第36卷 第8期 農 業(yè) 工 程 學 報 Vol 36 No 8 2020年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2020 21 番茄缽苗整排取苗手定位的模糊PID控制 任 玲 王 寧 曹衛(wèi)彬 李江全 葉星晨 1 石河子大學機械電氣工程學院 石河子 832003 2 農業(yè)農村部西北農業(yè)裝備重點實驗室 石河子 832003 摘 要 為解決自動移栽機作業(yè)過程中由于機械手定位誤差導致的抓取失敗 傷苗及漏苗問題 實現(xiàn)整排取苗機械手準 確快速定位 該文采用模糊PID控制算法實現(xiàn)自動取苗機械手的步進定位控制 根據(jù)整排取苗試驗平臺分析了機械手水 平和豎直方向的定位精度需求 以兩相混合式步進電機為對象建立步進電機角速度控制模型 設計模糊規(guī)則 建立模糊 PID 控制器 通過對誤差及誤差變化率的在線修正 來滿足不同誤差和誤差變化率情況下的控制要求 應用 MATLAB Simulink進行系統(tǒng)仿真 從超調量 響應時間和穩(wěn)定性指標驗證了控制方法的可行性 以單位階躍信號作為激 勵 分析PID和模糊PID的控制效果 結果表明 通過固定參數(shù)PID仿真分析 獲得系統(tǒng)最優(yōu)PID參數(shù)為KP 20 KI 0 2 KD 1 達到穩(wěn)態(tài)所需的時間為0 285 s 在此參數(shù)下 模糊PID控制達到穩(wěn)態(tài)所需時間為0 25 s 響應速度優(yōu)于固定參數(shù) PID控制 系統(tǒng)無超調 固定參數(shù)PID和模糊PID控制加入擾動后的控制效果分析表明 模糊PID控制系統(tǒng)超調量為40 達到穩(wěn)態(tài)所需時間為1 34 s 均明顯小于固定參數(shù)PID控制43 和1 45 s 表明模糊PID在具有擾動的環(huán)境中控制效果明 顯優(yōu)于固定參數(shù)PID控制 步進電機系統(tǒng)快速響應 控制穩(wěn)定 系統(tǒng)試驗結果 模糊PID控制算法的最大誤差為2 8 mm 定位平均相對誤差為0 81 定位準確度高 可以滿足機械手水平定位精度要求 關鍵詞 農業(yè)機械 控制 定位 模糊PID 缽苗 整排取苗 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 08 003 中圖分類號 S223 92 文獻標志碼 A 文章編號 1002 6819 2020 08 0021 10 任玲 王寧 曹衛(wèi)彬 等 番茄缽苗整排取苗手定位的模糊PID控制 J 農業(yè)工程學報 2020 36 8 21 30 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 08 003 http www tcsae org Ren Ling Wang Ning Cao Weibin et al Fuzzy PID control of manipulator positioning for taking the whole row seedlings of tomato plug seedlings J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2020 36 8 21 30 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 08 003 http www tcsae org 0 引 言 全自動移栽機能夠解決勞動力不足 作業(yè)效率低等 問題 認為是移栽機最終發(fā)展方向 1 2 新疆地區(qū)大面積 種植番茄并采用缽苗移栽的種植模式 整排取苗的工作 方式可以大幅提高工作效率 目前整排取苗的方式主要 有2種 1 機械手移動同時苗盤配合進給模式 機械手 抓取一整排缽苗后 配合移盤機構同步進給 才能保證 取苗機構定點取苗 此種工作方式需要控制苗盤精確進 給 才能保證取苗機構準確抓取 2 苗盤固定 僅移動 機械手逐行取苗 取苗機械手進行水平和豎直2個方向 的運動 需要對機械手進行位置和轉速控制 其關鍵在 于機械手的準確定位 目前研究主要集中在氣動系統(tǒng)及電氣伺服系統(tǒng)實現(xiàn) 取苗動作 通過不同的控制器實現(xiàn)自動送盤 通過步進 電機驅動穴盤移位機構 實現(xiàn)苗盤自動輸送 英國的 Pearson全自動移栽機為排式取苗 通過橫 縱向輸送及 定位系統(tǒng)控制苗盤位置 采用頂苗桿將穴盤中的苗成排 收稿日期 2019 11 06 修訂日期 2020 04 10 基金項目 國家自然科學基金項目 51565048 兵團優(yōu)秀青年教師項目 CZ027213 自治區(qū)研究生創(chuàng)新項目 