模糊PID控制在辣椒苗取苗手定位的應用

烏魯木齊市博安興業機械制造有限公司 張 博 林菲婷

為有效解決采苗插秧操作過程中采苗機械手迅速定位精度誤差控制導致的精準抓秧采苗操作失敗、傷苗、缺苗等種種問題，實現精準采苗插秧機械手的精準、迅速準確定位。針對采用整排臥式育苗床的試驗室平臺，分析了育苗機械手在頭部水平和身體垂直兩個方向的移動定位精度以及要求。以兩相混合式交流步進式發電機系統為研究對象，建立了兩相步進式發電機運動角度和速度運動控制系統模型，運用模糊控制，產生了模糊式的PID速度控制器。通過對精度誤差和差異誤差時間變化率的進行在線模擬校正，滿足了不同精度誤差和差異誤差時間變化率下的系統控制仿真要求，并應用matlab/simulink方法進行系統控制仿真，從響應超級可調量、響應持續時間和系統穩定性三個指標角度驗證了系統控制仿真方法的正確可行性。

自動插秧機可以解決勞動力短缺的問題，是未來插秧機的發展方向。整排秧苗可以提高勞作效率。目前，獲得整排秧苗的方法主要有兩種：（1）機械手運動，秧苗托盤采用送料方式。機械手拿到苗子后，利用移動盤子機構同時送料，保證取苗機構的定點使用。（2）秧苗托盤不動，就移動機械手一行一行使用。當機械手在水平和垂直方向上移動時，需要控制機械手的位姿和速度的快慢。氣動系統和電伺服系統為目前來實現采苗的動作的主要研究方向。采用穴盤頂式取苗桿將放在穴盤位置中的尚未成熟種排苗全部推出。魏新華等新型設計的全自動臥式插秧機通電控制切斷系統，采用plc與切斷繼電器驅動相結合，通過自動控制切斷繼電器的通電中斷，實現移栽機動作的協調控制。通過對各種整排水果采摘采用機械臂和手定位驅動控制系統的模擬建模，對各種整排水果采摘采用機械手的自動定位響應控制驅動系統功能進行了模擬仿真和自動測試，以利于實現了對整排水果采摘采用機械手的自動精確定位和快速自動響應，提高系統抗干擾能力。

1 取苗機構精度分析

1.1 取苗機構結構

取苗機構由取秧機架、取苗器和機械手、水平運行軌道、垂直運行軌道、接苗操作帶、供水取苗操作平臺、秧盤等等組成。在新疆，盆栽植物育苗的托盤一般都會采用128孔(16排8列)。整個塑料托盤長512mm，寬256mm，高50mm。孔的形狀類似于金字塔形，孔的尺寸為32mm×32mm，相鄰孔中心距32mm，孔上側32mm，下側15mm，深度50mm。接苗方式是先讓托盤不動，移動接苗機器人。整個采苗機械手的運動方式分為水平運動和垂直運動，分別是讓步進式發電機進行控制。系統的定位精度由助力機構的精度和動力系統精度決定。水平方向的步進電機運動控制的是整排采苗機械手的水平步進運動，其精度直接決定機械手是否能夠精確地水平移動到每一排。垂直方向的電機控制系統控制的整排整列采用機械手菜苗的上下運動，水平和橫向垂直排水定位的安全準確性確定是保證整排排水秧苗成功的重要關鍵。

1.2 取送苗運動控制精度分析

控制采苗系統首先是在控制好一整排盆栽采苗后用機械手向第一排中的盆栽花在苗的頂端水平平行運動，然后通過一條垂直線的運動平行拾取第一排中的盆栽苗，然后通過水平平行移動到一個接苗塑料帶上進行放置采苗，完成對成排盆栽苗的采摘和送苗。之后，整排上的采苗苗由機械手動成水平面地移動到第二排上的盆栽和放苗的指定位置上并夾緊第二排上的盆栽苗，然后自動返回一個接苗的地帶進行放苗。在此播種過程中，苗盤擺放位置不自由移動，整排送種采苗均由機械手自動進行逐排送種采苗和按時定點有序送種采苗。機械手的每一個方向移動點的位移都比前一個位移增加了這一行動的間距，即32mm。同樣，秧苗放置過程的位移也增加了一行間距。

1.3 驅動電機

整排列車采苗采用機械手驅動進行間歇定位運動和步進定位，步進驅動電機將電脈沖加速轉換成稱為角位移，步進驅動電機的橫向轉速和角位移是通過控制一個輸入輸出電脈沖的橫向頻率和電流數量；可以控制一個整排辣椒秧苗機械手的運動速度、位置和旋轉方向。步進電機參數如表1所示。

表1 步進電機參數

2 模糊PID系統建模

閉環步進定位控制系統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。系統框圖如圖1所示。

圖1 閉環步進定位控制系統框圖

2.1 步進定位控制系統精度分析

步進驅動控制系統為施肥取苗步進機械手的主要動力來源，秧苗插苗步進機械手可以通過步進驅動電機工作同軸運作的電動減速器機構進行運動。由于采用整個一條線取樣編苗器對機械手長度的運動最長位移距離精度為16×32=512mm，所以應該在位移精度傳感器中應選測量最長距離為600mm，線性測量精度范圍為0.01%(原值即0.01mm)的整排直線位移編碼器(適用型號:mps-s-v)。控制器可以通過對機械位移測量誤差和運動誤差值的變化率及時進行修正，來大大減小位移誤差，提高機械位移測量精度。

