田 磊，邢鵬康，張 莉

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473000;2.武漢晴川學院，武漢 430064)

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基于PLC和光電傳感控制的穴盤苗自動移栽裝置設計

田 磊1，邢鵬康1，張 莉2

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473000;2.武漢晴川學院，武漢 430064)

移栽機械化設備作為育苗工廠化生產(chǎn)的重要設備，在提高育苗工作效率上有著重要意義。為了提高穴盤苗移栽的效率和自動化程度，設計了一種基于光電傳感器和PLC編程的自動移栽裝置，并在PLC控制器中嵌入了模糊控制算法，有效地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和自動化程度。該設備利用光電傳感器對穴盤特征參數(shù)進行掃描，可以發(fā)現(xiàn)空穴盤和無穴盤的情況，并能夠對穴盤苗進行定位。設計開發(fā)了試驗樣機，并開發(fā)了上位機和下位機控制平臺，利用PLC控制器和模糊控制軟件框架，實現(xiàn)了移栽設備的自動化移栽。試驗表明：采用模糊PLC控制器，穴盤苗準確識別率和移栽成功率平均值為98.9%和99.5%，作業(yè)精度較高，可以滿足現(xiàn)代化溫室種植的需要。

光電傳感器；移栽設備；PLC控制器；模糊控制；穴盤苗

0 引言

機械化的穴盤育苗技術是采用育苗機械化方法，利用草灰、蛙石、珍珠巖等輕基質材料作育苗基質，一穴一粒、一次性成苗的一種現(xiàn)代化的育苗方法。該方法出苗整齊、病蟲害少，可縮短育苗周期，提高了苗移栽的效率和自動化程度。大部分蔬菜都是以育苗移栽的方式種植，從勞動強度來看，手工移栽是僅次于收獲作業(yè)的一項勞動強度較大的作業(yè)活動，約占蔬菜從移栽到收獲作業(yè)20%的勞動量。如果想擴大溫室移栽規(guī)模，提高勞動生產(chǎn)效率，必須使用自動化程度較高的移栽機械化設備。而基于光電傳感器和PLC控制的移栽機器人，對于提高穴盤苗移栽的作業(yè)效率和自動化程度，真正實現(xiàn)自動化工廠育苗具有重要的意義。

1 蔬菜穴盤苗自動移栽機

目前，自動化作業(yè)的機器人主要分為兩種：一種是應用于大面積作業(yè)的土地利用型機器人，即行走系列機器人；一種是應用于溫室內作業(yè)的機器人，即機械手系列機器人。前者的研究主要集中在自主導航和無人駕駛上，其側重點為信息的采集和處理及自動化控制；后者主要研究目標的自動化識別、機械手的自主定位及機械手執(zhí)行末端的優(yōu)化。

荷蘭在進行花卉種植時使用了大量的溫室穴盤苗機器人，圖1為荷蘭飛梭貿(mào)易與工程公司研發(fā)的自動移栽機。該機型可以同時傳輸多盤秧苗，執(zhí)行末端的數(shù)目也可以調整，且設計了專門的視覺識別裝置，可利用CCD來識別空穴，適應能力較強，可以適合不同用戶需求，具有較好的發(fā)展前景。

圖1 飛梭貿(mào)易與工程公司系列移栽機

圖2為美國RAPIDAutomated Systems公司研發(fā)的一款RTW-500S2+移栽機。該機型采用了片狀末端夾持工具，利用氣力驅動實現(xiàn)穴盤苗的夾持，機構簡單，可靠性和自動化程度較高。

光電傳感器具有響應快速、定位能力強等特點；而PLC具有自動化控制功能，將其應用在穴盤苗自動移栽系統(tǒng)中，可有效地提高自動移栽系統(tǒng)的作業(yè)效率和自動化程度。本次研究設計的基于光電傳感器和PLC的穴盤苗自動移栽系統(tǒng)主要采用PLC編程對驅動器進行驅動，控制步進電機在三維空間內運動，通過光電傳感器對穴盤位置和空穴進行檢測，實現(xiàn)穴盤苗的自動化移栽過程，如圖3所示。