XJGRI2017056 作者簡介 任玲 博士生 副教授 主要從事農業(yè)自動化與信息化研究 Email rl mac 通信作者 曹衛(wèi)彬 博士 教授 博士生導師 主要從事農業(yè)機械設計及 自動化技術研究 Email Wbc828 頂出或通過取苗機械手將苗從穴盤中成排取出 3 5 魏新 華等 6 設計的整排全自動移栽機控制系統(tǒng) 采用PLC與 繼電器結合 通過控制繼電器的通斷實現(xiàn)對移栽機動作 的協(xié)調控制 其特點是將取苗和投苗動作進行協(xié)調控制 但未考慮精度要求和穩(wěn)定性 胡建平等 7 8 結合旋轉托杯 式半自動移栽機 設計了一種可以實現(xiàn)整排取苗的自動 移栽機 通過旋轉機械手的方式進行取苗和送苗 此種 方式需要對機械手進行旋轉運動控制 其穩(wěn)定性和工作 效率還有待驗證 目前國內對自動移栽機控制系統(tǒng)的研 究多以實現(xiàn)移栽過程自動化為目的 僅對其作業(yè)流程進 行控制 未能從取苗機械手運動的平穩(wěn)性和快速性出發(fā) 從控制算法角度提高控制精度和穩(wěn)定性 王僑等 9 針對頂 苗桿式缽苗自動取苗機構 將模糊PID控制應用在苗盤 輸送控制中 實現(xiàn)間歇精確送盤 劉嬌娣等 10 將模糊PID 控制算法用在補苗系統(tǒng)中 實現(xiàn)快速準確補苗 以上研 究將模糊PID控制算法應用在自動送盤和自動補苗控制 中 取得了較好的控制效果 由于整排取苗機械手負荷 增加 致使運動過程中出現(xiàn)較大摩擦及振動 存在定位 誤差 導致漏苗和傷苗問題 特別對于苗盤固定 僅移 動機械手逐行取苗的工作模式中 機械手每次的位移距 離都是在上次位移的基礎上增加一個行距 若每次取苗 都出現(xiàn)較小的位移誤差 將會在逐行移動中造成偏差累 積 位移誤差逐漸增大 致使機械手在后續(xù)取苗中定位 偏差過大 出現(xiàn)抓取失敗及傷苗和漏苗的問題 因此對 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2020年 22 于機械手位移誤差的及時修正及準確定位是關鍵問題 本文針對引起整排取苗機械手定位誤差的原因 提出 采用模糊PID控制算法實現(xiàn)控制參數(shù)的實時調整 通過對 整排取苗機械手驅動系統(tǒng)進行建模 對整排夾取式取苗機 械手的定位控制系統(tǒng)進行仿真分析和試驗 以實現(xiàn)整排取 苗機械手準確定位和快速響應 提高抗干擾能力 1 整排取苗裝置結構與運動精度分析 1 1 取苗裝置總體結構 整排穴盤苗取苗裝置由機架 整排取苗機械手 水 平軌道 豎直軌道 接苗帶 供苗臺 苗盤組成 如圖1 所示 新疆地區(qū)番茄缽苗育苗苗盤通常采用128穴 16 行8列 整個苗盤長512 mm 寬256 mm 高50 mm 穴孔穴形呈近似四棱臺形 苗盤穴口大小為32 mm 32 mm 相鄰穴孔中心距為32 mm 穴孔上邊長32 mm 下邊長15 mm 深50 mm 11 12 取苗方式為苗盤固定 僅移動整排取苗機械手逐行取苗 整排取苗機械手的運動 分為水平方向運動和豎直方向運動 分別由2個步進電機 控制 整個系統(tǒng)的定位精度由控制精度和機構的傳動精度 決定 13 水平方向上的步進電機控制整排取苗機械手的水 平運動 其定位精度決定機械手是否準確運動到每行 豎 直方向上的步進電機控制整排取苗機械手的上下運動 其 運動精度決定機械手能否準確插入缽苗基質 水平和豎直 方向的定位準確度是整排取苗能否成功的關鍵 1 機架 2 水平軌道 3 豎直軌道 4 整排取苗機械手 5 接苗帶 6 供苗臺 7 苗盤 1 Rack 2 Horizontal track 3 Vertical track 4 Manipulator of whole row picking up of seedling 5 Seedling catching belt 6 Seedling feeding table 7 Seedling tray 圖1 整排取苗裝置結構圖 Fig 1 Structure diagram of whole row seedling taking device 1 2 取送苗運動控制精度分析 取送苗控制系統(tǒng)首先控制整排取苗機械手水平運動 到第一行缽苗 通過豎直運動夾取第一行缽苗 然后水 平運動到接苗帶進行放苗 完成一行缽苗取送 之后整 排取苗機械手水平運動到第二行缽苗位置進行第二行缽 苗夾取 再次返回接苗帶進行放苗 在此過程中 苗盤 位置不動 整排取苗機械手進行逐行取苗和定點送苗 機械手每次的運動位移較上一次增加一個行距即32 mm 同樣放苗過程的位移也每次增加一個行距32 mm 由直 線編碼器檢測整排取苗機械手的位移 通過控制器控制 機械手準確移動 1 2 1 水平運動控制精度分析 水平運動使整排取苗機械手從初始位置運動到苗盤 的第一行取苗位置 