設(shè)施蔬菜生產(chǎn)無人化開溝施肥機(jī)控制系統(tǒng)研究*

吳丹，戴有華，劉永華，金文忻

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212400)

0 引言

江蘇省是全國蔬菜生產(chǎn)大省之一，2020年全省蔬菜種植面積為1 444 khm2，比2019年增加1.9 khm2。隨著蔬菜產(chǎn)量的不斷上升，蔬菜產(chǎn)業(yè)存在的用工難、用工貴、勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合不夠等突出問題也越來越明顯[1]。因此，積極推進(jìn)蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化，促進(jìn)蔬菜生產(chǎn)全面高質(zhì)量發(fā)展近幾年受到空前關(guān)注[2-4]。本項(xiàng)目針對設(shè)施蔬菜生產(chǎn)設(shè)計(jì)了自走式開溝施肥一體機(jī)，集自走、開溝、施肥、覆土于一體，節(jié)省了施種成本。

目前開溝施肥機(jī)主要是應(yīng)用于果園生產(chǎn)，用于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的幾乎沒有[5]，景子奇等采用單片機(jī)開發(fā)的果園開溝施肥機(jī)控制系統(tǒng)心，通過控制開溝刀盤升降油缸和排肥門開度實(shí)現(xiàn)開溝深度和施肥量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境；張宏建等[6]開發(fā)了基于STM32F103的自動調(diào)節(jié)深度式果園雙行開溝施肥機(jī)控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)開溝深度的自動調(diào)節(jié)。本項(xiàng)目在吸取果園開溝施肥機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)施蔬菜開溝施肥特點(diǎn)，農(nóng)機(jī)結(jié)合農(nóng)藝，開發(fā)出自走式開溝施肥機(jī)的控制系統(tǒng)。

1 開溝施肥機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

如圖1所示的無人化開溝施肥機(jī)，控制系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，其中無人自走控制主要由動力平臺完成，包括發(fā)動機(jī)、液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓轉(zhuǎn)向電磁閥、超聲波傳感器等；精準(zhǔn)施肥控制主要由施肥部件完成，包括碎肥電機(jī)、施肥量控制電機(jī)等；開溝控制主要由作業(yè)部件完成，包括開溝機(jī)機(jī)架控制電機(jī)、開溝部件升降電機(jī)及相關(guān)限位開關(guān)等實(shí)現(xiàn)。

圖1 開溝施肥機(jī)示意圖

PLC控制系統(tǒng)主要由低壓元器件、相關(guān)執(zhí)行元件和西門子S7-200 SMART PLC組成，其中相關(guān)執(zhí)行元件在開溝施肥機(jī)中的作用見表1。

表1 開溝施肥機(jī)控制系統(tǒng)主要執(zhí)行元件及作用Tab. 1 Main executive components and functions of the control system of the ditching fertilizer applicator

開溝施肥機(jī)在進(jìn)行開溝作業(yè)時(shí)，總體要求開溝速度平穩(wěn)，施肥精確。據(jù)此，總結(jié)出開溝施肥機(jī)的控制系統(tǒng)需求如下。

1) 開溝施肥機(jī)行走路徑如圖2所示，作業(yè)部件中的開溝施肥鏟并排設(shè)置8個(gè)，因此開溝機(jī)行走一個(gè)來回可以開溝施肥16路。本文以小型設(shè)施蔬菜大棚為例，開溝施肥機(jī)只需行走一個(gè)來回，若是大型蔬菜大棚，開溝施肥機(jī)需走多個(gè)來回。

2) 發(fā)動機(jī)采用傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)，但是加裝啟動按鈕，液壓泵和發(fā)動機(jī)共用一個(gè)啟動按鈕。

3) 開溝施肥機(jī)轉(zhuǎn)向由液壓轉(zhuǎn)向電磁閥控制，分左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，由超聲波傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)向到位檢測。

