第36卷 第8期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 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(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院 石河子 832003 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 石河子 832003 摘 要 為解決自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)過程中由于機(jī)械手定位誤差導(dǎo)致的抓取失敗 傷苗及漏苗問題 實(shí)現(xiàn)整排取苗機(jī)械手準(zhǔn) 確快速定位 該文采用模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取苗機(jī)械手的步進(jìn)定位控制 根據(jù)整排取苗試驗(yàn)平臺(tái)分析了機(jī)械手水 平和豎直方向的定位精度需求 以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)為對象建立步進(jìn)電機(jī)角速度控制模型 設(shè)計(jì)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(yīng)用 MATLAB Simulink進(jìn)行系統(tǒng)仿真 從超調(diào)量 響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性指標(biāo)驗(yàn)證了控制方法的可行性 以單位階躍信號作為激 勵(lì) 分析PID和模糊PID的控制效果 結(jié)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(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間為0 285 s 在此參數(shù)下 模糊PID控制達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間為0 25 s 響應(yīng)速度優(yōu)于固定參數(shù) PID控制 系統(tǒng)無超調(diào) 固定參數(shù)PID和模糊PID控制加入擾動(dòng)后的控制效果分析表明 模糊PID控制系統(tǒng)超調(diào)量為40 達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)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(dòng)的環(huán)境中控制效果明 顯優(yōu)于固定參數(shù)PID控制 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)快速響應(yīng) 控制穩(wěn)定 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)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(zhǔn)確度高 可以滿足機(jī)械手水平定位精度要求 關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)機(jī)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(xiàn)標(biāo)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(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 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(dòng)移栽機(jī)能夠解決勞動(dòng)力不足 作業(yè)效率低等 問題 認(rèn)為是移栽機(jī)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(jī)械手移動(dòng)同時(shí)苗盤配合進(jìn)給模式 機(jī)械手 抓取一整排缽苗后 配合移盤機(jī)構(gòu)同步進(jìn)給 才能保證 取苗機(jī)構(gòu)定點(diǎn)取苗 此種工作方式需要控制苗盤精確進(jìn) 給 才能保證取苗機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確抓取 2 苗盤固定 僅移動(dòng) 機(jī)械手逐行取苗 取苗機(jī)械手進(jìn)行水平和豎直2個(gè)方向 的運(yùn)動(dòng) 需要對機(jī)械手進(jìn)行位置和轉(zhuǎn)速控制 其關(guān)鍵在 于機(jī)械手的準(zhǔn)確定位 目前研究主要集中在氣動(dòng)系統(tǒng)及電氣伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 取苗動(dòng)作 通過不同的控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送盤 通過步進(jìn) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)穴盤移位機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)苗盤自動(dòng)輸送 英國的 Pearson全自動(dòng)移栽機(jī)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(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 51565048 兵團(tuán)優(yōu)秀青年教師項(xiàng)目 CZ027213 自治區(qū)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目 XJGRI2017056 作者簡介 任玲 博士生 副教授 主要從事農(nóng)業(yè)自動(dòng)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(dǎo)師 主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及 自動(dòng)化技術(shù)研究 Email Wbc828 頂出或通過取苗機(jī)械手將苗從穴盤中成排取出 3 5 魏新 華等 6 設(shè)計(jì)的整排全自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng) 采用PLC與 繼電器結(jié)合 通過控制繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)對移栽機(jī)動(dòng)作 的協(xié)調(diào)控制 其特點(diǎn)是將取苗和投苗動(dòng)作進(jìn)行協(xié)調(diào)控制 但未考慮精度要求和穩(wěn)定性 胡建平等 7 8 結(jié)合旋轉(zhuǎn)托杯 式半自動(dòng)移栽機(jī) 設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)整排取苗的自動(dòng) 移栽機(jī) 通過旋轉(zhuǎn)機(jī)械手的方式進(jìn)行取苗和送苗 此種 方式需要對機(jī)械手進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)控制 其穩(wěn)定性和工作 效率還有待驗(yàn)證 