待取苗完成返回接苗帶處進行放苗 根據(jù)實際操作經驗 取投苗位移在水平方向的最大允許 誤差為4 mm 當整排取苗機械手出現(xiàn)水平位移誤差時 會使取苗針插入缽苗苗體或者穴盤壁 或與穴盤壁發(fā)生 剮蹭 導致缽苗和穴盤損壞或者取苗失敗 因此水平位 移誤差會使取苗成功率下降 1 2 2 豎直運動控制精度分析 豎直運動決定機械手對缽苗夾取的深度 整排取苗 機械手豎直位移過大會使苗針刺穿穴盤 造成穴盤損壞 位移過小取苗針夾持位置過高 缽苗在運動中脫落 導 致漏苗 為了達到較好的取苗效果 通常以苗針末端在 距離基質頂端35 38 mm的位置為最佳 在取苗針的夾 持末端留有2 3 mm的位置波動余量 因此較為理想的 夾持位置為距離基質頂端32 41 mm處 豎直運動的允 許誤差為 41 32 2 4 5 mm 1 2 3 累計誤差與重復定位精度要求 完成一盤缽苗的夾取需要水平運動8次 豎直運動 16次 運動位移誤差隨著往復運動次數(shù)的增加逐漸累積 導致機械手逐漸偏離預期位置 完成整盤取苗 取苗機 械手單次水平運動的允許誤差為 4 8 0 5 mm 單次豎直 運動的允許誤差為 4 5 8 0 563 mm 1 3 驅動電機 整排取苗機械手進行間歇式運動與定位 因此選用 步進電機作為驅動機構 步進電機將電脈沖轉換為角位 移或直線位移 通過控制輸入電脈沖的頻率和數(shù)量來控 制步進電機的轉動速度和角位移量 通過控制輸入電脈 沖的通電相序來控制步進電機的轉動方向 因此可實現(xiàn) 對整排取苗機械手的速度 位置和方向進行控制 14 15 根據(jù)取苗機械手的運動精度計算得到驅動電機的靜 轉矩不得低于0 72 N m 因此選擇J 5718HB2401型步進 電機 其參數(shù)如表1所示 驅動器選擇與其配套的DM542 型步進電機驅動器 表1 步進電機參數(shù) Table 1 Step motor parameters 型號 Type 步距角 Step angle 額定電壓 Rated voltage V 額定電流Rated current A 電阻 Resistance 電感 Phase inductance mH 質量 Weight kg 靜轉矩 Static torque N m 轉動慣量 Rotary inertia kg cm 2 黏滯系數(shù)Viscous coefficient 轉子齒數(shù) Numbers of rotary teeth J 5718HB2401 1 8 3 4 3 5 0 8 2 4 0 67 1 3 0 26 0 07 40 2 模糊PID控制系統(tǒng)建模 閉環(huán)步進定位控制系統(tǒng)由步進電機及其驅動器 減 速器 編碼器 限位開關 行程開關等組成 系統(tǒng)框圖 如圖2所示 第8期 任 玲等 番茄缽苗整排取苗手定位的模糊PID控制 23 圖2 閉環(huán)步進定位控制系統(tǒng)框圖 Fig 2 Block diagram of closed loop stepper positioning control system 2 1 步進定位控制系統(tǒng)精度分析 步進電機為取苗機械手的動力源 取苗機械手通過 與步進電機同軸的減速器驅動 由于整排取苗機械手運 動最長距離為16 32 512 mm 因此位移傳感器選取測 量距離為600 mm 線性精度為0 01 即0 01 mm 的直 線編碼器 型號 MPS S V 取苗機械手的實際位移 通過直線編碼器傳輸給控制器 控制器通過對位移誤差 和誤差變化率及時修正 來減小誤差 提高位移精度 定位精度計算為 360 Lm n d 1 0 100 2 1 100 aL 3 式中d為步進電機轉子齒輪的直徑 d 32 mm 為步進 電機的角位移 1 8 n為減速器的減速比 n 10 L為機械手位移的距離 mm 為角位移偏差量 a為系統(tǒng)允許的最大位移誤差 mm m為步進電機轉動 的步距角個數(shù) 0為簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)最大誤差率 1為自動取苗控制系統(tǒng)允許的最大位移誤差率 由 1 式可得m 637 故步進電機運轉的角度為1 146 6 步進電機存在周期性誤差 其常規(guī)精度為其步距角 的3 5 16 所以一個完整作業(yè)過程中 步進電機運 行的最大旋轉角度誤差 m 5 m 將 以及 m的值代入 2 式得 0 5 10 由式 3 得 1 1 56 因此步進電機允許的最大位移誤差率為1 56 由于 0 1 表明簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)無法滿足定位精 度要求 且大田作業(yè)存在大量非線性干擾 17 因而有必 要通過定位控制算法提高控制系統(tǒng)的定位精度 增強其 抗干擾性 2 2 