基于模糊PID的禽蛋抓取測控系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的研究

摘要：設(shè)計了基于單片機(jī)的禽蛋抓取控制系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)，運(yùn)用ＰＩＤ控制技術(shù)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了算法設(shè)計，將ＰＩＤ與模糊控制相結(jié)合組成模糊ＰＩＤ控制，基于ＭＡＴＬＡＢ建立了仿真模型并對其仿真結(jié)果進(jìn)行了分析，利用單片機(jī)測控系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞：測控技術(shù)；步進(jìn)電機(jī)；轉(zhuǎn)速控制；模糊ＰＩＤ控制；禽蛋

中圖分類號：ＴＰ２７３＋．４文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）21－4473-04

Study on the Step Motor for Egg-grasping Measurement and Control System based on Fuzzy-PID

ＬＩＵ Ｈａｉ－ｍｉｎｇ１，ＷＵ Ｙｏｎｇ－ｊｉｎ１，ＨＵＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ－ｇｅｎ２，ＨＵＡＮＧ Ｄａ－ｘｉｎｇ３

（１．Ｈｅｙｕａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ， Ｈｅｙｕａｎ ５１７０００， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｊｉａｎｇｘｉ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Sｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ，

Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００４５， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｈａｏgｕａｎ， Ｓｈａｏｇｕａｎ ５１２００５， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｅｇｇ－ｇｒａｓｐｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｅｓｔ ｓｔｕｄｙ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ； ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ； eggs

目前，國內(nèi)主要依靠人工在燈光下觀察或通過有經(jīng)驗(yàn)的工人敲擊禽蛋聽蛋殼發(fā)出的聲音等方法識別、去除破損禽蛋。隨著禽蛋加工業(yè)的發(fā)展，禽蛋生產(chǎn)規(guī)模化及市場化不斷加強(qiáng)，外貿(mào)出口不斷擴(kuò)大，人工分揀方法顯然已經(jīng)不能滿足需要。在國外已實(shí)現(xiàn)了禽蛋自動化的檢測、分級和包裝生產(chǎn)線，其效率和產(chǎn)量達(dá)到了較高的水平。在我國發(fā)展自動化的檢測、分級和包裝操作設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動化、規(guī)模化的生產(chǎn)，可以降低工人的工作強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，降低成本，提高禽蛋的質(zhì)量，有利于提高我國產(chǎn)品出口的競爭力。

以禽蛋在無損檢測時的自動化抓取作為研究目標(biāo)，探索利用機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動化的禽蛋檢測操作。在已建立的單片機(jī)抓取控制系統(tǒng)上［１］對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)智能化、自動化，為禽蛋的自動檢測和分級提供快捷簡便的操作平臺。

１系統(tǒng)硬件優(yōu)化設(shè)計

文獻(xiàn)［１］對禽蛋抓取控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了設(shè)計，為了使系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，先對接近開關(guān)的電路和電磁閥控制電路進(jìn)行設(shè)計。

１．１接近開關(guān)的電路設(shè)計［２］

系統(tǒng)使用的是南旭公司的ＳＴ１６８紅外光電速度傳感器，由一個高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，其結(jié)構(gòu)見圖１。其工作原理是：在傳感器前面沒有遮擋的時候，紅外光電二極管發(fā)射出去的紅外光不能返回為光敏三極管接受，三極管截止，兩端電壓為４．９９ Ｖ；當(dāng)有遮擋的時候，光敏三極管接受到反射過來的紅外光，使三極管導(dǎo)通，ＥＣ兩端電壓為０．１４ Ｖ。根據(jù)這個原理，當(dāng)傳感器距離禽蛋的距離小于１ ｃｍ時，在ＥＣ兩端就會相繼產(chǎn)生０．１４ Ｖ的低電平，Ｃ端與單片機(jī)ＩＮＴ０端口連接。Ｃ輸出低電平時，單片機(jī)就執(zhí)行中斷程序?qū)ⅲ校玻翱谠O(shè)置為高電平。

１．２電磁閥控制電路設(shè)計

電磁閥控制電路主要由三極管、繼電器、電磁閥構(gòu)成，系統(tǒng)采用Ｑ２３ＸＤ電磁閥，屬于常閉型號，驅(qū)動電壓為２４ Ｖ，其結(jié)構(gòu)見圖２。當(dāng)電磁閥上電時導(dǎo)通，吸盤內(nèi)氣壓與大氣壓相同；當(dāng)電磁閥失電時關(guān)閉，吸盤內(nèi)氣壓在真空泵作用下降低，此時吸盤與禽蛋接觸時就可以在大氣壓的作用下將禽蛋吸起。繼電器工作電壓為１２ Ｖ，通過９０１４控制繼電器的工作。電磁閥由Ｚ軸控制器控制，當(dāng)接近開關(guān)探測到禽蛋時向ＩＮＴＯ口發(fā)送一個低電平，中斷程序?qū)ⅲ校玻翱谠O(shè)置為高電平。當(dāng)Ｐ２．０為高電平時，通過光電隔離器輸出基電流，三極管集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，繼電器線圈上電，產(chǎn)生電磁力將觸點(diǎn)從２４ Ｖ位置變換到ＯＶ位置，電磁閥由上電狀態(tài)變?yōu)槭щ姞顟B(tài)，吸盤就可以取蛋。