2.2 步進定位控制算法

在工作環境多變、線性誤差大的情況下，固定參數PID控制難以滿足控制精度、響應速度和抗干擾能力的要求。因此，在固定參數PID控制中加入了模糊控制的思想控制器首先自動獲得每個被控器測量的當前準確誤差值，然后將每個被控器測量的當前準確誤差值與當前給定的系統輸入值誤差進行精確比較，模糊系統誤差和給定誤差值的變化率，然后根據模糊計算規則中的推理準確調整出了pid兩個參數，實現了數控機械手的自動精確定位和快速自動響應。提出了一個固定值的參數算法pid控制算法：

式中u(k)為系統輸出，誤差累積，為誤差變化率。kp為比例系數為積分系數，k1為微分系數，KD通過對這三個控制參數的頻率實時控制調整，可以同時達到很好的實時控制頻率效果。定時器參數pid自動控制系統依賴于精確的系統數學物理模型，但實際中的運行調節回路難以用精確數學物理模型準確描述，調節回路過程容易導致出現運行滯后、超時解調和高頻率的干擾，影響控制系統的運行穩定性。

2.3 模糊PID步進定位控制器

模糊控制規則設計：

PID在線參數誤差整定技術是在系統正常運行管理過程中不斷自動檢測系統誤差與在線誤差參數變化率的相互關系，根據模糊推理計算原理自動計算并得出三個在線參數的誤差值，然后用新的pid參數控制器自動進行系統在線參數校正，使在線控制管理系統獲得最佳的在線控制系統性能。采用大量經驗分析試錯的方法和大量相關實驗資料對一臺采用變送器和機械手臂的定位自動控制檢測系統的自動輸入端和輸出性能進行了實驗測試。得到了最優化的調節模糊關系，建立了模糊控制處理規則。將兩個輸入模糊變量參數e和輸出量參數分別劃分而成為7個模糊離散子集，建立了模糊子集規則的列表。

采用一個j-5718hb2401兩相混合式交流步進驅動電機，忽略渦流損耗和磁滯運動效應，電機運動平衡阻力方程的解如式(2)～(3)所示。

通過驅動電機齒輪驅動將角位移驅動轉換器分為直到橫向和直至縱向的兩種直線式角位移。比例控制模塊最初采用時的經驗傳遞函數值為g2(s)=8，減速器為一個比例控制模塊，其中的經驗傳遞函數值為g3(s)=0.25。

3 步進定位控制系統仿真分析

PID制系統建模及仿真分析:

針對所需要建立的一個步進驅動電機仿真系統控制模型，通過一個matlab的musimulink輸入仿真系統模塊設計建立了用于整排一個采苗小型機械手動式步進驅動電機的mupidk的控制輸入仿真系統模型，并以一個幅值大小為1的單位步進電機信號作為電機系統控制輸入。將被控摘穗育苗種植機構系統步進自動定位系統控制仿真系統各操作環節的傳遞函數模型代入一個simulink控制仿真參數平臺，建立一個pid機構步進自動定位系統控制仿真系統的各個仿真參數模型，如軟件圖4所示，并通過系統仿真參數分析方法調整每個被控種植對象的各個pid仿真參數。

圖4 加入擾動的步進定位控制系統仿真模型

仿真操作過程設計如下：在參數t=0時系統輸入一個單位位的階躍驅動信號，根據仿真經驗結果選擇三個pid驅動參數的初始模擬值為，即kp=5、ki=10、kd=1，系統模擬仿真運行時間為3s，采用固定驅動參數pid驅動控制系統實現了對步進減速電機轉動角度和速度的同步反饋驅動控制。仿真后的波形如模型圖5和波形圖6所示。從設計圖5可以清楚看出，系統在點的c和d點內部有過激緩沖，過激脈沖為15%，從0.275s(b和c點)迅速上升到1.72s(d點)上并達到了平穩態。由于控制系統本身存在電源超載失調和電源響應速度慢的復雜問題，需要通過不斷調整系統pid兩個控制參數的初始設定值參數來不斷優化電源控制管理系統。

圖5 傳統固定參數PID控制的仿真波形

圖6 優化后的傳統PID控制仿真波形

本文研究通過用于整排手工摘秧和機械手的人體定位自動控制系統設計模型的比較，采用固定定位參數下的PID定位控制。

本文就自動模糊PID自動控制系統方法成功實現了一個整排原秧苗采苗車和機械手的自動精確定位，并據此建立了一套自動控制管理自動系統。采用一臺步進控制減速電機及其減速驅動器、減速機、編碼器、限位控制開關、行程開關等部件組成一套步進減速電機自動定位系統控制傳動系統，建立了定位系統傳遞函數。在固定控制參數中的pid中的控制中心還加入模糊控制規則，提高了系統的自動抗干擾能力。