步進定位控制算法 固定參數(shù)PID控制在工作環(huán)境多變 有較大線性誤 差下很難滿足其控制精度 響應速度及抗干擾能力要求 因此將模糊控制思想加入固定參數(shù)PID控制中 控制器 先獲得被控量的當前準確數(shù)值 然后用被控量的當前準 確數(shù)值和給定的輸入值進行對比 將系統(tǒng)誤差及誤差變 化率進行模糊化處理 再根據(jù)模糊規(guī)則推理 18 對PID 參數(shù)進行整定 實現(xiàn)取苗機械手精準定位和快速響應 固定參數(shù)PID控制算法為 0 d d dkP I Di ekuk Kek K ei i K k 4 式中u k 為系統(tǒng)輸出 dei i 為誤差累積 d dekk 為誤差 變化率 KP為比例系數(shù) KI為積分系數(shù) KD為微分系數(shù) 對這3個參數(shù)進行實時調節(jié)可以達到良好的控制效果 固定參數(shù)PID控制依賴精確的數(shù)學模型 但實際作業(yè)環(huán) 境很難用數(shù)學模型描述 調節(jié)過程容易出現(xiàn)滯后 超調 和高頻干擾等問題 從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性 模糊PID控制算法是在固定參數(shù)PID控制算法的基 礎上 將系統(tǒng)誤差及誤差變化率進行模糊化處理 再根 據(jù)模糊規(guī)則推理 19 20 對PID參數(shù)進行整定 其整定公 式為 P P PK K K 5 I I IK K K 6 D D DK K K 7 式中 PK IK DK 分別為PID控制器中的整定參數(shù)基值 KP KI KD分別為KP KI KD的在線修正值 取送 苗控制系統(tǒng)的模糊PID步進定位控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示 直線編碼器將測得的實際位移c k 作為控制器的 實際值 外部輸入給定值r k 得到位置誤差e k e k r k c k 以及位置誤差經過微分環(huán)節(jié)后的變化 率 e k e k de k dt 注 e為位置誤差 mm de為位置誤差變化率 KE和KEC為e和de的量化因子 KP KI KD為比例系數(shù)KP 積分系數(shù)KI 微分系數(shù)KD的在線修正值 E EC為e和de的語言變量 Note e is the position error mm de is the change rate of the position error KE and KEC are quantization factors of e and de KP KI KD are online modification values of scale coefficient K P integral coefficient KI and differential coefficient KD E and EC are the language variables of e and de 圖3 模糊PID步進定位控制系統(tǒng)框圖 Fig 3 Block diagram of fuzzy PID step positioning control system 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2020年 24 2 3 模糊PID步進定位控制器 2 3 1 輸入輸出量模糊分布 模糊控制系統(tǒng)的核心是模糊控制器 首先確定模糊 集合 再選取變量的論域 將位置誤差e及位置誤差變化 率de作為模糊控制的輸入變量 21 將比例系數(shù)KP 積分 系數(shù)KI 微分系數(shù)KD的在線修正值 KP KI KD作為 模糊控制器的輸出變量 選取輸入變量e和de的論域為 6 500 6 500 和 2 700 2 700 輸出變量KP KI KD的 論域分別為 20 20 6 6 和 0 5 0 5 輸入語言變量E EC和輸出語言變量論域分別為 3 3 2 2 和 1 1 可得 1 輸入變量e 和de 的量化因子 KE 3 6 500 KEC 2 2 700 1 1 350 2 輸出變量 KP KI KD的比例因子 K1 20 1 20 K2 6 1 6 K3 0 5 1 0 5 根據(jù)上述條件選擇隸屬度函數(shù) 曲線 其中輸入語言變量E和EC選用梯形隸屬函數(shù)曲線 輸出語言變量KP KI KD選用三角形隸屬函數(shù)曲線 2 3 2 模糊控制規(guī)則設計 模糊PID控制器根據(jù)誤差e和誤差變化率de來確 定PID參數(shù)值 經驗值用模糊規(guī)則來表示 PID參數(shù)整 定是在系統(tǒng)運行過程中 不斷檢測誤差和誤差變化率的 關系 