番茄钵苗整排取苗手定位的模糊PID控制.pdf

第36卷 第8期 农 业 工 程 学 报 Vol 36 No 8 2020年 4月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr 2020 21 番茄钵苗整排取苗手定位的模糊PID控制 任 玲 王 宁 曹卫彬 李江全 叶星晨 1 石河子大学机械电气工程学院 石河子 832003 2 农业农村部西北农业装备重点实验室 石河子 832003 摘 要 为解决自动移栽机作业过程中由于机械手定位误差导致的抓取失败 伤苗及漏苗问题 实现整排取苗机械手准 确快速定位 该文采用模糊PID控制算法实现自动取苗机械手的步进定位控制 根据整排取苗试验平台分析了机械手水 平和竖直方向的定位精度需求 以两相混合式步进电机为对象建立步进电机角速度控制模型 设计模糊规则 建立模糊 PID 控制器 通过对误差及误差变化率的在线修正 来满足不同误差和误差变化率情况下的控制要求 应用 MATLAB Simulink进行系统仿真 从超调量 响应时间和稳定性指标验证了控制方法的可行性 以单位阶跃信号作为激 励 分析PID和模糊PID的控制效果 结果表明 通过固定参数PID仿真分析 获得系统最优PID参数为KP 20 KI 0 2 KD 1 达到稳态所需的时间为0 285 s 在此参数下 模糊PID控制达到稳态所需时间为0 25 s 响应速度优于固定参数 PID控制 系统无超调 固定参数PID和模糊PID控制加入扰动后的控制效果分析表明 模糊PID控制系统超调量为40 达到稳态所需时间为1 34 s 均明显小于固定参数PID控制43 和1 45 s 表明模糊PID在具有扰动的环境中控制效果明 显优于固定参数PID控制 步进电机系统快速响应 控制稳定 系统试验结果 模糊PID控制算法的最大误差为2 8 mm 定位平均相对误差为0 81 定位准确度高 可以满足机械手水平定位精度要求 关键词 农业机械 控制 定位 模糊PID 钵苗 整排取苗 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2020 08 003 中图分类号 S223 92 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2020 08 0021 10 任玲 王宁 曹卫彬 等 番茄钵苗整排取苗手定位的模糊PID控制 J 农业工程学报 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 全自动移栽机能够解决劳动力不足 作业效率低等 问题 认为是移栽机最终发展方向 1 2 新疆地区大面积 种植番茄并采用钵苗移栽的种植模式 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种 1 机械手移动同时苗盘配合进给模式 机械手 抓取一整排钵苗后 配合移盘机构同步进给 才能保证 取苗机构定点取苗 此种工作方式需要控制苗盘精确进 给 才能保证取苗机构准确抓取 2 苗盘固定 仅移动 机械手逐行取苗 取苗机械手进行水平和竖直2个方向 的运动 需要对机械手进行位置和转速控制 其关键在 于机械手的准确定位 目前研究主要集中在气动系统及电气伺服系统实现 取苗动作 通过不同的控制器实现自动送盘 通过步进 电机驱动穴盘移位机构 实现苗盘自动输送 英国的 Pearson全自动移栽机为排式取苗 通过横 纵向输送及 定位系统控制苗盘位置 采用顶苗杆将穴盘中的苗成排 收稿日期 2019 11 06 修订日期 2020 04 10 基金项目 国家自然科学基金项目 51565048 兵团优秀青年教师项目 CZ027213 自治区研究生创新项目 XJGRI2017056 作者简介 任玲 博士生 副教授 主要从事农业自动化与信息化研究 Email rl mac 通信作者 曹卫彬 博士 教授 博士生导师 主要从事农业机械设计及 自动化技术研究 Email Wbc828 顶出或通过取苗机械手将苗从穴盘中成排取出 3 5 魏新 华等 6 设计的整排全自动移栽机控制系统 采用PLC与 继电器结合 通过控制继电器的通断实现对移栽机动作 的协调控制 其特点是将取苗和投苗动作进行协调控制 但未考虑精度要求和稳定性 胡建平等 7 8 结合旋转托杯 式半自动移栽机 设计了一种可以实现整排取苗的自动 移栽机 