蔬菜工廠化生產自動移苗設備控制系統設計研究

顧小小，李 偉，解安東，朱春燕，李長興，俞志軒

（1.上海市農業機械研究所，上海市 201106；2.安徽工業大學智能裝備技術研究院，安徽馬鞍山 243002）

0 引言

移栽是蔬菜工廠化生產重要環節。L.J.Kutz等[1]設計研發應用到苗圃植物移栽的機器人。Takashi等[2]發明了一套自動化移栽系統。Ting等[3]研制帶夾持器的移栽機器人。荷蘭、美國、韓國等研制了多種高效大型缽苗移栽機[4]。國內相關研究起步較晚，范云翔等[5]研制出空氣整根營養缽苗全自動移栽機。田素博等[6]設計了一種穴盤苗移栽機械手結構，開發了基于PLC的控制系統。總體而言，國外移苗機成套設備體積大，結構復雜[7]，國內相關裝備自動化程度低、成本高[8]，均無法較好地適應我國實際生產需求。本文針對一款移苗設備，研究機-電-氣相結合的驅動控制技術，實現輕載、高速、高精度自動移苗。

1 整機結構

設計一款從96穴育苗盤移苗到8穴種植盤的自動移苗設備（圖1），包含種植盤庫機構、轉接臺、桁架直線模組、育苗盤輸送線和抓取裝置等，其工藝流程如圖2。

圖2 系統工藝流程圖

2 控制系統設計

2.1 硬件設計

桁架機械臂控制部分的硬件主要包含交流伺服電機（驅動機械臂沿XYZ軸運動）、伺服驅動器、PLC、空壓機、夾爪氣缸、觸摸屏、傳感器（接近開關傳感器和光電傳感器）。轉接臺控制部分的硬件主要包含PLC、交流電機、氣缸和反射型光電開關。無線測控網絡主要包括了觸摸屏、相關的組態軟件、人機界面、無線數據終端等。

2.2 軟件分析

水平重復定位精度直接關系到夾取種植杯的成功率，控制算法需保證機械臂水平方向定位精度。水平方向上伺服電機通過X軸、Y軸直線模組帶動機械臂，運用自適應模糊PID控制算法來實現機械臂水平伺服定位的控制。垂直方向上伺服電機通過Z軸直線模組帶動機械臂，垂直定位使用由編碼器構成的閉環控制系統來實現。

PLC通過伺服驅動器控制伺服電機，將PLC發出的脈沖數轉換為電機轉動角度，再通過同步帶傳動機構，將伺服電機轉動角度轉換為桁架直線模組的進給距離；可編程控制器發出從原點位置到理論取苗位置所需的理論脈沖數，桁架直線模組移動機械臂到目標取苗位置。機械臂同時對育苗盤輸送線上移栽定位處的2個育苗盤進行取苗，每個機械臂每次夾取一行4個種植杯并完成移栽后，桁架直線模組就會驅動機械臂向前平移1個穴盤孔的間距（45 mm），直至移取完育苗盤12行種植杯。機械臂進給距離L與可編程控制器發出的脈沖數N的關系為：

PID控制器及模糊控制器共同組成了自適應模糊PID控制器，可在線調整PID控制器的比例Kp、積分Ki、微分Kd等參數。為提高控制系統的定位精度，在不同的誤差e和誤差變化率ec下選擇不同的PID參數。

根據簡單閉環伺服定位系統的控制結構，得水平定位控制系統的傳遞函數。通過建立伺服電機的轉矩電流方程、電機運動方程、反電動勢關系式和等效電路方程等數學模型，分析計算此類伺服電機的傳遞函數。

利用Matlab/Simulink平臺，構建控制系統仿真模型。當伺服電機輸入額定轉速取3 000 r/min時，仿真結果如下。由圖3可知，當0.2 s時刻給定轉速3 000 r/min，兩者達到穩態的響應時間基本相同，但自適應模糊PID控制無超調，在最短時間內更平緩地達到穩態，具有較好的控制效果。

圖3 額定轉速下仿真曲線圖

3 運行試驗

利用秒表對移苗設備的執行情況做連續觀測，由表1可知，隨著脈沖參數提升，移栽速度幾乎呈線性上升，在80 000調速脈沖值下，移栽速度最快，平均可達90棵/min。所有調速脈沖值下平均移栽成功率為97.27%。移栽成功率與移栽速度之間沒有顯著相關性，在60 000調速脈沖值下，移栽成功率最高。移苗設備在不同調速脈沖值參數下，整體運行速度穩定，各傳動機構運行平穩，移栽效果良好。

表1 不同調速脈沖參數值下平均移栽速度及移栽成功率測試結果表

4 結語

根據蔬菜工廠化生產實際作業需求，對一款從96穴育苗盤移苗到8穴種植盤的自動移苗機的控制系統進行軟硬件設計。該設備控制系統實現對育苗盤、種植盤的位移與定位，機械臂和夾爪的運動與夾取等控制。運用自適應模糊PID控制算法來實現抓苗機械水平伺服定位的控制，使用由編碼器構成的閉環控制系統來實現垂直定位。建立自適應模糊PID控制器系統仿真模型，當0.2 s時刻給定轉速3 000 r/min，自適應模糊PID控制無超調，在最短時間內更平緩地達到穩態，有更好的控制效果。對整機進行生產性試驗，設備整體運行穩定，定位準確，運動協調可靠。所有調速脈沖值下平均移栽成功率為97.27%。滿足設計要求。