謝博文 肖章

摘要：首先，對(duì)溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)研究的必要性進(jìn)行了闡述;其次，對(duì)溫室穴盤苗移栽機(jī)械的總體結(jié)構(gòu)和控制需求進(jìn)行了分析;最后，以PLC為控制核心對(duì)溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并應(yīng)用PID算法對(duì)移栽運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)與計(jì)算。該控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)現(xiàn)溫室穴盤苗移栽自動(dòng)化具有重要的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：PLC;穴盤移栽;控制系統(tǒng)

0? ? 引言

穴盤移栽是溫室穴盤育苗的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前我國(guó)的溫室自動(dòng)移栽穴盤苗還處于起步階段，大多以手動(dòng)或半自動(dòng)機(jī)械化為主，需要消耗大量的勞動(dòng)力[1]。國(guó)外針對(duì)農(nóng)業(yè)溫室自動(dòng)移栽機(jī)的研究起步較早，技術(shù)相對(duì)先進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈較為完整，已經(jīng)從試驗(yàn)研究階段走向?qū)嶋H生產(chǎn)階段。而國(guó)內(nèi)針對(duì)移栽機(jī)的研究起步較晚，且大多數(shù)是針對(duì)半自動(dòng)移栽機(jī)的研究設(shè)計(jì)，隨著國(guó)家對(duì)溫室移栽機(jī)研究的支持和投入力度的加大，我國(guó)移栽機(jī)的研究也在不斷深入。邵琰等[2]針對(duì)幼苗植株距離難以把握，可能影響幼苗在穴盤中的種植效率和修剪困難等問(wèn)題，設(shè)計(jì)研制出了符合幼苗溫室移栽的STC89C52RC單片機(jī)控制系統(tǒng)。王僑等[3-4]為解決當(dāng)下溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)無(wú)法精準(zhǔn)定位檢測(cè)幼苗，智能程度差等問(wèn)題，進(jìn)行了全自動(dòng)大田移栽機(jī)中的頂苗桿式穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的定位控制研究。

本文將基于PLC對(duì)溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1? ? 溫室穴盤苗移栽機(jī)械結(jié)構(gòu)

本研究的移栽機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為機(jī)械框架、機(jī)械運(yùn)動(dòng)臺(tái)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)4個(gè)部分，如圖1所示。執(zhí)行抓取幼苗機(jī)械手的主要組成部分是氣缸、馬達(dá)、氣閥、手爪等。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括X軸、Y軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑塊。執(zhí)行末端單元機(jī)械手配合步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行操作。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)是整個(gè)自動(dòng)移栽驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要驅(qū)動(dòng)部分。

2? ? 基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)由上位機(jī)、PLC、傳感器以及執(zhí)行器組成，如圖2所示。

溫室自動(dòng)移栽機(jī)械的工作流程如圖3所示，描述如下：

（1）在預(yù)定位置的控制移栽機(jī)上，設(shè)定特定的各個(gè)移栽位置控制距離，再通過(guò)PC端軟件相關(guān)參數(shù)控制執(zhí)行移栽機(jī)械設(shè)備開(kāi)始驅(qū)動(dòng)。

（2）通過(guò)機(jī)械移栽幼苗控制手調(diào)整幼苗穴格的大小、距離，操縱控制指令①完成抓取幼苗動(dòng)作。

（3）在將要完成抓取幼苗時(shí)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直線模組完成步驟②，直到能夠到達(dá)檢測(cè)位置，再驅(qū)動(dòng)另一個(gè)方向上的直線模組控制操作執(zhí)行③，讓移栽機(jī)械手將已抓取的幼苗往分散的、分開(kāi)的穴盤輸送，與此同時(shí)，執(zhí)行抓取幼苗機(jī)械手通過(guò)控制器S7-200輸入的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行位置間距的調(diào)控。

（4）隨后檢測(cè)傳感器探測(cè)正下方的穴盤格情況，并操作④下降至相應(yīng)的位置，成功把穴盤幼苗移栽到目標(biāo)穴盤中，再通過(guò)氣缸的收縮與張開(kāi)執(zhí)行直線模組驅(qū)動(dòng)操作⑤，使自動(dòng)移栽機(jī)械手移動(dòng)至相對(duì)高度的安全穩(wěn)定位置。

（5）到達(dá)相對(duì)高度的安全穩(wěn)定位置后，需要再次驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)至其起初的設(shè)定位置，至此完成一個(gè)工作流程周期。同時(shí)在此過(guò)程中，控制器S7-200也需要根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)間的相互位置、運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行相對(duì)數(shù)字參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)輸入調(diào)整，以提高自動(dòng)移栽全過(guò)程的工作流暢度。

