基于PLC的溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)設(shè)計

摘

要：首先，對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為控制核心對溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，并應(yīng)用PID算法對移栽運動進(jìn)行了仿真設(shè)計與計算。該控制系統(tǒng)對實現(xiàn)溫室穴盤苗移栽自動化具有重要的實際意義。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)前我國的溫室自動移栽穴盤苗還處于起步階段，大多以手動或半自動機(jī)械化為主，需要消耗大量的勞動力。國外針對農(nóng)業(yè)溫室自動移栽機(jī)的研究起步較早，技術(shù)相對先進(jìn)，產(chǎn)業(yè)鏈較為完整，已經(jīng)從試驗研究階段走向?qū)嶋H生產(chǎn)階段。而國內(nèi)針對移栽機(jī)的研究起步較晚，且大多數(shù)是針對半自動移栽機(jī)的研究設(shè)計，隨著國家對溫室移栽機(jī)研究的支持和投入力度的加大，我國移栽機(jī)的研究也在不斷深入。邵琰等面對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題，設(shè)計研制出了符合幼苗溫室移栽的STC89C52RC單片機(jī)控制系統(tǒng)。王僑等為解決當(dāng)下溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)無法精準(zhǔn)定位檢測幼苗，智能程度差等問題，進(jìn)行了全自動大田移栽機(jī)中的頂苗桿式穴盤苗自動取苗機(jī)構(gòu)的定位控制研究。本文將基于PLC對溫室穴盤苗移栽控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。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)械運動臺、傳動機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)4個部分，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。傳動機(jī)構(gòu)包括X軸、Y軸、Z軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動絲桿滑塊。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)動是整個自動移栽驅(qū)動系統(tǒng)的主要驅(qū)動部分。2

基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計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)定特定的各個移栽位置控制距離，再通過PC端軟件相關(guān)參數(shù)控制執(zhí)行移栽機(jī)械設(shè)備開始驅(qū)動。（2）通過機(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完成抓取幼苗動作。（3）在將要完成抓取幼苗時，通過驅(qū)動電機(jī)直線模組完成步驟②，直到能夠到達(dá)檢測位置，再驅(qū)動另一個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、分開的穴盤輸送，與此同時，執(zhí)行抓取幼苗機(jī)械手通過控制器S7-200輸入的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行位置間距的調(diào)控。（4）隨后檢測傳感器探測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，再通過氣缸的收縮與張開執(zhí)行直線模組驅(qū)動操作⑤，使自動移栽機(jī)械手移動至相對高度的安全穩(wěn)定位置。（5）到達(dá)相對高度的安全穩(wěn)定位置后，需要再次驅(qū)動運動機(jī)構(gòu)至其起初的設(shè)定位置，至此完成一個工作流程周期。同時在此過程中，控制器S7-200也需要根據(jù)不同運動間的相互位置、運動距離進(jìn)行相對數(shù)字參數(shù)的自動檢測輸入調(diào)整，以提高自動移栽全過程的工作流暢度。本研究中，溫室自動移栽機(jī)通過控制X、Y、Z軸方向上的直線模組驅(qū)動器驅(qū)動機(jī)構(gòu)部分來控制氣壓氣缸驅(qū)動裝置，驅(qū)動其對移栽穴盤幼苗的抓放指令，實現(xiàn)絲桿滑塊通過直線模組運動傳遞到在高密度穴盤苗與低密度移栽盆之間的氣壓氣缸，再通過氣壓氣缸的收縮和張開完成幼苗移栽過程以及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)境下運行，并盡可能提高程序語言的簡潔性和執(zhí)行效率，故本文采用PID算法進(jìn)行運動控制設(shè)計。PID控制系統(tǒng)的輸出e（t）與輸入u（t）的關(guān)系式為：由于驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)需要的控制量是增加量，因此采用增量式PID控制。根據(jù)遞推原理可得：增量式PID算法：Δu（k）＝u（k）-u（k-1）Δu（k）＝kp[e（k）-e（k-1）]＋kie（k）＋kd[e（k）-2e（k-1）＋e（k-2）]G（s）＝Zr2LIA2/（2Js2+2Bs+Zr2LIA2）式中：Zr為每個轉(zhuǎn)子級齒數(shù)；L為A、B的自感；IA為電機(jī)兩相電流；J為轉(zhuǎn)動慣量；B為制動阻尼常數(shù)。輸入的是一個階躍電壓，對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)過一個步距角。根據(jù)電機(jī)各項參數(shù)，Zr＝40，L＝0.01，J＝1.08，IA＝1.0，B＝3.1。被控對象如下：G（s）＝7.42/（s2+2.87s+7.42）利用Matlab的框圖設(shè)計環(huán)境Simulink對PID進(jìn)行仿真。Simulink的仿真模塊圖如圖4所示，輸入部分是一個階躍信號發(fā)生器，然后設(shè)定Kp、Ki、Kd三個參數(shù)，將被控對象模型輸入系統(tǒng)，最后通過示波器來查看輸出結(jié)果。由于不同的輸入信號對應(yīng)的Kp、Ki、Kd整定參數(shù)不一樣，本文選取移動距離最大1000mm和最小10mm兩個值進(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：θ＝360s÷πd＝9s÷π當(dāng)s為最大值1

000

mm時，輸入信號θ≈2864.7890°。當(dāng)s最小值為10

mm時，輸入信號θ≈28.6479°。對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。圖中黃色的線是輸入階躍信號，藍(lán)色的線是經(jīng)過PID算法調(diào)節(jié)后的輸出信號。從圖中可知，只需要非常短的響應(yīng)時間就可以穩(wěn)定平滑地達(dá)到期望值，過程中沒有振蕩現(xiàn)象發(fā)生。由此可知，引入PID算法后，移栽機(jī)工作時可以控制電機(jī)達(dá)到良好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定的效果。為確定PID控制精度，使用測量工具測量藍(lán)線，即對經(jīng)過PID調(diào)節(jié)后第4s和第8s的輸出信號進(jìn)行測量。當(dāng)電機(jī)位移距離為10mm時，測量值分別為28.6303°、28.6316°；當(dāng)電機(jī)位移距離為1000mm時，測量值分別為2863.0304°、2863.1635°。由于步進(jìn)電機(jī)是按步長運動的，最小的運動距離是電機(jī)轉(zhuǎn)過一個細(xì)分步距角所前進(jìn)的距離，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度必定是細(xì)分步距角的整數(shù)倍，固定步距角經(jīng)過細(xì)分后為0.45°。所以當(dāng)電機(jī)位移距離為10mm時，電機(jī)轉(zhuǎn)動角度為28.8°；當(dāng)電機(jī)位移距離為1000mm時，電機(jī)轉(zhuǎn)動角度分別為2862.9°、2863.35°。計算偏差得：當(dāng)電機(jī)移動距離10mm時，經(jīng)過PID算法調(diào)節(jié)后的輸出位置偏差率為-0.53%；當(dāng)移動距離為1000mm時，偏差率分別為0.07%和0.005%。通過換算公式把偏差率換算成距離：當(dāng)電機(jī)定位距離為10mm時，經(jīng)過PID算法后的偏差距離約為-0.0531mm；當(dāng)電機(jī)定位距離為1000mm時，經(jīng)過PID算法后的偏差距離約為0.6594mm和0.5023m