4) 液壓馬達(dá)驅(qū)動后輪行駛，安裝電磁閥，由電磁閥控制其通斷。

5) 肥料箱中的碎肥電機(jī)采用變頻器控制。

6) 施肥采用變量施肥，施肥量多少由步進(jìn)電機(jī)來精確控制，施肥量需要根據(jù)開溝速度和設(shè)施蔬菜種類確定不同的施肥量,開溝速度用速度傳感器來測量。

7) 制動器的啟停采用電磁閥控制。

8) 機(jī)架折疊電機(jī)采用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)機(jī)架的折疊與展開，同時(shí)安裝折疊到位限位開關(guān)和展開到位限位開關(guān)。

9) 開溝深度控制采用升降電機(jī)完成，在開溝作業(yè)部件底端加裝距離傳感器，實(shí)時(shí)測量開溝深度。

10) 上述內(nèi)容除可以自動控制外，也可以進(jìn)行手動控制。

圖2 開溝施肥機(jī)行走示意圖

2 PLC控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制需求，硬件部分包括整個(gè)系統(tǒng)的主控制器S7-200 SMART PLC、按鈕開關(guān)、繼電器、傳感器、限位開關(guān)、變頻器、電磁閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中超聲波傳感器選擇JUB2000-30GM-U-V15，檢測距離最大可達(dá)2 m；速度傳感器距離傳感器均選擇GT38DQS1非接觸式絕對值多圈角位移編碼器，經(jīng)過換算可以分別得到速度值和距離值?？刂葡到y(tǒng)的框架如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)時(shí)考慮手動控制需求和系統(tǒng)的安全性能，為每個(gè)執(zhí)行設(shè)備分配了各自的啟停按鈕，并安裝了急停按鈕。系統(tǒng)的I/O分配表如表2所示。

表2 I/O分配表Tab. 2 I/O allocation table

2.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

軟件采用STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件，是西門子公司專門為S7-200 SMART PLC設(shè)計(jì)的編程軟件。根據(jù)控制需求，系統(tǒng)進(jìn)入自動程序運(yùn)行時(shí)，首先默認(rèn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)處于停止?fàn)顟B(tài)，機(jī)架已折疊到位。以圖2中開溝施肥機(jī)行走一個(gè)來回為例。

1) 按下自動運(yùn)行按鈕，發(fā)動機(jī)和液壓泵啟動，緊接著液壓折疊機(jī)架開始展開，展開到位后，液壓馬達(dá)啟動，開溝施肥機(jī)準(zhǔn)備開始進(jìn)行開溝作業(yè)；此時(shí)碎肥電機(jī)啟動已有一段時(shí)間，通過經(jīng)驗(yàn)總結(jié)此時(shí)肥料已被打碎。

2) 開溝施肥機(jī)開始作業(yè)前關(guān)閉碎肥電機(jī)，開溝開始后根據(jù)開溝速度實(shí)時(shí)調(diào)整肥料用量。具體方法是：通過速度傳感器檢測開溝施肥機(jī)的行走速度，將檢測信號實(shí)時(shí)反饋到PLC，PLC通過控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)達(dá)到控制步進(jìn)電機(jī)精確轉(zhuǎn)動的目的，從而控制施肥閥門的開度。

3) 開溝施肥機(jī)在運(yùn)行過程中利用距離傳感器實(shí)時(shí)檢測開溝深度，保證深度維持在20 cm左右。

4) 直至開溝施肥機(jī)運(yùn)行至大棚對面，前方超聲波傳感器接收到信號，開溝施肥機(jī)開始右轉(zhuǎn)；在右轉(zhuǎn)過程中，左側(cè)超聲波傳感器會慢慢收到信號，等到左側(cè)超聲波傳感器信號消失后表明轉(zhuǎn)向已完成，此時(shí)關(guān)閉右轉(zhuǎn)向電磁閥。

5) 開溝施肥機(jī)繼續(xù)往回運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行靠近大棚時(shí)，前方超聲波傳感器再次接收到信號，此時(shí)啟動制動器，使開溝施肥機(jī)停止運(yùn)行。到此，一個(gè)來回的開溝施肥作業(yè)全部完成。