圖2 RTW-500S2+移栽機的片狀夾持具

圖3 基于光電傳感器和PLC的穴盤苗自動移栽系統(tǒng)

2 步進電機定位控制算法

在蔬菜穴盤苗自動移栽裝置進行自動化移栽控制時，簡單的閉環(huán)反饋系統(tǒng)不能夠完全克服栽種環(huán)境的非線性因素的影響，需要在PID控制中引入控制算法來提高系統(tǒng)的控制精度。采用模糊PID控制算法可以保證系統(tǒng)定位的準確性和運行的穩(wěn)定性，從而滿足自動移栽機對苗盤輸送的基本要求，改善了移栽機在各種復雜環(huán)境作業(yè)時對環(huán)境干擾的克服能力。常規(guī)的PID控制算法可以表示為

(1)

圖4 模糊控制器設計原理圖

該控制器由PID控制器和模糊控制器組成，利用自動移栽機控制系統(tǒng)的e(k)誤差和Δe(k)誤差變化率，對模糊控制規(guī)則進行推理，對PID參數(shù)進行在線整定。其中，Kp、KI、KD3個參數(shù)的在線整定公式為

(2)

其中，Kp′、KI′、KD′分別表示PID控制器整定好的參數(shù)；ΔKp、ΔKI、ΔKD表示Kp、KI、KD的在線修正值。利用光電傳感器采集得到的脈沖數(shù)作為控制器的實際值r(k)，則控制位置的誤差和誤差變化率分布為

(3)

苗盤輸送位移的控制量為u(k)，輸送裝置步進電機的模糊控制的設計框架如圖5所示。

圖5 苗盤輸送模糊PID控制系統(tǒng)框圖

控制量通過模糊PID處理后，將控制傳遞給驅動器，驅動器驅動步進電機運動，然后利用調速裝置控制苗盤輸送機構的運動。

將位置誤差和變化率作為模糊控制器的輸入，其對應的語言分量分別為E和EC，將ΔKp、ΔKI、ΔKD作為模糊控制器的輸出變量，其變量值設置為7個等級，分別為{負大、負中、負小、零、正小、正中、正大}，分別記為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}。將輸入e(k)誤差和Δe(k)誤差變化率和輸出ΔKp、ΔKI、ΔKD基本論域設置為[-6000,6000]、[-3000,3000]、[-10,10]、[-5,5]、[-0.6,0.6]，將語言變量E和EC的論域設置為[-3,3]，輸出變量對應[-1,1]，則e(k)、Δe(k)、ΔKp、ΔKI、ΔKD的量化因子Ke、Kec、K1、K2、K3分別為

(4)

根據(jù)以上控制規(guī)則，將論域E和EC分別映射到的Kp、KI、KD模糊關系為

(5)

其中，i和j表示E和EC模糊子集的個數(shù)。模糊推理的方法主要有Zadeh推理、Mamdani推理，本次采用Mamdani的極小推理法，根據(jù)模糊規(guī)則可以獲得模糊輸出的集合為

(6)

解模糊的方法主要有重心法、最大隸屬度法及系數(shù)加權平均法等，本次選用重心平均法，其計算公式為

(7)

其中，u(k)為模糊輸出集合對應的隸屬度，通過U1、U2、U3可以得到Kp、KI、KD的準確值，然后可以利用比例因子反推得到PID3個參數(shù)的修正值ΔKp、ΔKI、ΔKD，從而提高系統(tǒng)的控制精度。

3 穴盤苗移栽機試驗研究

將PLC控制系統(tǒng)和光電傳感器安裝在穴盤苗移栽機上，確定移栽裝置的結構參數(shù)后，便可以進行穴盤苗的移栽試驗，通過試驗來驗證系統(tǒng)的可行性和可靠性，本次使用的試驗樣機如圖6所示。

圖6 穴盤苗移栽機實驗樣機

為了滿足系統(tǒng)模糊控制的要求，僅僅有硬件電路還是不夠的，必須進行軟件設計。圖7為控制程序流程圖，其功能主要包括穴盤苗的定位功能、空穴的檢測和計數(shù)。