通过旋转机械手的方式进行取苗和送苗 此种 方式需要对机械手进行旋转运动控制 其稳定性和工作 效率还有待验证 目前国内对自动移栽机控制系统的研 究多以实现移栽过程自动化为目的 仅对其作业流程进 行控制 未能从取苗机械手运动的平稳性和快速性出发 从控制算法角度提高控制精度和稳定性 王侨等 9 针对顶 苗杆式钵苗自动取苗机构 将模糊PID控制应用在苗盘 输送控制中 实现间歇精确送盘 刘娇娣等 10 将模糊PID 控制算法用在补苗系统中 实现快速准确补苗 以上研 究将模糊PID控制算法应用在自动送盘和自动补苗控制 中 取得了较好的控制效果 由于整排取苗机械手负荷 增加 致使运动过程中出现较大摩擦及振动 存在定位 误差 导致漏苗和伤苗问题 特别对于苗盘固定 仅移 动机械手逐行取苗的工作模式中 机械手每次的位移距 离都是在上次位移的基础上增加一个行距 若每次取苗 都出现较小的位移误差 将会在逐行移动中造成偏差累 积 位移误差逐渐增大 致使机械手在后续取苗中定位 偏差过大 出现抓取失败及伤苗和漏苗的问题 因此对 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 22 于机械手位移误差的及时修正及准确定位是关键问题 本文针对引起整排取苗机械手定位误差的原因 提出 采用模糊PID控制算法实现控制参数的实时调整 通过对 整排取苗机械手驱动系统进行建模 对整排夹取式取苗机 械手的定位控制系统进行仿真分析和试验 以实现整排取 苗机械手准确定位和快速响应 提高抗干扰能力 1 整排取苗装置结构与运动精度分析 1 1 取苗装置总体结构 整排穴盘苗取苗装置由机架 整排取苗机械手 水 平轨道 竖直轨道 接苗带 供苗台 苗盘组成 如图1 所示 新疆地区番茄钵苗育苗苗盘通常采用128穴 16 行8列 整个苗盘长512 mm 宽256 mm 高50 mm 穴孔穴形呈近似四棱台形 苗盘穴口大小为32 mm 32 mm 相邻穴孔中心距为32 mm 穴孔上边长32 mm 下边长15 mm 深50 mm 11 12 取苗方式为苗盘固定 仅移动整排取苗机械手逐行取苗 整排取苗机械手的运动 分为水平方向运动和竖直方向运动 分别由2个步进电机 控制 整个系统的定位精度由控制精度和机构的传动精度 决定 13 水平方向上的步进电机控制整排取苗机械手的水 平运动 其定位精度决定机械手是否准确运动到每行 竖 直方向上的步进电机控制整排取苗机械手的上下运动 其 运动精度决定机械手能否准确插入钵苗基质 水平和竖直 方向的定位准确度是整排取苗能否成功的关键 1 机架 2 水平轨道 3 竖直轨道 4 整排取苗机械手 5 接苗带 6 供苗台 7 苗盘 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 图1 整排取苗装置结构图 Fig 1 Structure diagram of whole row seedling taking device 1 2 取送苗运动控制精度分析 取送苗控制系统首先控制整排取苗机械手水平运动 到第一行钵苗 通过竖直运动夹取第一行钵苗 然后水 平运动到接苗带进行放苗 完成一行钵苗取送 之后整 排取苗机械手水平运动到第二行钵苗位置进行第二行钵 苗夹取 再次返回接苗带进行放苗 在此过程中 苗盘 位置不动 整排取苗机械手进行逐行取苗和定点送苗 机械手每次的运动位移较上一次增加一个行距即32 mm 同样放苗过程的位移也每次增加一个行距32 mm 由直 线编码器检测整排取苗机械手的位移 通过控制器控制 机械手准确移动 1 2 1 水平运动控制精度分析 水平运动使整排取苗机械手从初始位置运动到苗盘 的第一行取苗位置 待取苗完成返回接苗带处进行放苗 根据实际操作经验 取投苗位移在水平方向的最大允许 误差为4 mm 当整排取苗机械手出现水平位移误差时 会使取苗针插入钵苗苗体或者穴盘壁 或与穴盘壁发生 剐蹭 导致钵苗和穴盘损坏或者取苗失败 因此水平位 移误差会使取苗成功率下降 1 2 2 竖直运动控制精度分析 竖直运动决定机械手对钵苗夹取的深度 整排取苗 机械手竖直位移过大会使苗针刺穿穴盘 造成穴盘损坏 位移过小取苗针夹持位置过高 钵苗在运动中脱落 导 致漏苗 为了达到较好的取苗效果 通常以苗针末端在 距离基质顶端35 38 mm的位置为最佳 在取苗针的夹 持末端留有2 3 mm的位置波动余量 因此较为理想的 夹持位置为距离基质顶端32 41 mm处 竖直运动的允 