開溝施肥機(jī)控制系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 開溝施肥機(jī)控制系統(tǒng)流程

3 自適應(yīng)Fuzzy-PID變量施肥控制算法

3.1 自適應(yīng)Fuzzy-PID結(jié)構(gòu)

在施肥作業(yè)過程中，應(yīng)保證單位面積的施肥量是恒定的，過多或過少的施肥量都會影響蔬菜的生長。但是由于在實(shí)際開溝作業(yè)中，土質(zhì)不能保證均勻恒定，造成開溝速度的非線性問題。為此，本文采用變量施肥方法，根據(jù)開溝速度實(shí)時(shí)進(jìn)行施肥量的調(diào)整，以達(dá)到精準(zhǔn)施肥的目的[7]。

常規(guī)PID控制算法中的比例系數(shù)kp、積分時(shí)間常數(shù)ki、微分時(shí)間常數(shù)kd不變，適用于干擾較小的系統(tǒng)。Fuzzy-PID控制是將模糊技術(shù)與常規(guī)PID控制算法相結(jié)合，當(dāng)施藥量偏差較大時(shí)采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好；當(dāng)施藥量偏差較小時(shí)采用PID控制，靜態(tài)性能好，能達(dá)到較高的控制精度。而自適應(yīng)Fuzzy-PID控制是通過智能化的方法對Fuzzy-PID的參數(shù)進(jìn)行自動調(diào)整，以達(dá)到最優(yōu)控制的目的[8-10]。

圖5為Fuzzy-PID控制系統(tǒng)原理圖[11]，以目標(biāo)閥門開度與實(shí)際閥門開度的偏差e及偏差變化率ec為模糊控制器的輸入，以Δkp、Δki、Δkd為模糊控制的輸出，三個(gè)修正量作為PID控制器的輸入，用來控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖，從而達(dá)到控制施肥量的目的。

圖5 自適應(yīng)Fuzzy-PID控制系統(tǒng)原理圖

3.2 自適應(yīng)Fuzzy-PID設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行變量的模糊化處理[12]。設(shè)定偏差e和偏差變化率ec的論域?yàn)閇-3，3]，Δkp、Δki的論域均為[-6，6]，Δkd的論域均為[-1，5]。將模糊變量設(shè)定為7個(gè)，為{負(fù)大NB，負(fù)中NM，負(fù)小NS，零ZO，正小PS，正中PM，正大PB}。輸入和輸出隸屬度函數(shù)曲線如圖6所示。

其次進(jìn)行模糊控制規(guī)則的制定[12-14]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，制定如表3的控制規(guī)則，對應(yīng)控制規(guī)則的Δkp、Δki、Δkd的曲面如圖7所示。

(a) input variable “e” (b) input variable “ec” (c) output variable “kp”

(d) output variable “ki” (e) output variable “kd”

表3 Δkp、Δki、Δkd的模糊規(guī)則表Tab. 3 Fuzzy rule table of Δkp、Δki、Δkd

圖7 Δkp、Δki、Δkd的模糊規(guī)則曲面圖

3.3 自適應(yīng)Fuzzy-PID仿真

在進(jìn)行仿真前，首先確定被控對象。由于施藥量的多少是通過步進(jìn)電機(jī)控制閥門來實(shí)現(xiàn)的，步進(jìn)電機(jī)的傳遞函數(shù)

本文采用普菲德的兩項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)，型號為86BYG250C。根據(jù)其技術(shù)參數(shù)可以得出：齒數(shù)Zr為50；相電感L1為7.1 mH；A相電流iA為6 A；轉(zhuǎn)子慣量J為3.57 kg·cm2；粘滯阻尼系數(shù)D估算為0.1。

將相關(guān)參數(shù)代入可以得到步進(jìn)電機(jī)的傳遞函數(shù)

其次進(jìn)行PID參數(shù)整定[15-17]，即整定kp、ki、kd值。本文在Siumlink中建立PID的仿真模型(圖8)，利用PID模塊中的Tune功能得到初始參數(shù)，再在此基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)再調(diào)整，最終得到kp=3.930、ki=10.336、kd=1.277。

