蔬菜工廠化生產(chǎn)自動(dòng)移苗設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

顧小小，李 偉，解安東，朱春燕，李長興，俞志軒

（1.上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，上海市 201106；2.安徽工業(yè)大學(xué)智能裝備技術(shù)研究院，安徽馬鞍山 243002）

0 引言

移栽是蔬菜工廠化生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)。L.J.Kutz等[1]設(shè)計(jì)研發(fā)應(yīng)用到苗圃植物移栽的機(jī)器人。Takashi等[2]發(fā)明了一套自動(dòng)化移栽系統(tǒng)。Ting等[3]研制帶夾持器的移栽機(jī)器人。荷蘭、美國、韓國等研制了多種高效大型缽苗移栽機(jī)[4]。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，范云翔等[5]研制出空氣整根營養(yǎng)缽苗全自動(dòng)移栽機(jī)。田素博等[6]設(shè)計(jì)了一種穴盤苗移栽機(jī)械手結(jié)構(gòu)，開發(fā)了基于PLC的控制系統(tǒng)?？傮w而言，國外移苗機(jī)成套設(shè)備體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[7]，國內(nèi)相關(guān)裝備自動(dòng)化程度低、成本高[8]，均無法較好地適應(yīng)我國實(shí)際生產(chǎn)需求。本文針對(duì)一款移苗設(shè)備，研究機(jī)-電-氣相結(jié)合的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輕載、高速、高精度自動(dòng)移苗。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)一款從96穴育苗盤移苗到8穴種植盤的自動(dòng)移苗設(shè)備（圖1），包含種植盤庫機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)接臺(tái)、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(tǒng)工藝流程圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

桁架機(jī)械臂控制部分的硬件主要包含交流伺服電機(jī)（驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂沿XYZ軸運(yùn)動(dòng)）、伺服驅(qū)動(dòng)器、PLC、空壓機(jī)、夾爪氣缸、觸摸屏、傳感器（接近開關(guān)傳感器和光電傳感器）。轉(zhuǎn)接臺(tái)控制部分的硬件主要包含PLC、交流電機(jī)、氣缸和反射型光電開關(guān)。無線測控網(wǎng)絡(luò)主要包括了觸摸屏、相關(guān)的組態(tài)軟件、人機(jī)界面、無線數(shù)據(jù)終端等。

2.2 軟件分析

水平重復(fù)定位精度直接關(guān)系到夾取種植杯的成功率，控制算法需保證機(jī)械臂水平方向定位精度。水平方向上伺服電機(jī)通過X軸、Y軸直線模組帶動(dòng)機(jī)械臂，運(yùn)用自適應(yīng)模糊PID控制算法來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂水平伺服定位的控制。垂直方向上伺服電機(jī)通過Z軸直線模組帶動(dòng)機(jī)械臂，垂直定位使用由編碼器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

PLC通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)，將PLC發(fā)出的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，再通過同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)換為桁架直線模組的進(jìn)給距離；可編程控制器發(fā)出從原點(diǎn)位置到理論取苗位置所需的理論脈沖數(shù)，桁架直線模組移動(dòng)機(jī)械臂到目標(biāo)取苗位置。機(jī)械臂同時(shí)對(duì)育苗盤輸送線上移栽定位處的2個(gè)育苗盤進(jìn)行取苗，每個(gè)機(jī)械臂每次夾取一行4個(gè)種植杯并完成移栽后，桁架直線模組就會(huì)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂向前平移1個(gè)穴盤孔的間距（45 mm），直至移取完育苗盤12行種植杯。機(jī)械臂進(jìn)給距離L與可編程控制器發(fā)出的脈沖數(shù)N的關(guān)系為：

PID控制器及模糊控制器共同組成了自適應(yīng)模糊PID控制器，可在線調(diào)整PID控制器的比例Kp、積分Ki、微分Kd等參數(shù)。為提高控制系統(tǒng)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(shù)。

根據(jù)簡單閉環(huán)伺服定位系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，得水平定位控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。通過建立伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流方程、電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程、反電動(dòng)勢(shì)關(guān)系式和等效電路方程等數(shù)學(xué)模型，分析計(jì)算此類伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)。

利用Matlab/Simulink平臺(tái)，構(gòu)建控制系統(tǒng)仿真模型。當(dāng)伺服電機(jī)輸入額定轉(zhuǎn)速取3 000 r/min時(shí)，仿真結(jié)果如下。由圖3可知，當(dāng)0.2 s時(shí)刻給定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，兩者達(dá)到穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時(shí)間基本相同，但自適應(yīng)模糊PID控制無超調(diào)，在最短時(shí)間內(nèi)更平緩地達(dá)到穩(wěn)態(tài)，具有較好的控制效果。

圖3 額定轉(zhuǎn)速下仿真曲線圖

3 運(yùn)行試驗(yàn)

利用秒表對(duì)移苗設(shè)備的執(zhí)行情況做連續(xù)觀測，由表1可知，隨著脈沖參數(shù)提升，移栽速度幾乎呈線性上升，在80 000調(diào)速脈沖值下，移栽速度最快，平均可達(dá)90棵/min。所有調(diào)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(guān)性，在60 000調(diào)速脈沖值下，移栽成功率最高。移苗設(shè)備在不同調(diào)速脈沖值參數(shù)下，整體運(yùn)行速度穩(wěn)定，各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，移栽效果良好。

表1 不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下平均移栽速度及移栽成功率測試結(jié)果表

4 結(jié)語

根據(jù)蔬菜工廠化生產(chǎn)實(shí)際作業(yè)需求，對(duì)一款從96穴育苗盤移苗到8穴種植盤的自動(dòng)移苗機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)。該設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)育苗盤、種植盤的位移與定位，機(jī)械臂和夾爪的運(yùn)動(dòng)與夾取等控制。運(yùn)用自適應(yīng)模糊PID控制算法來實(shí)現(xiàn)抓苗機(jī)械水平伺服定位的控制，使用由編碼器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)垂直定位。建立自適應(yīng)模糊PID控制器系統(tǒng)仿真模型，當(dāng)0.2 s時(shí)刻給定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，自適應(yīng)模糊PID控制無超調(diào)，在最短時(shí)間內(nèi)更平緩地達(dá)到穩(wěn)態(tài)，有更好的控制效果。對(duì)整機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)，設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)可靠。所有調(diào)速脈沖值下平均移栽成功率為97.27%。滿足設(shè)計(jì)要求。