根據(jù)模糊推理原理計算出3個參數(shù)的值 再利用 PID控制器進行在線修正 從而使控制系統(tǒng)獲得最佳的 控制性能 22 24 運用經驗試湊法 結合大量試驗對取送苗機械手定 位控制系統(tǒng)輸入輸出進行測試 得到最優(yōu)調整關系 建 立模糊控制規(guī)則 將輸入變量E和輸出量 KP KI KD 的論域劃分為7個模糊子集 NB 負大 NM 負中 NS 負小 ZO 零 PS 正小 PM 正中 PB 正大 輸入變量EC劃分為5個模糊子集 NB 負大 NS 負小 ZO 零 PS 正大 PB 正 大 并制定模糊規(guī)則表 25 27 如表2所示 表2 模糊PID控制規(guī)則表 Table 2 Fuzzy PID control rule table EC E NB NS ZO PS PB NB PB NB PS PM NM NB PS NM NB PS NS NB ZO ZO NS NM PB NB PS PM NM NB PS NS NM PS NS NM NS PS ZO NS PM NB ZO PS NS NM PS NS NM ZO ZO NM NS PM ZO ZO PM NB ZO PS NS NS ZO ZO NS NS PS NS NM PB ZO PS PS NM ZO ZO ZO NS NS PS NS NS PM NS NM PB ZO PM PS NS PB NS PS PM NS PS PS NM PM PS NB PB ZO PB ZO ZO PB NS PS PM NM PM PS NM PB PS NB PB ZO 2 3 3 步進定位控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)建立 采用J 5718HB2401兩相混合式步進電機 忽略渦流 損耗和磁滯效應 電機平衡方程如式 8 9 所示 d sindaa a eiu L Ri kt 8 d sindbb b e riu L Ri k Nt 9 式中ua ub分別為電機的a b電樞電壓 V L為電樞 電感 mH R為電樞電阻 ia ib為a b相電樞電流 mA ke為反電動勢系數(shù) 為轉子的機械角速度 rad Nr為轉子齒數(shù) t為時間 s 根據(jù)步進電機內部結構 忽略負載轉矩 可得電機 的運動平衡方程如式 10 12 所示 1 1 sin sin2 2e T a r T b rT ki N ki N 10 dd eJ B Tt 11 ddt 12 式中kT為轉矩系數(shù) 其值等于靜轉矩與額定電流的比值 Te為電磁轉矩 N m J為轉動慣量 kg m2 為極距角 B為黏滯系數(shù) 以步進電機角位移為控制量 0為目標值 1為控 制量 則角度誤差 0 1 當 0即沒有角度偏差時 控制效果最優(yōu) 設初始工作電流為I0 兩相中心 2處的 角位移量及電流分別為 2 13 0 a ai I i 14 0 b bi I i 15 式中I0為額定電流 mA ia ib分別為a b相電樞電 流偏差量 mA 由此可得 2 02 0 d d cos d 2d 1 cos 0 2 2 rT rT a b NJ B k I tt Nk I i i 16 當 0時式 16 簡化為 2 1 1 0 1 0 02 d d d d T r T r t tJ B k IN t kI N t tt 17 對式 17 求一階導數(shù) 并帶入d dt 設 1為 電機實際轉過的角速度 0為目標角速度 可得 2 1 1 0 1 0 02 d d d d T r T r t tJ B k IN t kI N t tt 18 對式 18 進行拉氏變換 并設 1dd ts t 可得 2 0 1 0 0 T r T rsJ sB k I N s k I N s 19 對式 19 整理可得步進電機的傳遞函數(shù)G s 為 1 02 0 0 T rT r s k I N JG s s s sB J kIN J 20 將表1中的步進電機參數(shù)代入式 20 得到步進 電機角速度的傳遞函數(shù) 11 20 2 1 3 3 5 40 0 26 3 5 0 07 1 3 3 5 40 0 26 0 26 3 5 200 0 27 200 sG s s s s s s 21 第8期 任 玲等 番茄缽苗整排取苗手定位的模糊PID控制 25 采用型號為DM542型的步進電機驅動器 步進電機 驅動將角位移轉化為橫向和縱向直線位移 比例模塊采 用經驗傳遞函數(shù)G2 s 8 減速器為比例模塊 其經驗傳 遞函數(shù)為G3 s 0 25 直線編碼器為比例模塊 其傳遞函 數(shù)為G4 s 100 控制量處理器將給定的脈沖值與直線編 碼器反饋的位置脈沖量轉化為電機實際運動的脈沖數(shù) 也為比例模塊 其傳遞函數(shù)為G5 s 0 2 由圖3可知 