圖7 系統(tǒng)軟件流程

在無穴盤時，系統(tǒng)可以自動退出；當有穴盤時，光電傳感器開始對穴盤進行定位；當發(fā)現(xiàn)孔穴盤時，系統(tǒng)可以返回初始狀態(tài)對穴盤進行重新定位，并對空穴盤進行計數(shù)。當發(fā)現(xiàn)穴盤為非空穴盤時，利用光電傳感器采集的信息對穴盤進行定位，并利用PLC編程對電機進行控制，在PLC控制時可以采用嵌入式編程方法加入模糊控制方法，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。階躍信號和擾動信號如圖8所示。

圖8 階躍信號和擾動信號

在進行系統(tǒng)的調試時，為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給系統(tǒng)t=0時添加源信號后，在t=0.5時加入擾動信號，擾動信號產(chǎn)生的幅值為0.5；在t=1.0s時撤除系統(tǒng)，通過調試得到了如圖9所示的PID和模糊PID控制響應曲線。

圖9 PID和模糊PID控制系統(tǒng)階躍響應曲線

由圖9可以看出：自適應模糊PI控制系統(tǒng)階躍響應達到穩(wěn)定所用的時間約為參數(shù)固定PID控制系統(tǒng)所用時間的53.5%。其響應速度更快，且對系統(tǒng)干擾的抑制效果較好，擾動超調量要明顯小于PID控制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好。

表1表示穴盤識別的準確率和成功移栽率的實驗測試結果。由表1的測試結果發(fā)現(xiàn)：模糊PID控制算法相對于固定PID算法具有更高的識別率，且移栽成功率明顯偏高，從而驗證了模糊控制算法在PLC控制中優(yōu)勢，也驗證了基于PLC和光電傳感器的自動移栽裝置系統(tǒng)的可行性和可靠性。

表1 穴盤苗準確識別率和成功移栽率測試

4 結論與討論

為了提高穴盤苗移栽設備的作業(yè)效率和自動化程度，設計了一種基于光電傳感器和PLC編程的自動移栽裝置，并嵌入了模糊控制器，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了驗證自動化移栽裝置的可行性，設計了試驗樣機，并開發(fā)了PLC控制的上位機和下位機控制平臺及模糊控制系統(tǒng)，最后對試驗樣機進行了試驗。試驗結果表明：模糊PID控制算法相對于固定PID算法具有更高的識別率，且移栽成功率也明顯偏高，從而驗證了模糊控制算法在系統(tǒng)中應用的可行性。由于穴盤苗移栽作業(yè)環(huán)境的復雜性，在今后的進一步研究中，還需要對設備做進一步的改進，優(yōu)化移栽裝置的執(zhí)行末端，使該裝置具有普遍適應能力，以在實際自動化育苗作業(yè)生產(chǎn)中進行推廣。

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Design of Automatic Transplanting Device for Plug Seedlings Based on PLC and Photoelectric Sensing Control

Tian Lei1, Xing Pengkang1, Zhang Li2

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China;2.Wuhan Qingchuan University, Wuhan 430064,China)

As an important equipment in the production of nursery, transplanting mechanization equipment is of great significance in improving the efficiency of the work. In order to improve the tray seedling transplanting efficiency and automation, it designed a kind of automatic transplanting device based on photoelectric sensor and PLC programming, and it effectively improved the system anti-interference ability and the degree of automation in the embedded PLC controller based on fuzzy control algorithm. The device uses photoelectric sensor to scan the characteristic parameters of the hole, which can find the situation of the hole and the hole, and locate the hole plate seedling. It designed and developed the experimental prototype, the upper computer and the lower computer control platform. The PLC controller and the fuzzy control software frame were used to realize the automatic transplanting of the transplanting equipment. The experiments indicated that the accuracy of identification rate and transplanting success rate is 98.9% and 99.5%, with the average of and, which can meet the needs of modern greenhouse cultivation.

photoelectric sensor; transplanting equipment; PLC controller; fuzzy control; plug seedling

2016-05-18

河南省科技攻關項目(152102110161)

田 磊(1983-)，男，河南南陽人，講師，碩士。

張 莉(1978-)，女，武漢人，講師，碩士，(E-mail)gqh0591@163.com。

S223.9

A

1003-188X(2017)07-0125-05