目前國內(nèi)對自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng)的研 究多以實(shí)現(xiàn)移栽過程自動(dòng)化為目的 僅對其作業(yè)流程進(jìn) 行控制 未能從取苗機(jī)械手運(yùn)動(dòng)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(dòng)取苗機(jī)構(gòu) 將模糊PID控制應(yīng)用在苗盤 輸送控制中 實(shí)現(xiàn)間歇精確送盤 劉嬌娣等 10 將模糊PID 控制算法用在補(bǔ)苗系統(tǒng)中 實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確補(bǔ)苗 以上研 究將模糊PID控制算法應(yīng)用在自動(dòng)送盤和自動(dòng)補(bǔ)苗控制 中 取得了較好的控制效果 由于整排取苗機(jī)械手負(fù)荷 增加 致使運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)較大摩擦及振動(dòng) 存在定位 誤差 導(dǎo)致漏苗和傷苗問題 特別對于苗盤固定 僅移 動(dòng)機(jī)械手逐行取苗的工作模式中 機(jī)械手每次的位移距 離都是在上次位移的基礎(chǔ)上增加一個(gè)行距 若每次取苗 都出現(xiàn)較小的位移誤差 將會(huì)在逐行移動(dòng)中造成偏差累 積 位移誤差逐漸增大 致使機(jī)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(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 22 于機(jī)械手位移誤差的及時(shí)修正及準(zhǔn)確定位是關(guān)鍵問題 本文針對引起整排取苗機(jī)械手定位誤差的原因 提出 采用模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整 通過對 整排取苗機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模 對整排夾取式取苗機(jī) 械手的定位控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和試驗(yàn) 以實(shí)現(xiàn)整排取 苗機(jī)械手準(zhǔn)確定位和快速響應(yīng) 提高抗干擾能力 1 整排取苗裝置結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)精度分析 1 1 取苗裝置總體結(jié)構(gòu) 整排穴盤苗取苗裝置由機(jī)架 整排取苗機(jī)械手 水 平軌道 豎直軌道 接苗帶 供苗臺(tái) 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(gè)苗盤長512 mm 寬256 mm 高50 mm 穴孔穴形呈近似四棱臺(tái)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(dòng)整排取苗機(jī)械手逐行取苗 整排取苗機(jī)械手的運(yùn)動(dòng) 分為水平方向運(yùn)動(dòng)和豎直方向運(yùn)動(dòng) 分別由2個(gè)步進(jìn)電機(jī) 控制 整個(gè)系統(tǒng)的定位精度由控制精度和機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度 決定 13 水平方向上的步進(jìn)電機(jī)控制整排取苗機(jī)械手的水 平運(yùn)動(dòng) 其定位精度決定機(jī)械手是否準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)到每行 豎 直方向上的步進(jìn)電機(jī)控制整排取苗機(jī)械手的上下運(yùn)動(dòng) 其 運(yùn)動(dòng)精度決定機(jī)械手能否準(zhǔn)確插入缽苗基質(zhì) 水平和豎直 方向的定位準(zhǔn)確度是整排取苗能否成功的關(guān)鍵 1 機(jī)架 2 水平軌道 3 豎直軌道 4 整排取苗機(jī)械手 5 接苗帶 6 供苗臺(tái) 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(jié)構(gòu)圖 Fig 1 Structure diagram of whole row seedling taking device 1 2 取送苗運(yùn)動(dòng)控制精度分析 取送苗控制系統(tǒng)首先控制整排取苗機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng) 到第一行缽苗 通過豎直運(yùn)動(dòng)夾取第一行缽苗 然后水 平運(yùn)動(dòng)到接苗帶進(jìn)行放苗 完成一行缽苗取送 之后整 排取苗機(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)到第二行缽苗位置進(jìn)行第二行缽 苗夾取 再次返回接苗帶進(jìn)行放苗 在此過程中 苗盤 位置不動(dòng) 整排取苗機(jī)械手進(jìn)行逐行取苗和定點(diǎn)送苗 機(jī)械手每次的運(yùn)動(dòng)位移較上一次增加一個(gè)行距即32 mm 同樣放苗過程的位移也每次增加一個(gè)行距32 mm 由直 線編碼器檢測整排取苗機(jī)械手的位移 通過控制器控制 機(jī)械手準(zhǔn)確移動(dòng) 1 2 1 水平運(yùn)動(dòng)控制精度分析 水平運(yùn)動(dòng)使整排取苗機(jī)械手從初始位置運(yùn)動(dòng)到苗盤 的第一行取苗位置 待取苗完成返回接苗帶處進(jìn)行放苗 根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn) 取投苗位移在水平方向的最大允許 誤差為4 mm 當(dāng)整排取苗機(jī)械手出現(xiàn)水平位移誤差時(shí) 會(huì)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(dǎo)致缽苗和穴盤損壞或者取苗失敗 因此水平位 移誤差會(huì)使取苗成功率下降 1 2 2 豎直運(yùn)動(dòng)控制精度分析 豎直運(yùn)動(dòng)決定機(jī)械手對缽苗夾取的深度 整排取苗 機(jī)械手豎直位移過大會(huì)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(yùn)動(dòng)中脫落 導(dǎo) 致漏苗 為了達(dá)到較好的取苗效果 通常以苗針末端在 距離基質(zhì)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(dòng)余量 因此較為理想的 夾持位置為距離基質(zhì)頂端32 41 mm處 豎直運(yùn)動(dòng)的允 許誤差為 41 32 2 4 5 mm 1 2 3 累計(jì)誤差與重復(fù)定位精度要求 完成一盤缽苗的夾取需要水平運(yùn)動(dòng)8次 豎直運(yùn)動(dòng) 16次 運(yùn)動(dòng)位移誤差隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)的增加逐漸累積 導(dǎo)致機(jī)械手逐漸偏離預(yù)期位置 完成整盤取苗 取苗機(jī) 械手單次水平運(yùn)動(dòng)的允許誤差為 4 8 0 5 mm 單次豎直 運(yùn)動(dòng)的允許誤差為 4 5 8 0 563 mm 1 3 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 整排取苗機(jī)械手進(jìn)行間歇式運(yùn)動(dòng)與定位 因此選用 