取送苗機構的運動控制系統(tǒng)由以上控 制模塊構成 其總傳遞函數(shù)為 1 2 3 5 1 2 3 5 41 G s G s G s G sG s G s G s G s G s G s 22 將以上各傳遞函數(shù)參數(shù)代入 22 化簡可得 2 80 0 27 280 Gs s s 23 3 步進定位控制系統(tǒng)仿真分析 3 1 PID控制系統(tǒng)建模及仿真分析 針對建立的步進電機系統(tǒng)模型 通過MATLAB的 Simulink仿真模塊建立整排取苗機械手步進電機的PID 控制仿真模型 以幅值為1的階躍信號作為系統(tǒng)輸入 25 將取苗機構步進定位控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)代入 Simulink仿真平臺 構建如圖4所示的PID步進定位控 制系統(tǒng)仿真模型 通過仿真分析 對被控對象的PID參 數(shù)進行整定 注 Step為系統(tǒng)輸入信號 Integrator為積分器 Derivative為微分器 Add1 為加法器 G1為步進電機傳遞函數(shù) G2為步進電機驅動器 G3為減速器 G4為直線編碼器 G5為控制量處理器 Scope為示波器 1d dts t 下同 Note Step is the input signal of the system Integrator is integrator Derivative is differentiator Add is adder G1 is the transfer function of the stepper motor G2 is stepper motor driver G3 is reducer G4 is linear encoder G5 is control quantity processor Scope is an oscilloscope 1d dts t The same below 圖4 傳統(tǒng)PID步進定位控制系統(tǒng)仿真模型 Fig 4 Simulation model of traditional PID step positioning control system 仿真過程為 在t 0時輸入單位階躍信號 根據(jù)經驗 選取PID參數(shù)初值為KP 5 KI 10 KD 1 系統(tǒng)仿真時 間為3 s 采用固定參數(shù)PID控制實現(xiàn)步進電機角速度的 反饋控制 仿真波形如圖5所示 由圖5可知 系統(tǒng)在C點出現(xiàn)超調 超調量為18 從0 275 s B點 開始上升 在1 89 s D點 達到穩(wěn)態(tài) 系統(tǒng)存在超調且響應速度較慢 因此需要調節(jié)PID控制 參數(shù)初值對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化 根據(jù)參數(shù)優(yōu)化規(guī)則 28 29 通過經驗試湊法 最終選取KP 20 KI 0 2 KD 1為最 優(yōu)參數(shù) 優(yōu)化后的仿真波形如圖6所示 由圖6可知 系統(tǒng)無超調 在0 115 s B點 開始 上升 在0 285 s C點 達到穩(wěn)態(tài) 對比2組PID控制 仿真結果可知 優(yōu)化PID控制參數(shù)后 系統(tǒng)無超調 上 升時間減少58 響應速度提高84 圖5 傳統(tǒng)固定參數(shù)PID控制的仿真波形 KP 5 KI 10 KD 1 Fig 5 Simulation waveform of traditional fixed parameter PID control KP 5 KI 10 KD 1 圖6 優(yōu)化后的傳統(tǒng)PID控制仿真波形 KP 20 KI 0 2 KD 1 Fig 6 Simulation waveform of optimized traditional PID control KP 20 KI 0 2 KD 1 3 2 模糊PID控制系統(tǒng)建模及仿真分析 將取送苗機構步進定位控制系統(tǒng)的各傳遞函數(shù)輸入 到Simulink 仿真平臺 并輸入e 和de 的量化因子 KE 3 6 500 和KEC 1 1 350 將所建立的模糊控制器與 Simulink仿真平臺相連接 得到模糊PID步進定位控制 系統(tǒng)仿真模型 如圖7所示 仿真過程如下 在t 0時輸入單位階躍信號 并根據(jù) 模糊PID步進定位控制系統(tǒng)仿真模型 采用得到的最優(yōu) PID參數(shù)KP 20 KI 0 2 KD 1 得到模糊PID控制的仿 真波形如圖8所示 系統(tǒng)仿真時間為3 s 由圖8可知 在0 097 s B點 開始上升 在0 25 s C點 