养优良品种的。在进化的过程中，有性生殖的重要作用是保证后代的基因混合与重组。到八十年代末期，随着生物学的发展，由密歇安大学的holland28,29等人取得了传统方法上难以比拟的效果。whitley通过一种新的重组算子，提高了求解tsp问题时应用到遗传算法的效率30。grenfenstette等提出了把遗传算法（genetic algorithms，ga）应用于tsp问题，ga能利用具体问题的基因算子以得到更优的解31。遗传算法中常用的操作有：选择，交叉，变异三个算子。选择算子是从初始种群中生成新的种群，交叉是从父代生成子代，变异是对交叉生成的子代进行某种变异，使其具有一些新的特性，然后再进入新的循环，得出我们想要找的最优解。一个完整的遗传算法的步骤如下32：step1 针对讨论模型进行编码，并确定长度为n的二进制串，即染色体；step2 产生初始种群pop(1)，确定种群规模n，以及交叉概率和变异概率，一般选0.250.75之间26；step3 选择适应度函数，并计算每个染色体的适应值； step4 设定遗传算子，包括选择算子、交叉算子和变异算子；step5 设定运行参数；step6 设定算法结束条件；计算概率 (3.2) 并以此概率来在出生的种群中寻找出一些染色体构成一个种群 step7根据判定条件，看最后得出的结果是否满足要求。如果不满足，则继续循环步骤step6；step8 通过交配，得到一个有n个染色体的crosspop(t+1)；step9 以一个较小的概率p得到编译的染色体，形成mutpop(t)+1；一个新的群体pop(t+1)=mutpop(t)；遗传算法的优势在于它利用自然界中的编码技术在群体中并发地进行寻找最优解，因此得的解是全局的。遗传算法计算时间短、性能高、鲁棒性好也是它的