步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向 因此可實(shí)現(xiàn) 對整排取苗機(jī)械手的速度 位置和方向進(jìn)行控制 14 15 根據(jù)取苗機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度計(jì)算得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的靜 轉(zhuǎn)矩不得低于0 72 N m 因此選擇J 5718HB2401型步進(jìn) 電機(jī) 其參數(shù)如表1所示 驅(qū)動(dòng)器選擇與其配套的DM542 型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 表1 步進(jìn)電機(jī)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(zhì)量 Weight kg 靜轉(zhuǎn)矩 Static torque N m 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Rotary inertia kg cm 2 黏滯系數(shù)Viscous coefficient 轉(zhuǎn)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(jìn)定位控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器 減 速器 編碼器 限位開關(guān) 行程開關(guān)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(jìn)定位控制系統(tǒng)框圖 Fig 2 Block diagram of closed loop stepper positioning control system 2 1 步進(jìn)定位控制系統(tǒng)精度分析 步進(jìn)電機(jī)為取苗機(jī)械手的動(dòng)力源 取苗機(jī)械手通過 與步進(jìn)電機(jī)同軸的減速器驅(qū)動(dòng) 由于整排取苗機(jī)械手運(yùn) 動(dòng)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(jī)械手的實(shí)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(shí)修正 來減小誤差 提高位移精度 定位精度計(jì)算為 360 Lm n d 1 0 100 2 1 100 aL 3 式中d為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒輪的直徑 d 32 mm 為步進(jìn) 電機(jī)的角位移 1 8 n為減速器的減速比 n 10 L為機(jī)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 的步距角個(gè)數(shù) 0為簡單閉環(huán)控制系統(tǒng)最大誤差率 1為自動(dòng)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(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的角度為1 146 6 步進(jìn)電機(jī)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(gè)完整作業(yè)過程中 步進(jìn)電機(jī)運(yùn) 行的最大旋轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)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(qiáng)其 抗干擾性 2 2 步進(jìn)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(yīng)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(dāng)前準(zhǔn)確數(shù)值 然后用被控量的當(dāng)前準(zhǔn) 確數(shù)值和給定的輸入值進(jìn)行對比 將系統(tǒng)誤差及誤差變 化率進(jìn)行模糊化處理 再根據(jù)模糊規(guī)則推理 18 對PID 參數(shù)進(jìn)行整定 實(shí)現(xiàn)取苗機(jī)械手精準(zhǔn)定位和快速響應(yīng) 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(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可以達(dá)到良好的控制效果 固定參數(shù)PID控制依賴精確的數(shù)學(xué)模型 但實(shí)際作業(yè)環(huán) 境很難用數(shù)學(xué)模型描述 調(diào)節(jié)過程容易出現(xiàn)滯后 超調(diào) 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(chǔ)上 將系統(tǒng)誤差及誤差變化率進(jìn)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(jìn)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(jìn)定位控制系統(tǒng)框圖如圖3 所示 直線編碼器將測得的實(shí)際位移c k 作為控制器的 實(shí)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(jīng)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(jìn)定位控制系統(tǒng)框圖 Fig 3 Block diagram of fuzzy PID step positioning control system 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 24 2 3 模糊PID步進(jìn)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?yàn)?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(shè)計(jì) 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(jīng)驗(yàn)值用模糊規(guī)則來表示 PID參數(shù)整 定是在系統(tǒng)運(yùn)行過程中 不斷檢測誤差和誤差變化率的 關(guān)系 根據(jù)模糊推理原理計(jì)算出3個(gè)參數(shù)的值 再利用 PID控制器進(jìn)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(yùn)用經(jīng)驗(yàn)試湊法 結(jié)合大量試驗(yàn)對取送苗機(jī)械手定 位控制系統(tǒng)輸入輸出進(jìn)行測試 得到最優(yōu)調(diào)整關(guān)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(gè)模糊子集 NB 負(fù)大 NM 負(fù)中 NS 負(fù)小 ZO 零 PS 正小 PM 正中 PB 正大 輸入變量EC劃分為5個(gè)模糊子集 NB 負(fù)大 NS 負(fù)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(jìn)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(jìn)電機(jī) 