烏魯木齊市博安興業(yè)機(jī)械制造有限公司 張 博 林菲婷

為有效解決采苗插秧操作過(guò)程中采苗機(jī)械手迅速定位精度誤差控制導(dǎo)致的精準(zhǔn)抓秧采苗操作失敗、傷苗、缺苗等種種問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)采苗插秧機(jī)械手的精準(zhǔn)、迅速準(zhǔn)確定位。針對(duì)采用整排臥式育苗床的試驗(yàn)室平臺(tái)，分析了育苗機(jī)械手在頭部水平和身體垂直兩個(gè)方向的移動(dòng)定位精度以及要求。以兩相混合式交流步進(jìn)式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立了兩相步進(jìn)式發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)角度和速度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型，運(yùn)用模糊控制，產(chǎn)生了模糊式的PID速度控制器。通過(guò)對(duì)精度誤差和差異誤差時(shí)間變化率的進(jìn)行在線模擬校正，滿足了不同精度誤差和差異誤差時(shí)間變化率下的系統(tǒng)控制仿真要求，并應(yīng)用matlab/simulink方法進(jìn)行系統(tǒng)控制仿真，從響應(yīng)超級(jí)可調(diào)量、響應(yīng)持續(xù)時(shí)間和系統(tǒng)穩(wěn)定性三個(gè)指標(biāo)角度驗(yàn)證了系統(tǒng)控制仿真方法的正確可行性。

自動(dòng)插秧機(jī)可以解決勞動(dòng)力短缺的問(wèn)題，是未來(lái)插秧機(jī)的發(fā)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(jī)械手運(yùn)動(dòng)，秧苗托盤采用送料方式。機(jī)械手拿到苗子后，利用移動(dòng)盤子機(jī)構(gòu)同時(shí)送料，保證取苗機(jī)構(gòu)的定點(diǎn)使用。（2）秧苗托盤不動(dòng)，就移動(dòng)機(jī)械手一行一行使用。當(dāng)機(jī)械手在水平和垂直方向上移動(dòng)時(shí)，需要控制機(jī)械手的位姿和速度的快慢。氣動(dòng)系統(tǒng)和電伺服系統(tǒng)為目前來(lái)實(shí)現(xiàn)采苗的動(dòng)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(shè)計(jì)的全自動(dòng)臥式插秧機(jī)通電控制切斷系統(tǒng)，采用plc與切斷繼電器驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，通過(guò)自動(dòng)控制切斷繼電器的通電中斷，實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)動(dòng)作的協(xié)調(diào)控制。通過(guò)對(duì)各種整排水果采摘采用機(jī)械臂和手定位驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的模擬建模，對(duì)各種整排水果采摘采用機(jī)械手的自動(dòng)定位響應(yīng)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能進(jìn)行了模擬仿真和自動(dòng)測(cè)試，以利于實(shí)現(xiàn)了對(duì)整排水果采摘采用機(jī)械手的自動(dòng)精確定位和快速自動(dòng)響應(yīng)，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

1 取苗機(jī)構(gòu)精度分析

1.1 取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

取苗機(jī)構(gòu)由取秧機(jī)架、取苗器和機(jī)械手、水平運(yùn)行軌道、垂直運(yùn)行軌道、接苗操作帶、供水取苗操作平臺(tái)、秧盤等等組成。在新疆，盆栽植物育苗的托盤一般都會(huì)采用128孔(16排8列)。整個(gè)塑料托盤長(zhǎng)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(cè)32mm，下側(cè)15mm，深度50mm。接苗方式是先讓托盤不動(dòng)，移動(dòng)接苗機(jī)器人。整個(gè)采苗機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式分為水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)，分別是讓步進(jìn)式發(fā)電機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)的定位精度由助力機(jī)構(gòu)的精度和動(dòng)力系統(tǒng)精度決定。水平方向的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的是整排采苗機(jī)械手的水平步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，其精度直接決定機(jī)械手是否能夠精確地水平移動(dòng)到每一排。垂直方向的電機(jī)控制系統(tǒng)控制的整排整列采用機(jī)械手菜苗的上下運(yùn)動(dòng)，水平和橫向垂直排水定位的安全準(zhǔn)確性確定是保證整排排水秧苗成功的重要關(guān)鍵。