２步進(jìn)電機(jī)模糊ＰＩＤ控制

２．１ＰＩＤ調(diào)節(jié)算法模型［３］

步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)行過程中大部分時間處于勻速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此應(yīng)對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，本研究先運(yùn)用ＰＩＤ控制技術(shù)對轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，來分析ＰＩＤ控制系統(tǒng)的性能是否滿足系統(tǒng)要求。傳統(tǒng)ＰＩＤ控制系統(tǒng)原理框圖如圖３所示。

ＰＩＤ控制器是一種比例、積分、微分并聯(lián)控制器，它是廣泛應(yīng)用的一種控制器。其數(shù)學(xué)模型可以用下式表示［２］：

Ｐ（ｔ）＝Ｋｐ［e（ｔ）+■∫e（ｔ）ｄｔ＋ＴＤ■］（１）

式中，Ｐ（ｔ）為調(diào)節(jié)器的輸出信號；ｅ（ｔ）為調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差；Ｋｐ為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；TI為調(diào)節(jié)器的積分時間；ＴＤ為調(diào)節(jié)器的微分時間。由于計算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算控制量。因此，必須首先對上式進(jìn)行離散化處理，則可得到離散的ＰＩＤ表達(dá)式：

Ｐ（ｋ）＝Ｋｐ｛ｅ（ｋ）＋■■Ｅ（ｊ）＋■［Ｅ（ｋ）－

［Ｅ（ｋ-1）］｝ （２）

式中，Ｔ為采樣周期，必須足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；Ｅ（ｋ）為第ｋ次采樣時的偏差值；Ｅ（ｋ－1）為第ｋ－１次采樣時的偏差值；ｋ為采樣序號，ｋ＝０，１，２，３；Ｐ（ｋ）為第ｋ次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。

２．２ＰＩＤ控制的優(yōu)化

基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析［４］，首先建立其數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)由ＰＩＤ控制器、步進(jìn)電機(jī)及轉(zhuǎn)速反饋組成，其中ＰＩＤ控制器由Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱提供。由于步進(jìn)電機(jī)存在多變量、非線性、強(qiáng)耦合等復(fù)雜影響因素，很難建立系統(tǒng)的精確模型，采用傳統(tǒng)ＰＩＤ控制器，難以獲得滿意的控制效果。當(dāng)參數(shù)變化超過一定的范圍時，系統(tǒng)性能就會明顯變差，致使ＰＩＤ控制難以達(dá)到系統(tǒng)所需要的要求。為克服傳統(tǒng)ＰＩＤ控制的不足，提高其適應(yīng)能力，利用模糊控制與ＰＩＤ控制策略相結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化控制。

２．２．１模糊ＰＩＤ控制器設(shè)計模糊ＰＩＤ控制器由模糊控制器和ＰＩＤ調(diào)節(jié)器構(gòu)成，模糊控制器的輸入變量為偏差ｅ和偏差變化率ｅｃ，輸出變量為ＰＩＤ控制器的３個參數(shù)ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ或ＰＩＤ控制器的參數(shù)增量⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ。它首先進(jìn)行模糊化計算，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行邏輯推理和判決，得到3個輸出變量ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ（或⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ）。原理如圖４所示。

２．２．２模糊ＰＩＤ控制器的設(shè)計步驟①確定模糊控制器的輸入、輸出變量，從而也就確定了模糊控制器的維數(shù)。一般輸入變量取系統(tǒng)的偏差和偏差變化率兩個輸入變量，選取ＰＩＤ控制器參數(shù)的ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ（或⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ）為3個輸出變量。②根據(jù)實(shí)際要求確定各個輸入、輸出變量的變化范圍，然后確定它們的量化等級、量化因子、比例因子。③在每個變量的量化論域內(nèi)定義模糊子集：首先確定模糊子集的個數(shù)和每個模糊子集的語言變量，然后為各語言變量選擇隸屬度函數(shù)。④確定模糊控制規(guī)則：這個過程是將操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)得出的許多條模糊條件語句的集合，確定模糊控制規(guī)則的原則是要保證控制器的輸出能夠使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動、靜態(tài)性能達(dá)到最佳。⑤制定模糊控制表。根據(jù)上面的模糊控制規(guī)則和已經(jīng)確定的輸入、輸出變量求出模糊控制器的輸出，這些輸出值是ＰＩＤ控制器參數(shù)的調(diào)整量，把它們與輸入量在一個表中按一定關(guān)系列出就構(gòu)成了模糊控制表。ＰＩＤ 3個參數(shù)一般是獨(dú)立調(diào)整，所以有3個模糊控制表。⑥把采樣得到的偏差、偏差變化率經(jīng)過②③步以后，代入到模糊控制規(guī)則表，得出新的ＰＩＤ參數(shù)，再經(jīng)過ＰＩＤ算法計算出最后的輸出量，即系統(tǒng)的控制量。⑦根據(jù)仿真效果或試驗(yàn)結(jié)果分析模糊ＰＩＤ的控制性能，再對量化因子和比例因子進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到理想的控制效果。