忽略渦流 損耗和磁滯效應(yīng) 電機(jī)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(jī)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(dòng)勢系數(shù) 為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度 rad Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù) t為時(shí)間 s 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 忽略負(fù)載轉(zhuǎn)矩 可得電機(jī) 的運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)矩系數(shù) 其值等于靜轉(zhuǎn)矩與額定電流的比值 Te為電磁轉(zhuǎn)矩 N m J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 kg m2 為極距角 B為黏滯系數(shù) 以步進(jìn)電機(jī)角位移為控制量 0為目標(biāo)值 1為控 制量 則角度誤差 0 1 當(dāng) 0即沒有角度偏差時(shí) 控制效果最優(yōu) 設(shè)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(dāng) 0時(shí)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(dǎo)數(shù) 并帶入d dt 設(shè) 1為 電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)過的角速度 0為目標(biāo)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(jìn)行拉氏變換 并設(shè) 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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)參數(shù)代入式 20 得到步進(jìn) 電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)將角位移轉(zhuǎn)化為橫向和縱向直線位移 比例模塊采 用經(jīng)驗(yàn)傳遞函數(shù)G2 s 8 減速器為比例模塊 其經(jīng)驗(yàn)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(zhuǎn)化為電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由以上控 制模塊構(gòu)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(jìn)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(jìn)電機(jī)系統(tǒng)模型 通過MATLAB的 Simulink仿真模塊建立整排取苗機(jī)械手步進(jìn)電機(jī)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(jī)構(gòu)步進(jìn)定位控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)代入 Simulink仿真平臺(tái) 構(gòu)建如圖4所示的PID步進(jìn)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(jìn)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(jìn)電機(jī)傳遞函數(shù) G2為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jìn)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(shí)輸入單位階躍信號 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 選取PID參數(shù)初值為KP 5 KI 10 KD 1 系統(tǒng)仿真時(shí) 間為3 s 采用固定參數(shù)PID控制實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)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(diǎn)出現(xiàn)超調(diào) 超調(diào)量為18 從0 275 s B點(diǎn) 開始上升 在1 89 s D點(diǎn) 達(dá)到穩(wěn)態(tài) 系統(tǒng)存在超調(diào)且響應(yīng)速度較慢 因此需要調(diào)節(jié)PID控制 參數(shù)初值對控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化 根據(jù)參數(shù)優(yōu)化規(guī)則 28 29 通過經(jīng)驗(yàn)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(diào) 在0 115 s B點(diǎn) 開始 上升 在0 285 s C點(diǎn) 達(dá)到穩(wěn)態(tài) 對比2組PID控制 仿真結(jié)果可知 優(yōu)化PID控制參數(shù)后 系統(tǒng)無超調(diào) 上 升時(shí)間減少58 響應(yīng)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(jī)構(gòu)步進(jìn)定位控制系統(tǒng)的各傳遞函數(shù)輸入 到Simulink 仿真平臺(tái) 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(tái)相連接 得到模糊PID步進(jìn)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(shí)輸入單位階躍信號 并根據(jù) 模糊PID步進(jìn)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(shí)間為3 s 由圖8可知 在0 097 s B點(diǎn) 開始上升 在0 25 s C點(diǎn) 達(dá)到穩(wěn)態(tài) 與固定參數(shù)PID 控制相比 上升時(shí)間減少15 7 達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間減少 12 3 系統(tǒng)響應(yīng)速度更快 模糊PID控制下系統(tǒng)無超調(diào) 表明系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng) 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(diào)即穩(wěn)定性好 上升時(shí)間短 響應(yīng)速度快 有利 于系統(tǒng)精確定位 30 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 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(jìn)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(dòng)信號下的系統(tǒng)建模與仿真 