達到穩(wěn)態(tài) 與固定參數(shù)PID 控制相比 上升時間減少15 7 達到穩(wěn)態(tài)所需時間減少 12 3 系統(tǒng)響應速度更快 模糊PID控制下系統(tǒng)無超調 表明系統(tǒng)穩(wěn)定性更強 通過對比模糊PID控制系統(tǒng)和固 定參數(shù)PID控制系統(tǒng)的仿真波形可知 模糊PID控制系 統(tǒng)無超調即穩(wěn)定性好 上升時間短 響應速度快 有利 于系統(tǒng)精確定位 30 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2020年 26 注 Fuzzy logical controller為模糊控制器 K1 K2 K3分別為 KP KI KD的比例因子 Product為乘法器 Integrator為積分器 Add為加法器 Note Fuzzy logical controller is a fuzzy controller K 1 K2 K3 are scale factors of KP KI KD respectively Product is multiplier Integrator is integrator Add is the adder 圖7 模糊PID步進定位控制系統(tǒng)仿真模型 Fig 7 Simulation model of fuzzy PID step positioning control system 圖8 模糊PID控制仿真波形 Fig 8 Simulation waveform of fuzzy PID control 3 3 擾動信號下的系統(tǒng)建模與仿真 在實際生產應用中 大田作業(yè)環(huán)境復雜 取苗機構 受外界環(huán)境影響 系統(tǒng)的控制性能降低 導致取送苗控 制系統(tǒng)失穩(wěn) 為了模擬外界因素對控制系統(tǒng)的干擾 在 原有階躍信號中加入擾動信號 并將固定參數(shù)PID控制 系統(tǒng)與模糊PID控制系統(tǒng)模型進行聯(lián)合仿真 得到擾動 條件下的步進定位控制系統(tǒng)仿真模型 如圖9所示 仿真過程如下 在t 0時輸入單位階躍信號 擾動信 號為由信號源Signal Generator產生的幅值為0 4 頻率為 50 Hz的sawtooth信號 在t 1 s時加入系統(tǒng) 在t 1 3 s 時撤除系統(tǒng) 采用最優(yōu)PID參數(shù)KP 20 KI 0 2 KD 1 得到擾動信號下的控制系統(tǒng)仿真波形 如圖10所示 系 統(tǒng)仿真時間為2 s 當系統(tǒng)達到穩(wěn)定后 在t 1 s時加入擾 動信號 由圖10可知 在t 1 005 s時 2條控制曲線均 開始發(fā)生變化 PID控制曲線升高到點A 1 005 0 014 4 模糊PID控制曲線升高到點B 1 005 0 014 加入擾 動信號后 PID控制的超調量為43 模糊PID控制的 超調量為40 注 Signal generator為擾動信號發(fā)生器 1表示在1 s時加入擾動信號 1 3表示在1 3 s時撤除擾動信號 Subtract為減法器 Note Signal generator is disturbance signal generator 1 means adding a disturbance signal at 1 s 1 3 means adding a disturbance signal at 1 3 s Subtract is a subtracter 圖9 加入擾動的步進定位控制系統(tǒng)仿真模型 Fig 9 Simulation model of stepper positioning control system with disturbance 第8期 任 玲等 番茄缽苗整排取苗手定位的模糊PID控制 27 圖10 加入擾動的步進定位控制系統(tǒng)仿真波形 Fig 10 Simulation waveform of stepper positioning control system with perturbation 在1 3 s時撤除擾動信號 PID控制曲線在1 45 s D 點 達到平穩(wěn) 模糊PID控制曲線在1 34 s C點 達到 平穩(wěn) 對抗干擾 模糊PID控制的響應速度提高7 6 僅用0 04 s就回到穩(wěn)態(tài) 而PID控制經過0 15 s回到穩(wěn)態(tài) 模糊PID控制的抗干擾能力優(yōu)于PID控制 響應速度快 具有更強的穩(wěn)定性 更適合在實際環(huán)境中作業(yè) 4 定位控制試驗 定位控制試驗于2019年10月在石河子大學機械電 氣工程學院精準農業(yè)裝備試驗室進行 試驗采用課題組 