基于模糊PID的禽蛋抓取測控系統步進電機的研究

摘要：設計了基于單片機的禽蛋抓取控制系統的步進電機控制技術，運用ＰＩＤ控制技術對步進電機進行了算法設計，將ＰＩＤ與模糊控制相結合組成模糊ＰＩＤ控制，基于ＭＡＴＬＡＢ建立了仿真模型并對其仿真結果進行了分析，利用單片機測控系統進行了試驗研究。

關鍵詞：測控技術；步進電機；轉速控制；模糊ＰＩＤ控制；禽蛋

中圖分類號：ＴＰ２７３＋．４文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）21－4473-04

Study on the Step Motor for Egg-grasping Measurement and Control System based on Fuzzy-PID

ＬＩＵ Ｈａｉ－ｍｉｎｇ１，ＷＵ Ｙｏｎｇ－ｊｉｎ１，ＨＵＡＮＧ Ｓｈｕａｎｇ－ｇｅｎ２，ＨＵＡＮＧ Ｄａ－ｘｉｎｇ３

（１．Ｈｅｙｕａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ， Ｈｅｙｕａｎ ５１７０００， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｊｉａｎｇｘｉ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Sｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ，

Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００４５， Ｃｈｉｎａ； ３． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｈａｏgｕａｎ， Ｓｈａｏｇｕａｎ ５１２００５， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｅｇｇ－ｇｒａｓｐｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ ａｎｄ ｉｔｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｅｓｔ ｓｔｕｄｙ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ； ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｆｕｚｚｙ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ； eggs

目前，國內主要依靠人工在燈光下觀察或通過有經驗的工人敲擊禽蛋聽蛋殼發出的聲音等方法識別、去除破損禽蛋。隨著禽蛋加工業的發展，禽蛋生產規?；笆袌龌粩嗉訌?，外貿出口不斷擴大，人工分揀方法顯然已經不能滿足需要。在國外已實現了禽蛋自動化的檢測、分級和包裝生產線，其效率和產量達到了較高的水平。在我國發展自動化的檢測、分級和包裝操作設備，實現自動化、規模化的生產，可以降低工人的工作強度，改善工作環境，降低成本，提高禽蛋的質量，有利于提高我國產品出口的競爭力。

以禽蛋在無損檢測時的自動化抓取作為研究目標，探索利用機器人技術實現自動化的禽蛋檢測操作。在已建立的單片機抓取控制系統上［１］對步進電機進行控制以實現智能化、自動化，為禽蛋的自動檢測和分級提供快捷簡便的操作平臺。

１系統硬件優化設計

文獻［１］對禽蛋抓取控制系統的硬件進行了設計，為了使系統進一步優化，先對接近開關的電路和電磁閥控制電路進行設計。

１．１接近開關的電路設計［２］

系統使用的是南旭公司的ＳＴ１６８紅外光電速度傳感器，由一個高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，其結構見圖１。其工作原理是：在傳感器前面沒有遮擋的時候，紅外光電二極管發射出去的紅外光不能返回為光敏三極管接受，三極管截止，兩端電壓為４．９９ Ｖ；當有遮擋的時候，光敏三極管接受到反射過來的紅外光，使三極管導通，ＥＣ兩端電壓為０．１４ Ｖ。根據這個原理，當傳感器距離禽蛋的距離小于１ ｃｍ時，在ＥＣ兩端就會相繼產生０．１４ Ｖ的低電平，Ｃ端與單片機ＩＮＴ０端口連接。Ｃ輸出低電平時，單片機就執行中斷程序將Ｐ２．０口設置為高電平。

１．２電磁閥控制電路設計

電磁閥控制電路主要由三極管、繼電器、電磁閥構成，系統采用Ｑ２３ＸＤ電磁閥，屬于常閉型號，驅動電壓為２４ Ｖ，其結構見圖２。當電磁閥上電時導通，吸盤內氣壓與大氣壓相同；當電磁閥失電時關閉，吸盤內氣壓在真空泵作用下降低，此時吸盤與禽蛋接觸時就可以在大氣壓的作用下將禽蛋吸起。繼電器工作電壓為１２ Ｖ，通過９０１４控制繼電器的工作。電磁閥由Ｚ軸控制器控制，當接近開關探測到禽蛋時向ＩＮＴＯ口發送一個低電平，中斷程序將Ｐ２．０口設置為高電平。當Ｐ２．０為高電平時，通過光電隔離器輸出基電流，三極管集電極和發射極導通，繼電器線圈上電，產生電磁力將觸點從２４ Ｖ位置變換到ＯＶ位置，電磁閥由上電狀態變為失電狀態，吸盤就可以取蛋。