在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中 大田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜 取苗機(jī)構(gòu) 受外界環(huán)境影響 系統(tǒng)的控制性能降低 導(dǎo)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(dòng)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(jìn)行聯(lián)合仿真 得到擾動(dòng) 條件下的步進(jìn)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(shí)輸入單位階躍信號 擾動(dòng)信 號為由信號源Signal Generator產(chǎn)生的幅值為0 4 頻率為 50 Hz的sawtooth信號 在t 1 s時(shí)加入系統(tǒng) 在t 1 3 s 時(shí)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(dòng)信號下的控制系統(tǒng)仿真波形 如圖10所示 系 統(tǒng)仿真時(shí)間為2 s 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后 在t 1 s時(shí)加入擾 動(dòng)信號 由圖10可知 在t 1 005 s時(shí) 2條控制曲線均 開始發(fā)生變化 PID控制曲線升高到點(diǎn)A 1 005 0 014 4 模糊PID控制曲線升高到點(diǎn)B 1 005 0 014 加入擾 動(dòng)信號后 PID控制的超調(diào)量為43 模糊PID控制的 超調(diào)量為40 注 Signal generator為擾動(dòng)信號發(fā)生器 1表示在1 s時(shí)加入擾動(dòng)信號 1 3表示在1 3 s時(shí)撤除擾動(dòng)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(dòng)的步進(jìn)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(dòng)的步進(jìn)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(shí)撤除擾動(dòng)信號 PID控制曲線在1 45 s D 點(diǎn) 達(dá)到平穩(wěn) 模糊PID控制曲線在1 34 s C點(diǎn) 達(dá)到 平穩(wěn) 對抗干擾 模糊PID控制的響應(yīng)速度提高7 6 僅用0 04 s就回到穩(wěn)態(tài) 而PID控制經(jīng)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(yīng)速度快 具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性 更適合在實(shí)際環(huán)境中作業(yè) 4 定位控制試驗(yàn) 定位控制試驗(yàn)于2019年10月在石河子大學(xué)機(jī)械電 氣工程學(xué)院精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)裝備試驗(yàn)室進(jìn)行 試驗(yàn)采用課題組 自制的整排夾取式試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行控制精度的測試 試驗(yàn)臺(tái) 參數(shù)如表3所示 表3 試驗(yàn)臺(tái)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(diǎn)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(jìn)行測試和驗(yàn)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(yàn)臺(tái)上驗(yàn)證整排取苗機(jī)械手橫向位移 的定位效果 試驗(yàn)測試平臺(tái)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(jī)械手從初始位置橫向 運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)整排取苗機(jī)械手逐行取苗和定點(diǎn)送苗 接苗 帶與苗盤第一行中點(diǎn)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(jī)械手水平移動(dòng) 到達(dá)第一行取苗位置 待取苗完成控制機(jī)械手返回初始 位置進(jìn)行放苗 第二次控制機(jī)械手水平移動(dòng)147 mm到達(dá) 第二行取苗位置 即在上一次位移距離基礎(chǔ)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(jī)械手每次的取送苗位移都比上一次增加一個(gè)行距 32 mm 因此以32 mm作為標(biāo)準(zhǔn)位移 整排取苗機(jī)械 手的橫 縱向取送苗移動(dòng)示意圖如圖11b所示 注 圖中箭頭表示機(jī)械手水平移動(dòng)方向 Note The arrows in the figure indicate the direction of horizontal movement of the manipulator 圖11 試驗(yàn)平臺(tái)及機(jī)械手水平移動(dòng)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(jī)械手從初始位置橫 向移動(dòng) 進(jìn)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(jì)算得出 并以此作為基準(zhǔn)值 分別通過 PID控制和模糊PID控制方法對機(jī)械手的8次移動(dòng)距離 進(jìn)行測試 檢測每一次位移值和基準(zhǔn)位移的差值 差值 越小說明定位精度越高 在程序中設(shè)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(shí)修正 實(shí)現(xiàn)逐行精準(zhǔn)定位 通過2種控制算法分別 控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整排取苗機(jī)械手進(jìn)行水平方向運(yùn)動(dòng) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2020年 28 運(yùn)用10分度的游標(biāo)卡尺測量每次機(jī)械手的實(shí)際位移 比 較不同控制算法下每一次實(shí)際位移與基準(zhǔn)位移的差異 Ea X T 24 100 ar EE T 25 式中T為標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械手水平運(yùn)動(dòng)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(jì)算2種算法下的定位平均相對誤差 結(jié)果如表5所示 表5 不同控制方法的機(jī)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(yàn)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