本研究中，溫室自動(dòng)移栽機(jī)通過(guò)控制X、Y、Z軸方向上的直線模組驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)部分來(lái)控制氣壓氣缸驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)其對(duì)移栽穴盤幼苗的抓放指令，實(shí)現(xiàn)絲桿滑塊通過(guò)直線模組運(yùn)動(dòng)傳遞到在高密度穴盤苗與低密度移栽盆之間的氣壓氣缸，再通過(guò)氣壓氣缸的收縮和張開(kāi)完成幼苗移栽過(guò)程以及PID算法進(jìn)行精確定位，提高位置移栽的精確度。

3? ? PID控制與仿真

為了將穴盤中的幼苗移栽至正確的位置，必須保證機(jī)械手在系統(tǒng)穩(wěn)定安全可靠的環(huán)境下運(yùn)行，并盡可能提高程序語(yǔ)言的簡(jiǎn)潔性和執(zhí)行效率，故本文采用PID算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)。

利用Matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境Simulink對(duì)PID進(jìn)行仿真。Simulink的仿真模塊圖如圖4所示，輸入部分是一個(gè)階躍信號(hào)發(fā)生器，然后設(shè)定Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)，將被控對(duì)象模型輸入系統(tǒng)，最后通過(guò)示波器來(lái)查看輸出結(jié)果。

由于不同的輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的Kp、Ki、Kd整定參數(shù)不一樣，本文選取移動(dòng)距離最大1 000 mm和最小10 mm兩個(gè)值進(jìn)行研究。假設(shè)電機(jī)上齒輪的直徑d為40 mm，電機(jī)位移的距離s與電機(jī)所需旋轉(zhuǎn)角度θ關(guān)系式為：

當(dāng)s為最大值1 000 mm時(shí)，輸入信號(hào)θ≈2 864.789 0°;當(dāng)s最小值為10 mm時(shí)，輸入信號(hào)θ≈28.647 9°。對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，Kp=100，Ki=2，Kd=6，得到如圖5、圖6所示波形。

圖中1#線是輸入階躍信號(hào)，2#線是經(jīng)過(guò)PID算法調(diào)節(jié)后的輸出信號(hào)。從圖中可知，只需要非常短的響應(yīng)時(shí)間就可以穩(wěn)定平滑地達(dá)到期望值，過(guò)程中沒(méi)有振蕩現(xiàn)象發(fā)生。由此可知，引入PID算法后，移栽機(jī)工作時(shí)可以控制電機(jī)達(dá)到良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定的效果。

為確定PID控制精度，使用測(cè)量工具測(cè)量2#線，即對(duì)經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)后第4 s和第8 s的輸出信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)電機(jī)位移距離為10 mm時(shí)，測(cè)量值分別為28.630 3°、28.631 6°;當(dāng)電機(jī)位移距離為1 000 mm時(shí)，測(cè)量值分別為2 863.030 4°、2 863.163 5°。由于步進(jìn)電機(jī)是按步長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的，最小的運(yùn)動(dòng)距離是電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)細(xì)分步距角所前進(jìn)的距離，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度必定是細(xì)分步距角的整數(shù)倍，固定步距角經(jīng)過(guò)細(xì)分后為0.45°。所以當(dāng)電機(jī)位移距離為10 mm時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為28.8°;當(dāng)電機(jī)位移距離為1 000 mm時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度分別為2 862.9°、2 863.35°。

計(jì)算偏差得：當(dāng)電機(jī)移動(dòng)距離10 mm時(shí)，經(jīng)過(guò)PID算法調(diào)節(jié)后的輸出位置偏差率為-0.53%;當(dāng)移動(dòng)距離為1 000 mm時(shí)，偏差率分別為0.07%和0.005%。

通過(guò)換算公式把偏差率換算成距離：當(dāng)電機(jī)定位距離為10 mm時(shí)，經(jīng)過(guò)PID算法后的偏差距離約為-0.053 1 mm;當(dāng)電機(jī)定位距離為1 000 mm時(shí)，經(jīng)過(guò)PID算法后的偏差距離約為0.659 4 mm和0.502 3 mm，處于可接受范圍內(nèi)。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文采用PLC為控制核心對(duì)溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，該控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，適應(yīng)能力強(qiáng)。本研究設(shè)計(jì)的溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)將穴盤苗從高密度穴盤移栽到低密度穴盤中的移栽工作，對(duì)穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的理論參考意義。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2020-12-23

作者簡(jiǎn)介：謝博文（1995—），男，湖南衡陽(yáng)人，研究方向：智能檢測(cè)與控制。

通信作者：肖章（1989—），男，湖南衡陽(yáng)人，講師，研究方向：智能檢測(cè)與控制。