２步進電機模糊ＰＩＤ控制

２．１ＰＩＤ調節算法模型［３］

步進電機在運行過程中大部分時間處于勻速運轉狀態，因此應對步進電機轉速進行控制，本研究先運用ＰＩＤ控制技術對轉速進行調節控制，來分析ＰＩＤ控制系統的性能是否滿足系統要求。傳統ＰＩＤ控制系統原理框圖如圖３所示。

ＰＩＤ控制器是一種比例、積分、微分并聯控制器，它是廣泛應用的一種控制器。其數學模型可以用下式表示［２］：

Ｐ（ｔ）＝Ｋｐ［e（ｔ）+■∫e（ｔ）ｄｔ＋ＴＤ■］（１）

式中，Ｐ（ｔ）為調節器的輸出信號；ｅ（ｔ）為調節器的偏差信號，它等于給定值與測量值之差；Ｋｐ為調節器的比例系數；TI為調節器的積分時間；ＴＤ為調節器的微分時間。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差來計算控制量。因此，必須首先對上式進行離散化處理，則可得到離散的ＰＩＤ表達式：

Ｐ（ｋ）＝Ｋｐ｛ｅ（ｋ）＋■■Ｅ（ｊ）＋■［Ｅ（ｋ）－

［Ｅ（ｋ-1）］｝ （２）

式中，Ｔ為采樣周期，必須足夠小，才能保證系統有一定的精度；Ｅ（ｋ）為第ｋ次采樣時的偏差值；Ｅ（ｋ－1）為第ｋ－１次采樣時的偏差值；ｋ為采樣序號，ｋ＝０，１，２，３；Ｐ（ｋ）為第ｋ次采樣時調節器的輸出。

２．２ＰＩＤ控制的優化

基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ軟件對系統進行仿真分析［４］，首先建立其數學模型，系統由ＰＩＤ控制器、步進電機及轉速反饋組成，其中ＰＩＤ控制器由Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具箱提供。由于步進電機存在多變量、非線性、強耦合等復雜影響因素，很難建立系統的精確模型，采用傳統ＰＩＤ控制器，難以獲得滿意的控制效果。當參數變化超過一定的范圍時，系統性能就會明顯變差，致使ＰＩＤ控制難以達到系統所需要的要求。為克服傳統ＰＩＤ控制的不足，提高其適應能力，利用模糊控制與ＰＩＤ控制策略相結合進行優化控制。

２．２．１模糊ＰＩＤ控制器設計模糊ＰＩＤ控制器由模糊控制器和ＰＩＤ調節器構成，模糊控制器的輸入變量為偏差ｅ和偏差變化率ｅｃ，輸出變量為ＰＩＤ控制器的３個參數ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ或ＰＩＤ控制器的參數增量⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ。它首先進行模糊化計算，然后根據模糊控制規則進行邏輯推理和判決，得到3個輸出變量ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ（或⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ）。原理如圖４所示。

２．２．２模糊ＰＩＤ控制器的設計步驟①確定模糊控制器的輸入、輸出變量，從而也就確定了模糊控制器的維數。一般輸入變量取系統的偏差和偏差變化率兩個輸入變量，選?。校桑目刂破鲄档模耍小ⅲ耍伞ⅲ耍模ɑ颞SＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ）為3個輸出變量。②根據實際要求確定各個輸入、輸出變量的變化范圍，然后確定它們的量化等級、量化因子、比例因子。③在每個變量的量化論域內定義模糊子集：首先確定模糊子集的個數和每個模糊子集的語言變量，然后為各語言變量選擇隸屬度函數。④確定模糊控制規則：這個過程是將操作人員的控制經驗加以總結得出的許多條模糊條件語句的集合，確定模糊控制規則的原則是要保證控制器的輸出能夠使系統輸出響應的動、靜態性能達到最佳。⑤制定模糊控制表。根據上面的模糊控制規則和已經確定的輸入、輸出變量求出模糊控制器的輸出，這些輸出值是ＰＩＤ控制器參數的調整量，把它們與輸入量在一個表中按一定關系列出就構成了模糊控制表。ＰＩＤ 3個參數一般是獨立調整，所以有3個模糊控制表。⑥把采樣得到的偏差、偏差變化率經過②③步以后，代入到模糊控制規則表，得出新的ＰＩＤ參數，再經過ＰＩＤ算法計算出最后的輸出量，即系統的控制量。⑦根據仿真效果或試驗結果分析模糊ＰＩＤ的控制性能，再對量化因子和比例因子進行調整以達到理想的控制效果。