２．２．３隸屬度函數(shù)選擇和確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)就是確定控制器的輸入變量與輸出變量，它是設(shè)計模糊控制器的第一步。根據(jù)本課題的特點(diǎn)，控制器的設(shè)計采用二維模糊ＰＩＤ控制器，輸入量為轉(zhuǎn)速的偏差ｅ和偏差變化率ｅｃ，輸出量為⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ。對于系統(tǒng)響應(yīng)的誤差Ｅ、誤差變化率ＥＣ分別具有一定的變化范圍，將其變化范圍分別定義為Ｆｕｚｚｙ集上的論域。

E、EC的模糊論域和量化因子分別為：Ｅ＝［－６，

＋６］，量化因子Ｋｅ＝１／２５；ＥＣ＝［－６，＋６］，量化因子Ｋｅｃ ＝１／２．５；⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ的模糊論域分別為：⊿ＫＰ＝［－３，３］；⊿ＫＩ＝［－３，３］；⊿ＫＤ＝［－３，３］。ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ的比例因子分別設(shè)為５０、５、５。在調(diào)試過程中，可以通過觀察系統(tǒng)的運(yùn)行性能來修改量化因子和比例因子。

各變量的模糊子集分別為：Ｅ、ＥＣ、⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ＝｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｏ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝；各變量的隸屬度函數(shù)均為三角形，各變量的隸屬函數(shù)如圖５所示。

根據(jù)上述ＰＩＤ參數(shù)的作用以及在不同的偏差及偏差變化下對ＰＩＤ參數(shù)的要求，給出ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ 3個參數(shù)整定的初始模糊控制表（表１）。

得到ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ三者的調(diào)整規(guī)則后，根據(jù)模糊理論進(jìn)行算法合成，求得相應(yīng)ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ的控制表。

利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ進(jìn)行仿真，對傳統(tǒng)ＰＩＤ控制器與模糊ＰＩＤ控制器控制電機(jī)性能比較分析。其仿真結(jié)果如圖６所示。從圖６的仿真結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)ＰＩＤ系統(tǒng)的響應(yīng)速度相對模糊ＰＩＤ控制器快，但出現(xiàn)了很大的超調(diào)現(xiàn)象，并在目標(biāo)值出現(xiàn)上下波動，這種現(xiàn)象在控制過程中是不允許的。模糊ＰＩＤ控制系統(tǒng)在穩(wěn)定性方面優(yōu)于傳統(tǒng)的ＰＩＤ控制系統(tǒng)，所以采用模糊ＰＩＤ控制系統(tǒng)是可行的。

３試驗(yàn)與分析

系統(tǒng)采用光電編碼器對步進(jìn)電機(jī)的定位和轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋，通過記錄編碼器輸出的脈沖數(shù)得出步進(jìn)電機(jī)的定位點(diǎn)，與設(shè)定值比較可以得出定位精度的誤差。由于條件所限，步進(jìn)電機(jī)的定位點(diǎn)以步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的步數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)。通過記錄單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)可以得出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，需要測出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)時間［５］。

步進(jìn)電機(jī)在單片機(jī)控制下按照給定的步數(shù)轉(zhuǎn)動，編碼器將步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的步數(shù)反饋給單片機(jī)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)到達(dá)給定值時，單片機(jī)停止步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。在試驗(yàn)過程中，設(shè)定了兩個步數(shù)給定值５０ ０００和６ ０００，分別代表了長距離和短距離的定位。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表２所示，可以看出步進(jìn)電機(jī)控制時偏差絕對值最大為５３個脈沖步數(shù)，采用閉環(huán)控制定位精度可以滿足實(shí)際要求。

４小結(jié)

利用電子技術(shù)及控制原理對原來的測控系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，試驗(yàn)結(jié)果分析可得：基于模糊ＰＩＤ進(jìn)行設(shè)計的新系統(tǒng)定位性能更好，步進(jìn)電機(jī)的定位精度在新型控制策略下得到顯著提高。模糊ＰＩＤ調(diào)速算法設(shè)計合理，控制策略達(dá)到了測控系統(tǒng)的設(shè)計要求，在計算機(jī)數(shù)學(xué)模型仿真中的結(jié)果與實(shí)際調(diào)速響應(yīng)曲線較一致，步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)近似于一階系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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