1.2 取送苗運(yùn)動(dòng)控制精度分析

控制采苗系統(tǒng)首先是在控制好一整排盆栽采苗后用機(jī)械手向第一排中的盆栽花在苗的頂端水平平行運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)一條垂直線的運(yùn)動(dòng)平行拾取第一排中的盆栽苗，然后通過(guò)水平平行移動(dòng)到一個(gè)接苗塑料帶上進(jìn)行放置采苗，完成對(duì)成排盆栽苗的采摘和送苗。之后，整排上的采苗苗由機(jī)械手動(dòng)成水平面地移動(dòng)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(dòng)返回一個(gè)接苗的地帶進(jìn)行放苗。在此播種過(guò)程中，苗盤擺放位置不自由移動(dòng)，整排送種采苗均由機(jī)械手自動(dòng)進(jìn)行逐排送種采苗和按時(shí)定點(diǎn)有序送種采苗。機(jī)械手的每一個(gè)方向移動(dòng)點(diǎn)的位移都比前一個(gè)位移增加了這一行動(dòng)的間距，即32mm。同樣，秧苗放置過(guò)程的位移也增加了一行間距。

1.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

整排列車采苗采用機(jī)械手驅(qū)動(dòng)進(jìn)行間歇定位運(yùn)動(dòng)和步進(jìn)定位，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電脈沖加速轉(zhuǎn)換成稱為角位移，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的橫向轉(zhuǎn)速和角位移是通過(guò)控制一個(gè)輸入輸出電脈沖的橫向頻率和電流數(shù)量；可以控制一個(gè)整排辣椒秧苗機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度、位置和旋轉(zhuǎn)方向。步進(jìn)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)

2 模糊PID系統(tǒng)建模

閉環(huán)步進(jìn)定位控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、減速器、編碼器、限位開關(guān)、行程開關(guān)等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 閉環(huán)步進(jìn)定位控制系統(tǒng)框圖

2.1 步進(jìn)定位控制系統(tǒng)精度分析

步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)為施肥取苗步進(jìn)機(jī)械手的主要?jiǎng)恿?lái)源，秧苗插苗步進(jìn)機(jī)械手可以通過(guò)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作同軸運(yùn)作的電動(dòng)減速器機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。由于采用整個(gè)一條線取樣編苗器對(duì)機(jī)械手長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)最長(zhǎng)位移距離精度為16×32=512mm，所以應(yīng)該在位移精度傳感器中應(yīng)選測(cè)量最長(zhǎng)距離為600mm，線性測(cè)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(hào):mps-s-v)?？刂破骺梢酝ㄟ^(guò)對(duì)機(jī)械位移測(cè)量誤差和運(yùn)動(dòng)誤差值的變化率及時(shí)進(jìn)行修正，來(lái)大大減小位移誤差，提高機(jī)械位移測(cè)量精度。

2.2 步進(jìn)定位控制算法

在工作環(huán)境多變、線性誤差大的情況下，固定參數(shù)PID控制難以滿足控制精度、響應(yīng)速度和抗干擾能力的要求。因此，在固定參數(shù)PID控制中加入了模糊控制的思想控制器首先自動(dòng)獲得每個(gè)被控器測(cè)量的當(dāng)前準(zhǔn)確誤差值，然后將每個(gè)被控器測(cè)量的當(dāng)前準(zhǔn)確誤差值與當(dāng)前給定的系統(tǒng)輸入值誤差進(jìn)行精確比較，模糊系統(tǒng)誤差和給定誤差值的變化率，然后根據(jù)模糊計(jì)算規(guī)則中的推理準(zhǔn)確調(diào)整出了pid兩個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)械手的自動(dòng)精確定位和快速自動(dòng)響應(yīng)。提出了一個(gè)固定值的參數(shù)算法pid控制算法：

式中u(k)為系統(tǒng)輸出，誤差累積，為誤差變化率。kp為比例系數(shù)為積分系數(shù)，k1為微分系數(shù)，KD通過(guò)對(duì)這三個(gè)控制參數(shù)的頻率實(shí)時(shí)控制調(diào)整，可以同時(shí)達(dá)到很好的實(shí)時(shí)控制頻率效果。定時(shí)器參數(shù)pid自動(dòng)控制系統(tǒng)依賴于精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)物理模型，但實(shí)際中的運(yùn)行調(diào)節(jié)回路難以用精確數(shù)學(xué)物理模型準(zhǔn)確描述，調(diào)節(jié)回路過(guò)程容易導(dǎo)致出現(xiàn)運(yùn)行滯后、超時(shí)解調(diào)和高頻率的干擾，影響控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.3 模糊PID步進(jìn)定位控制器

模糊控制規(guī)則設(shè)計(jì)：

PID在線參數(shù)誤差整定技術(shù)是在系統(tǒng)正常運(yùn)行管理過(guò)程中不斷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)誤差與在線誤差參數(shù)變化率的相互關(guān)系，根據(jù)模糊推理計(jì)算原理自動(dòng)計(jì)算并得出三個(gè)在線參數(shù)的誤差值，然后用新的pid參數(shù)控制器自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)在線參數(shù)校正，使在線控制管理系統(tǒng)獲得最佳的在線控制系統(tǒng)性能。采用大量經(jīng)驗(yàn)分析試錯(cuò)的方法和大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)資料對(duì)一臺(tái)采用變送器和機(jī)械手臂的定位自動(dòng)控制檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)輸入端和輸出性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。得到了最優(yōu)化的調(diào)節(jié)模糊關(guān)系，建立了模糊控制處理規(guī)則。將兩個(gè)輸入模糊變量參數(shù)e和輸出量參數(shù)分別劃分而成為7個(gè)模糊離散子集，建立了模糊子集規(guī)則的列表。