许误差为 41 32 2 4 5 mm 1 2 3 累计误差与重复定位精度要求 完成一盘钵苗的夹取需要水平运动8次 竖直运动 16次 运动位移误差随着往复运动次数的增加逐渐累积 导致机械手逐渐偏离预期位置 完成整盘取苗 取苗机 械手单次水平运动的允许误差为 4 8 0 5 mm 单次竖直 运动的允许误差为 4 5 8 0 563 mm 1 3 驱动电机 整排取苗机械手进行间歇式运动与定位 因此选用 步进电机作为驱动机构 步进电机将电脉冲转换为角位 移或直线位移 通过控制输入电脉冲的频率和数量来控 制步进电机的转动速度和角位移量 通过控制输入电脉 冲的通电相序来控制步进电机的转动方向 因此可实现 对整排取苗机械手的速度 位置和方向进行控制 14 15 根据取苗机械手的运动精度计算得到驱动电机的静 转矩不得低于0 72 N m 因此选择J 5718HB2401型步进 电机 其参数如表1所示 驱动器选择与其配套的DM542 型步进电机驱动器 表1 步进电机参数 Table 1 Step motor parameters 型号 Type 步距角 Step angle 额定电压 Rated voltage V 额定电流Rated current A 电阻 Resistance 电感 Phase inductance mH 质量 Weight kg 静转矩 Static torque N m 转动惯量 Rotary inertia kg cm 2 黏滞系数Viscous coefficient 转子齿数 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控制系统建模 闭环步进定位控制系统由步进电机及其驱动器 减 速器 编码器 限位开关 行程开关等组成 系统框图 如图2所示 第8期 任 玲等 番茄钵苗整排取苗手定位的模糊PID控制 23 图2 闭环步进定位控制系统框图 Fig 2 Block diagram of closed loop stepper positioning control system 2 1 步进定位控制系统精度分析 步进电机为取苗机械手的动力源 取苗机械手通过 与步进电机同轴的减速器驱动 由于整排取苗机械手运 动最长距离为16 32 512 mm 因此位移传感器选取测 量距离为600 mm 线性精度为0 01 即0 01 mm 的直 线编码器 型号 MPS S V 取苗机械手的实际位移 通过直线编码器传输给控制器 控制器通过对位移误差 和误差变化率及时修正 来减小误差 提高位移精度 定位精度计算为 360 Lm n d 1 0 100 2 1 100 aL 3 式中d为步进电机转子齿轮的直径 d 32 mm 为步进 电机的角位移 1 8 n为减速器的减速比 n 10 L为机械手位移的距离 mm 为角位移偏差量 a为系统允许的最大位移误差 mm m为步进电机转动 的步距角个数 0为简单闭环控制系统最大误差率 1为自动取苗控制系统允许的最大位移误差率 由 1 式可得m 637 故步进电机运转的角度为1 146 6 步进电机存在周期性误差 其常规精度为其步距角 的3 5 16 所以一个完整作业过程中 步进电机运 行的最大旋转角度误差 m 5 m 将 以及 m的值代入 2 式得 0 5 10 由式 3 得 1 1 56 因此步进电机允许的最大位移误差率为1 56 由于 0 1 表明简单闭环控制系统无法满足定位精 度要求 且大田作业存在大量非线性干扰 17 因而有必 要通过定位控制算法提高控制系统的定位精度 增强其 抗干扰性 2 2 步进定位控制算法 固定参数PID控制在工作环境多变 有较大线性误 差下很难满足其控制精度 响应速度及抗干扰能力要求 因此将模糊控制思想加入固定参数PID控制中 控制器 先获得被控量的当前准确数值 然后用被控量的当前准 确数值和给定的输入值进行对比 将系统误差及误差变 化率进行模糊化处理 再根据模糊规则推理 18 对PID 参数进行整定 实现取苗机械手精准定位和快速响应 固定参数PID控制算法为 0 d d dkP I Di ekuk Kek K ei i K k 4 式中u k 为系统输出 dei i 为误差累积 d dekk 为误差 变化率 KP为比例系数 KI为积分系数 KD为微分系数 对这3个参数进行实时调节可以达到良好的控制效果 固定参数PID控制依赖精确的数学模型 但实际作业环 境很难用数学模型描述 