重型AGV纠偏理论及电控系统关键技术研究

摘要

随着中国制造2025的提出，智能工厂、智能制造以及智能物流已经成为未来工业发展的方向。针对棉纺织车间辅助作业自动化程度较低，劳动力短缺等问题，研发自动化程度高的重型AGV已经成为该领域研究热点。本文以此为研究背景，针对重型AGV定位精度和纠偏性能问题，分析直流电机PWM调速和PID纠偏控制原理与方法，设计纠偏控制策略，实现重载AGV自行纠偏。
　　针对AGV直流电机调速系统构成特点，分析直流电机静态与动态特性，建立了直流电机调速系统数学模型；在系统探讨分析直流电机PWM调速、PID纠偏控制原理与方法的基础上，建立了直流电机PWM环节与PID纠偏环节的数学模型，为后续数值模拟与控制系统设计奠定基础。
　　在综合分析比较各类导引方式的基础上，结合AGV作业现场工况，选择磁导航作为复合机器人导引方式；对驱动单元结构进行优化，最终设计“转向提升”为一体的双向双驱四轮差速式结构；基于磁导航传感器电子纠偏原理，建立AGV纠偏调速系统运动学模型。
　　依据AGV调速纠偏原理，确定总体设计方案，计算电机驱动力，选择合适的电机与电机驱动器；设计PLC控制系统、直流电机调速系统、PWM电路和I/O口分配等；针对纠偏控制问题，设计PLC主程序，阐述控制思想；针对设备可视化运行，结合控制程序，采用组态软件设计车载管理系统；制定纠偏控制策略，重点解决了直线调速、转弯调速和PID控制策略。
　　采用MATLAB软件对建立的直流电机PID控制系统数学模型和运动学模型进行仿；仿真结果表明控制系统响应速度快、无超调，满足电机纠偏调速要求。设计AGV样机，依据PWM调速与PID控制原理，采用实验与数据分析的方法，对有关理论、控制程序进行测试。实验测试结果分析表明，AGV能够自主导航，达到控制目的，实际运行轨迹基本与仿真轨迹重合，满足系统控制与纠偏技术要求。
　　本课题在查阅大量中外参考文献以及现场调研的基础上，针对纺织车间棉桶搬运自动化问题，提出了复合机器人及配套技术总体解决方案，采用PWM调速与PID控制算法相结合的方法，解决了AGV定位纠偏差等问题；设计AGV控制系统，搭建实验台，对系统调节参数和实际运行进行测试分析，验证了本课题设计思想及方案的可行性与合理性，取得良好的现场运行效果，将研究对象与行业发展方向结合在一起，探索解决了理论应用与工程实践问题。

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Contents

1 绪论

1.1 课题来源与研究意义

1.2 国内外AGV研究发展现状

1.1.1 国外研究发展现状

1.1.2 国内研究发展现状

1.1.3 AGV纠偏控制的研究

1.1.4 AGV发展趋势

1.3 研究内容与方法

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 课题研究关键技术

1.4 本章小结

2 直流调速控制系统分析与设计

2.1 控制系统性能分析与建模

2.1.1 系统组成及工作原理

2.1.2 静态性能分析

2.1.3 动态系统建模

2.2 电机PWM调速

2.2.1 PWM调速工作原理

2.2.2 PWM调速传递函数

2.3 闭环系统建模与分析

2.3.1 闭环系统传递函数

2.3.2 闭环系统稳定性分析

2.4 PID运动控制算法

2.4.1 控制方式的选择

2.4.2 PID控制方法介绍

2.4.3 PID控制规律离散化

2.4.4 PID控制器参数的选择

2.5 本章小结

3 AGV结构设计与运动学建模

3.1 电子纠偏原理

3.1.1 AGV导引方式分类

3.1.2 磁导航传感器

3.1.3 电子纠偏原理

3.2 AGV驱动系统设计

3.2.1 AGV驱动单元结构设计

3.2.2 结构分析

3.3 AGV运动学建模

3.3.1 AGV复合坐标系建立

3.3.2 AGV运动学模型

3.3.3 纠偏调速系统数学建模

3.4 本章小结

4 AGV控制系统设计与开发

4.1 总体设计

4.2 驱动单元计算与分析

4.2.1 电机选择

4.2.2 直流电机容量的确定

4.2.3 电机驱动力的计算

4.2.4 电机驱动器

4.3 控制系统硬件设计

4.3.1 控制器的选择

4.3.2 PLC系统设计

4.3.3 直流无刷电机调速控制系统硬件设计

4.3.4 PWM控制电路设计

4.3.5 I/O控制电路设计

4.4 控制系统软件设计

4.4.1 PLC主程序设计

4.4.2 车载管理系统

4.5 纠偏控制策略

4.5.1 差速策略

4.5.2 直线行驶

4.5.3 转向行驶

4.5.4 PID控制流程图

4.6 本章小结

5 系统仿真与实验分析

5.1 MATLAB仿真

5.1.1 直流电机PID控制调速系统仿真

5.1.2 运动学仿真与分析

5.2 实验原理与方法

5.2.1 实验原理

5.2.2 实验方案设计

5.2.3 实验关键程序

5.3 实验结果与分析

5.3.1 PID参数确定测试实验

5.3.2 纠偏调速精度测试实验

5.3.3 实验结论

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的主要成果