２．２．３隸屬度函數選擇和確定模糊控制器的結構就是確定控制器的輸入變量與輸出變量，它是設計模糊控制器的第一步。根據本課題的特點，控制器的設計采用二維模糊ＰＩＤ控制器，輸入量為轉速的偏差ｅ和偏差變化率ｅｃ，輸出量為⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ。對于系統響應的誤差Ｅ、誤差變化率ＥＣ分別具有一定的變化范圍，將其變化范圍分別定義為Ｆｕｚｚｙ集上的論域。

E、EC的模糊論域和量化因子分別為：Ｅ＝［－６，

＋６］，量化因子Ｋｅ＝１／２５；ＥＣ＝［－６，＋６］，量化因子Ｋｅｃ ＝１／２．５；⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ的模糊論域分別為：⊿ＫＰ＝［－３，３］；⊿ＫＩ＝［－３，３］；⊿ＫＤ＝［－３，３］。ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ的比例因子分別設為５０、５、５。在調試過程中，可以通過觀察系統的運行性能來修改量化因子和比例因子。

各變量的模糊子集分別為：Ｅ、ＥＣ、⊿ＫＰ、⊿ＫＩ、⊿ＫＤ＝｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｏ，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝；各變量的隸屬度函數均為三角形，各變量的隸屬函數如圖５所示。

根據上述ＰＩＤ參數的作用以及在不同的偏差及偏差變化下對ＰＩＤ參數的要求，給出ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ 3個參數整定的初始模糊控制表（表１）。

得到ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ三者的調整規則后，根據模糊理論進行算法合成，求得相應ＫＰ、ＫＩ、ＫＤ的控制表。

利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ進行仿真，對傳統ＰＩＤ控制器與模糊ＰＩＤ控制器控制電機性能比較分析。其仿真結果如圖６所示。從圖６的仿真結果可以看出，傳統ＰＩＤ系統的響應速度相對模糊ＰＩＤ控制器快，但出現了很大的超調現象，并在目標值出現上下波動，這種現象在控制過程中是不允許的。模糊ＰＩＤ控制系統在穩定性方面優于傳統的ＰＩＤ控制系統，所以采用模糊ＰＩＤ控制系統是可行的。

３試驗與分析

系統采用光電編碼器對步進電機的定位和轉速進行反饋，通過記錄編碼器輸出的脈沖數得出步進電機的定位點，與設定值比較可以得出定位精度的誤差。由于條件所限，步進電機的定位點以步進電機轉過的步數為標準。通過記錄單位時間內的脈沖數可以得出步進電機的轉速，當轉速發生變化時，需要測出轉速的調節時間［５］。

步進電機在單片機控制下按照給定的步數轉動，編碼器將步進電機轉動的步數反饋給單片機，當步進電機的步數到達給定值時，單片機停止步進電機的運轉。在試驗過程中，設定了兩個步數給定值５０ ０００和６ ０００，分別代表了長距離和短距離的定位。試驗數據如表２所示，可以看出步進電機控制時偏差絕對值最大為５３個脈沖步數，采用閉環控制定位精度可以滿足實際要求。

４小結

利用電子技術及控制原理對原來的測控系統進行了優化設計，試驗結果分析可得：基于模糊ＰＩＤ進行設計的新系統定位性能更好，步進電機的定位精度在新型控制策略下得到顯著提高。模糊ＰＩＤ調速算法設計合理，控制策略達到了測控系統的設計要求，在計算機數學模型仿真中的結果與實際調速響應曲線較一致，步進電機響應近似于一階系統。

參考文獻：

［１］ 黃雙根，黃大星，劉木華． 雞蛋物理特性檢測自動化控制系統的設計［Ｊ］．農機化研究，２０１０（３）：１２５－１２６，１３５．

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［３］ 陶永華，尹怡欣，葛蘆生．新型ＰＩＤ控制及其應用［Ｍ］． 北京：機械工業出版社，１９９８．

［４］ 馬金祥，余發山，董愛華，等．一種模糊自適應ＰＩＤ控制器的設計與仿真［Ｊ］．焦作工學院學報（自然科學版），２００２，21（３）：１９７－２００．

［５］ 王曉丹，周國榮．模糊ＰＩＤ控制的步進電機細分驅動器設計［Ｊ］． 自動化與儀表，２００８，23（４）：３５－３８．