最后進(jìn)行Fuzzy-PID仿真，見圖9，仿真波形如圖10所示。

圖8 PID控制仿真圖

圖9 自適應(yīng)Fuzzy-PID和PID控制仿真圖

圖10 自適應(yīng)Fuzzy-PID和PID控制仿真曲線

3.4 仿真結(jié)果對比分析

由圖10可以看出，在單位階躍信號輸入的情況下，調(diào)節(jié)時(shí)間按達(dá)到穩(wěn)態(tài)誤差的±2%以內(nèi)計(jì)算，自適應(yīng)Fuzzy-PID控制和PID控制的參數(shù)對比如表4所示。

由表4可以得出，自適應(yīng)Fuzzy-PID比PID控制的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短35%；超調(diào)量減小81%，故自適應(yīng)Fuzzy-PID的控制效果優(yōu)于比PID控制，能滿足精準(zhǔn)施肥的要求。

表4 自適應(yīng)Fuzzy-PID和PID的參數(shù)對比Tab. 4 Comparison of parameters between adaptive Fuzzy-PID and PID

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

為驗(yàn)證本文開溝施肥機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在江蘇省句容市某蔬菜溫室大棚進(jìn)行了開溝深度試驗(yàn)和施肥量均勻性試驗(yàn)。

由于開溝施肥鏟能一次性開8條溝，因此一排8個(gè)開溝點(diǎn)算作為一個(gè)測試點(diǎn)，開溝施肥機(jī)在溫室大棚共走2個(gè)來回，試驗(yàn)隨機(jī)取10個(gè)測試點(diǎn)。開溝深度設(shè)置為20 cm，8個(gè)開溝點(diǎn)實(shí)際深度用卷尺完成測量，取一平均數(shù)。肥料采用小顆粒狀有機(jī)肥以便后期收集進(jìn)行稱重，開溝施肥機(jī)以變速進(jìn)行開溝以便驗(yàn)證每個(gè)測試點(diǎn)的施肥量是否均勻，每個(gè)測試點(diǎn)的肥料量設(shè)置為5 g，8個(gè)開溝點(diǎn)的肥料收集完成后取總數(shù)。

在開溝施肥機(jī)完成一次來回作業(yè)后，進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的測定，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 開溝深度和施肥量試驗(yàn)結(jié)果Tab. 5 Test results of trenching depth and fertilization rate

從表5可以看出，開溝深度最大相對誤差為7.5%，開溝深度基本在(20±1) cm范圍內(nèi)，開溝深度控制效果良好，滿足開溝要求。施肥量最大相對誤差14%，施肥量在6 g范圍內(nèi)，滿足精準(zhǔn)施肥要求。

5 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)了一種專用于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的開溝施肥一體機(jī)控制系統(tǒng)，采用S7-200 SMART PLC作為主控制器完成開溝施肥一體機(jī)的自走、無人化開溝和施肥。利用機(jī)身前、左、右的超聲波傳感器完成機(jī)器的轉(zhuǎn)向；利用距離傳感器完成開溝深度的測量；利用速度傳感器和步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施肥。

2) 針對開溝施肥時(shí)自走速度非線性的問題，提出了自適應(yīng)Fuzzy-PID的變量施肥模型，通過仿真可得自適應(yīng)Fuzzy-PID比PID控制的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短35%；超調(diào)量減小81%，故自適應(yīng)Fuzzy-PID 的控制效果優(yōu)于比PID控制，能滿足精準(zhǔn)施肥的要求。

3) 通過開溝深度試驗(yàn)和施肥量均勻性試驗(yàn)得到，開溝深度最大相對誤差為7.5%，平均相對誤差為1.2%，施肥量最大相對誤差14%，平均相對誤差為6.6%，誤差均在允許范圍內(nèi)。由此可得，開溝施肥機(jī)的控制系統(tǒng)在開溝試驗(yàn)時(shí)開溝深度能滿足開溝控制系統(tǒng)要求，并且控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，控制精度高，值得生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。