调节过程容易出现滞后 超调 和高频干扰等问题 从而影响系统稳定性 模糊PID控制算法是在固定参数PID控制算法的基 础上 将系统误差及误差变化率进行模糊化处理 再根 据模糊规则推理 19 20 对PID参数进行整定 其整定公 式为 P P PK K K 5 I I IK K K 6 D D DK K K 7 式中 PK IK DK 分别为PID控制器中的整定参数基值 KP KI KD分别为KP KI KD的在线修正值 取送 苗控制系统的模糊PID步进定位控制系统框图如图3 所示 直线编码器将测得的实际位移c k 作为控制器的 实际值 外部输入给定值r k 得到位置误差e k e k r k c k 以及位置误差经过微分环节后的变化 率 e k e k de k dt 注 e为位置误差 mm de为位置误差变化率 KE和KEC为e和de的量化因子 KP KI KD为比例系数KP 积分系数KI 微分系数KD的在线修正值 E EC为e和de的语言变量 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 图3 模糊PID步进定位控制系统框图 Fig 3 Block diagram of fuzzy PID step positioning control system 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 24 2 3 模糊PID步进定位控制器 2 3 1 输入输出量模糊分布 模糊控制系统的核心是模糊控制器 首先确定模糊 集合 再选取变量的论域 将位置误差e及位置误差变化 率de作为模糊控制的输入变量 21 将比例系数KP 积分 系数KI 微分系数KD的在线修正值 KP KI KD作为 模糊控制器的输出变量 选取输入变量e和de的论域为 6 500 6 500 和 2 700 2 700 输出变量KP KI KD的 论域分别为 20 20 6 6 和 0 5 0 5 输入语言变量E EC和输出语言变量论域分别为 3 3 2 2 和 1 1 可得 1 输入变量e 和de 的量化因子 KE 3 6 500 KEC 2 2 700 1 1 350 2 输出变量 KP KI KD的比例因子 K1 20 1 20 K2 6 1 6 K3 0 5 1 0 5 根据上述条件选择隶属度函数 曲线 其中输入语言变量E和EC选用梯形隶属函数曲线 输出语言变量KP KI KD选用三角形隶属函数曲线 2 3 2 模糊控制规则设计 模糊PID控制器根据误差e和误差变化率de来确 定PID参数值 经验值用模糊规则来表示 PID参数整 定是在系统运行过程中 不断检测误差和误差变化率的 关系 根据模糊推理原理计算出3个参数的值 再利用 PID控制器进行在线修正 从而使控制系统获得最佳的 控制性能 22 24 运用经验试凑法 结合大量试验对取送苗机械手定 位控制系统输入输出进行测试 得到最优调整关系 建 立模糊控制规则 将输入变量E和输出量 KP KI KD 的论域划分为7个模糊子集 NB 负大 NM 负中 NS 负小 ZO 零 PS 正小 PM 正中 PB 正大 输入变量EC划分为5个模糊子集 NB 负大 NS 负小 ZO 零 PS 正大 PB 正 大 并制定模糊规则表 25 27 如表2所示 表2 模糊PID控制规则表 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 步进定位控制系统传递函数建立 采用J 5718HB2401两相混合式步进电机 忽略涡流 损耗和磁滞效应 电机平衡方程如式 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分别为电机的a b电枢电压 V L为电枢 电感 mH R为电枢电阻 ia ib为a b相电枢电流 mA ke为反电动势系数 为转子的机械角速度 rad Nr为转子齿数 t为时间 s 根据步进电机内部结构 忽略负载转矩 可得电机 的运动平衡方程如式 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为转矩系数 其值等于静转矩与额定电流的比值 Te为电磁转矩 N m J为转动惯量 kg m2 为极距角 B为黏滞系数 以步进电机角位移为控制量 0为目标值 1为控 制量 则角度误差 0 1 当 0即没有角度偏差时 控制效果最优 