自制的整排夾取式試驗臺進行控制精度的測試 試驗臺 參數(shù)如表3所示 表3 試驗臺參數(shù) Table 3 Parameters of test bench 參數(shù) Parameter 值 Values 移栽苗盤規(guī)格 長 寬 Seedling tray specification length width mm mm 280 510 苗盤高度 Height of seedling tray mm 50 苗盤穴口中心之間的距離 Distance between the center of seedling hole mm 32 接苗帶柵格 長 寬 Grid of seedling catching belt length width mm mm 40 40 接苗帶與苗盤第一行中點位置的距離 Distance between the midpoint of the first line of the seedling tray and the seedling catching belt mm 115 分別對固定參數(shù)PID控制和模糊PID控制的定位精 度進行測試和驗證 在三菱PLC中編寫控制程序 將PID 控制程序和模糊PID程序分別寫入PLC中 通過加載不 同的控制算法在試驗臺上驗證整排取苗機械手橫向位移 的定位效果 試驗測試平臺如圖11a所示 以接苗帶的位 置作為初始位置 控制整排取苗機械手從初始位置橫向 運動 實現(xiàn)整排取苗機械手逐行取苗和定點送苗 接苗 帶與苗盤第一行中點位置作為第一次取苗位置 其距離 為115 mm 行距為32 mm 第一次控制機械手水平移動 到達第一行取苗位置 待取苗完成控制機械手返回初始 位置進行放苗 第二次控制機械手水平移動147 mm到達 第二行取苗位置 即在上一次位移距離基礎上增加 32 mm 取苗完成后再次返回到初始位置放苗 由于整排 取苗機械手每次的取送苗位移都比上一次增加一個行距 32 mm 因此以32 mm作為標準位移 整排取苗機械 手的橫 縱向取送苗移動示意圖如圖11b所示 注 圖中箭頭表示機械手水平移動方向 Note The arrows in the figure indicate the direction of horizontal movement of the manipulator 圖11 試驗平臺及機械手水平移動示意圖 Fig 11 Test platform and schematic diagram of horizontal movement of manipulator 以接苗帶位置作為初始位置 機械手從初始位置橫 向移動 進行逐行取苗 從接苗帶位置到每一行的理論 位移根據(jù)行距計算得出 并以此作為基準值 分別通過 PID控制和模糊PID控制方法對機械手的8次移動距離 進行測試 檢測每一次位移值和基準位移的差值 差值 越小說明定位精度越高 在程序中設定起始位置 以位移傳感器檢測的位移 量變化作為系統(tǒng)的反饋信號 控制算法通過對誤差信號 及時修正 實現(xiàn)逐行精準定位 通過2種控制算法分別 控制步進電機驅動整排取苗機械手進行水平方向運動 農業(yè)工程學報 http www tcsae org 2020年 28 運用10分度的游標卡尺測量每次機械手的實際位移 比 較不同控制算法下每一次實際位移與基準位移的差異 Ea X T 24 100 ar EE T 25 式中T為標準位移 理論值 mm X為測量位移 mm Ea為位移誤差量 mm Er為位移相對誤差 機械手水平運動8次 通過測量每次位移 分別找 出PID控制和模糊PID控制2種算法的最大定位誤差 并計算2種算法下的定位平均相對誤差 結果如表5所示 表5 不同控制方法的機械手位移誤差 Table 5 Displacement errors of manipulator with different control methods 傳統(tǒng)固定參數(shù)PID控制 Traditional fixed parameter PID control 模糊PID控制 Fuzzy PID control 試驗號 Test No 理論位移 Theoretical displacement T mm 測量位移 Measured displacement mm 位移誤差 Displacement error mm 相對誤差 Relative error 測量位移 Measured displacement mm 位移誤差 Displacement error mm 相對誤差 Relative error 1 115 113 4 1 6 1 39 114 0 1 0 0 87 2 147 145 5 1 5 1 02 145 8 1 2 0 82 3 179 182 1 3 1 1 73 180 3 1 3 0 73 4 211 213 2 2 2 1 04 212 7 1 7 0 81 5