采用一個(gè)j-5718hb2401兩相混合式交流步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，忽略渦流損耗和磁滯運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，電機(jī)運(yùn)動(dòng)平衡阻力方程的解如式(2)～(3)所示。

通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)齒輪驅(qū)動(dòng)將角位移驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)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(shí)的經(jīng)驗(yàn)傳遞函數(shù)值為g2(s)=8，減速器為一個(gè)比例控制模塊，其中的經(jīng)驗(yàn)傳遞函數(shù)值為g3(s)=0.25。

3 步進(jìn)定位控制系統(tǒng)仿真分析

PID制系統(tǒng)建模及仿真分析:

針對(duì)所需要建立的一個(gè)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)仿真系統(tǒng)控制模型，通過(guò)一個(gè)matlab的musimulink輸入仿真系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)建立了用于整排一個(gè)采苗小型機(jī)械手動(dòng)式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的mupidk的控制輸入仿真系統(tǒng)模型，并以一個(gè)幅值大小為1的單位步進(jìn)電機(jī)信號(hào)作為電機(jī)系統(tǒng)控制輸入。將被控摘穗育苗種植機(jī)構(gòu)系統(tǒng)步進(jìn)自動(dòng)定位系統(tǒng)控制仿真系統(tǒng)各操作環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)模型代入一個(gè)simulink控制仿真參數(shù)平臺(tái)，建立一個(gè)pid機(jī)構(gòu)步進(jìn)自動(dòng)定位系統(tǒng)控制仿真系統(tǒng)的各個(gè)仿真參數(shù)模型，如軟件圖4所示，并通過(guò)系統(tǒng)仿真參數(shù)分析方法調(diào)整每個(gè)被控種植對(duì)象的各個(gè)pid仿真參數(shù)。

圖4 加入擾動(dòng)的步進(jìn)定位控制系統(tǒng)仿真模型

仿真操作過(guò)程設(shè)計(jì)如下：在參數(shù)t=0時(shí)系統(tǒng)輸入一個(gè)單位位的階躍驅(qū)動(dòng)信號(hào)，根據(jù)仿真經(jīng)驗(yàn)結(jié)果選擇三個(gè)pid驅(qū)動(dòng)參數(shù)的初始模擬值為，即kp=5、ki=10、kd=1，系統(tǒng)模擬仿真運(yùn)行時(shí)間為3s，采用固定驅(qū)動(dòng)參數(shù)pid驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度的同步反饋驅(qū)動(dòng)控制。仿真后的波形如模型圖5和波形圖6所示。從設(shè)計(jì)圖5可以清楚看出，系統(tǒng)在點(diǎn)的c和d點(diǎn)內(nèi)部有過(guò)激緩沖，過(guò)激脈沖為15%，從0.275s(b和c點(diǎn))迅速上升到1.72s(d點(diǎn))上并達(dá)到了平穩(wěn)態(tài)。由于控制系統(tǒng)本身存在電源超載失調(diào)和電源響應(yīng)速度慢的復(fù)雜問(wèn)題，需要通過(guò)不斷調(diào)整系統(tǒng)pid兩個(gè)控制參數(shù)的初始設(shè)定值參數(shù)來(lái)不斷優(yōu)化電源控制管理系統(tǒng)。

圖5 傳統(tǒng)固定參數(shù)PID控制的仿真波形

圖6 優(yōu)化后的傳統(tǒng)PID控制仿真波形

本文研究通過(guò)用于整排手工摘秧和機(jī)械手的人體定位自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型的比較，采用固定定位參數(shù)下的PID定位控制。

本文就自動(dòng)模糊PID自動(dòng)控制系統(tǒng)方法成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)整排原秧苗采苗車和機(jī)械手的自動(dòng)精確定位，并據(jù)此建立了一套自動(dòng)控制管理自動(dòng)系統(tǒng)。采用一臺(tái)步進(jìn)控制減速電機(jī)及其減速驅(qū)動(dòng)器、減速機(jī)、編碼器、限位控制開關(guān)、行程開關(guān)等部件組成一套步進(jìn)減速電機(jī)自動(dòng)定位系統(tǒng)控制傳動(dòng)系統(tǒng)，建立了定位系統(tǒng)傳遞函數(shù)。在固定控制參數(shù)中的pid中的控制中心還加入模糊控制規(guī)則，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)抗干擾能力。