设初始工作电流为I0 两相中心 2处的 角位移量及电流分别为 2 13 0 a ai I i 14 0 b bi I i 15 式中I0为额定电流 mA ia ib分别为a b相电枢电 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 当 0时式 16 简化为 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 对式 17 求一阶导数 并带入d dt 设 1为 电机实际转过的角速度 0为目标角速度 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 对式 18 进行拉氏变换 并设 1dd ts t 可得 2 0 1 0 0 T r T rsJ sB k I N s k I N s 19 对式 19 整理可得步进电机的传递函数G s 为 1 02 0 0 T rT r s k I N JG s s s sB J kIN J 20 将表1中的步进电机参数代入式 20 得到步进 电机角速度的传递函数 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 番茄钵苗整排取苗手定位的模糊PID控制 25 采用型号为DM542型的步进电机驱动器 步进电机 驱动将角位移转化为横向和纵向直线位移 比例模块采 用经验传递函数G2 s 8 减速器为比例模块 其经验传 递函数为G3 s 0 25 直线编码器为比例模块 其传递函 数为G4 s 100 控制量处理器将给定的脉冲值与直线编 码器反馈的位置脉冲量转化为电机实际运动的脉冲数 也为比例模块 其传递函数为G5 s 0 2 由图3可知 取送苗机构的运动控制系统由以上控 制模块构成 其总传递函数为 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 将以上各传递函数参数代入 22 化简可得 2 80 0 27 280 Gs s s 23 3 步进定位控制系统仿真分析 3 1 PID控制系统建模及仿真分析 针对建立的步进电机系统模型 通过MATLAB的 Simulink仿真模块建立整排取苗机械手步进电机的PID 控制仿真模型 以幅值为1的阶跃信号作为系统输入 25 将取苗机构步进定位控制系统的各个环节传递函数代入 Simulink仿真平台 构建如图4所示的PID步进定位控 制系统仿真模型 通过仿真分析 对被控对象的PID参 数进行整定 注 Step为系统输入信号 Integrator为积分器 Derivative为微分器 Add1 为加法器 G1为步进电机传递函数 G2为步进电机驱动器 G3为减速器 G4为直线编码器 G5为控制量处理器 Scope为示波器 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 图4 传统PID步进定位控制系统仿真模型 Fig 4 Simulation model of traditional PID step positioning control system 仿真过程为 在t 0时输入单位阶跃信号 根据经验 选取PID参数初值为KP 5 KI 10 KD 1 系统仿真时 间为3 s 采用固定参数PID控制实现步进电机角速度的 反馈控制 仿真波形如图5所示 由图5可知 系统在C点出现超调 超调量为18 从0 275 s B点 开始上升 在1 89 s D点 达到稳态 系统存在超调且响应速度较慢 因此需要调节PID控制 参数初值对控制系统进行优化 根据参数优化规则 28 29 通过经验试凑法 最终选取KP 20 KI 0 2 KD 1为最 优参数 优化后的仿真波形如图6所示 由图6可知 系统无超调 在0 115 s B点 开始 上升 在0 285 s C点 达到稳态 对比2组PID控制 仿真结果可知 优化PID控制参数后 系统无超调 上 升时间减少58 响应速度提高84 图5 传统固定参数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 图6 优化后的传统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控制系统建模及仿真分析 将取送苗机构步进定位控制系统的各传递函数输入 到Simulink 仿真平台 并输入e 和de 的量化因子 KE 3 6 500 和KEC 1 1 350 将所建立的模糊控制器与 Simulink仿真平台相连接 得到模糊PID步进定位控制 系统仿真模型 如图7所示 仿真过程如下 在t 0时输入单位阶跃信号 并根据 模糊PID步进定位控制系统仿真模型 采用得到的最优 PID参数KP 20 KI 0 2 KD 1 得到模糊PID控制的仿 真波形如图8所示 系统仿真时间为3 s 由图8可知 在0 097 s B点 开始上升 在0 25 s C点 达到稳态 与固定参数PID 控制相比 上升时间减少15 7 达到稳态所需时间减少 12 3 系统响应速度更快 模糊PID控制下系统无超调 表明系统稳定性更强 通过对比模糊PID控制系统和固 定参数PID控制系统的仿真波形可知 模糊PID控制系 统无超调即稳定性好 上升时间短 响应速度快 有利 于系统精确定位 30 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 26 注 Fuzzy logical controller为模糊控制器 K1 K2 K3分别为 KP KI KD的比例因子 Product为乘法器 Integrator为积分器 Add为加法器 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 图7 模糊PID步进定位控制系统仿真模型 Fig 7 Simulation model of fuzzy PID step positioning control system 图8 模糊PID控制仿真波形 Fig 8 Simulation waveform of fuzzy PID control 3 3 扰动信号下的系统建模与仿真 在实际生产应用中 大田作业环境复杂 取苗机构 受外界环境影响 系统的控制性能降低 导致取送苗控 制系统失稳 为了模拟外界因素对控制系统的干扰 在 原有阶跃信号中加入扰动信号 并将固定参数PID控制 系统与模糊PID控制系统模型进行联合仿真 得到扰动 条件下的步进定位控制系统仿真模型 如图9所示 仿真过程如下 在t 0时输入单位阶跃信号 扰动信 号为由信号源Signal Generator产生的幅值为0 4 频率为 50 Hz的sawtooth信号 在t 1 s时加入系统 在t 1 3 s 时撤除系统 采用最优PID参数KP 20 KI 0 2 KD 1 得到扰动信号下的控制系统仿真波形 如图10所示 系 统仿真时间为2 s 当系统达到稳定后 在t 1 s时加入扰 动信号 由图10可知 在t 1 005 s时 2条控制曲线均 开始发生变化 PID控制曲线升高到点A 1 005 0 014 4 模糊PID控制曲线升高到点B 1 005 0 014 加入扰 动信号后 PID控制的超调量为43 模糊PID控制的 超调量为40 注 Signal generator为扰动信号发生器 1表示在1 s时加入扰动信号 1 3表示在1 3 s时撤除扰动信号 Subtract为减法器 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 图9 加入扰动的步进定位控制系统仿真模型 Fig 9 Simulation model of stepper positioning control system with disturbance 第8期 任 玲等 番茄钵苗整排取苗手定位的模糊PID控制 27 图10 加入扰动的步进定位控制系统仿真波形 Fig 10 Simulation waveform of stepper positioning control system with perturbation 在1 3 s时撤除扰动信号 PID控制曲线在1 45 s D 点 达到平稳 模糊PID控制曲线在1 34 s C点 达到 平稳 对抗干扰 模糊PID控制的响应速度提高7 6 仅用0 04 s就回到稳态 而PID控制经过0 15 s回到稳态 模糊PID控制的抗干扰能力优于PID控制 响应速度快 具有更强的稳定性 更适合在实际环境中作业 4 定位控制试验 定位控制试验于2019年10月在石河子大学机械电 气工程学院精准农业装备试验室进行 试验采用课题组 自制的整排夹取式试验台进行控制精度的测试 试验台 参数如表3所示 表3 试验台参数 Table 3 Parameters of test bench 参数 Parameter 值 Values 移栽苗盘规格 长 宽 Seedling tray specification length width mm mm 280 510 苗盘高度 Height of seedling tray mm 50 苗盘穴口中心之间的距离 Distance between the center of seedling hole mm 32 接苗带栅格 长 宽 Grid of seedling catching belt length width mm mm 40 40 接苗带与苗盘第一行中点位置的距离 Distance between the midpoint of the first line of the seedling tray and the seedling catching belt mm 115 分别对固定参数PID控制和模糊PID控制的定位精 度进行测试和验证 在三菱PLC中编写控制程序 将PID 控制程序和模糊PID程序分别写入PLC中 通过加载不 同的控制算法在试验台上验证整排取苗机械手横向位移 的定位效果 试验测试平台如图11a所示 以接苗带的位 置作为初始位置 控制整排取苗机械手从初始位置横向 运动 实现整排取苗机械手逐行取苗和定点送苗 接苗 带与苗盘第一行中点位置作为第一次取苗位置 其距离 为115 mm 行距为32 mm 第一次控制机械手水平移动 到达第一行取苗位置 待取苗完成控制机械手返回初始 位置进行放苗 第二次控制机械手水平移动147 mm到达 第二行取苗位置 即在上一次位移距离基础上增加 32 mm 取苗完成后再次返回到初始位置放苗 由于整排 取苗机械手每次的取送苗位移都比上一次增加一个行距 32 mm 因此以32 mm作为标准位移 整排取苗机械 手的横 纵向取送苗移动示意图如图11b所示 注 图中箭头表示机械手水平移动方向 Note The arrows in the figure indicate the direction of horizontal movement of the manipulator 图11 试验平台及机械手水平移动示意图 Fig 11 Test platform and schematic diagram of horizontal movement of manipulator 以接苗带位置作为初始位置 机械手从初始位置横 向移动 进行逐行取苗 从接苗带位置到每一行的理论 位移根据行距计算得出 并以此作为基准值 分别通过 PID控制和模糊PID控制方法对机械手的8次移动距离 进行测试 检测每一次位移值和基准位移的差值 差值 越小说明定位精度越高 在程序中设定起始位置 以位移传感器检测的位移 量变化作为系统的反馈信号 控制算法通过对误差信号 及时修正 实现逐行精准定位 通过2种控制算法分别 控制步进电机驱动整排取苗机械手进行水平方向运动 农业工程学报 http www tcsae org 2020年 28 运用10分度的游标卡尺测量每次机械手的实际位移 比 较不同控制算法下每一次实际位移与基准位移的差异 Ea X T 24 100 ar EE T 25 式中T为标准位移 理论值 mm X为测量位移 mm Ea为位移误差量 mm Er为位移相对误差 机械手水平运动8次 通过测量每次位移 分别找 出PID控制和模糊PID控制2种算法的最大定位误差 并计算2种算法下的定位平均相对误差 结果如表5所示 表5 不同控制方法的机械手位移误差 Table 5 Displacement errors of manipulator with different control methods 传统固定参数PID控制 Traditional fixed parameter PID control 模糊PID控制 Fuzzy PID control 试验号 Test No 理论位移 Theoretical displacement T mm 测量位移 Measured displacement mm 位移误差 Displacement error mm 相对误差 Relative error 测量位移 Measured displacement mm 位移误差 Displacement error mm 相对误差 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