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浅谈农业自动化中控制器的发展

发表时间：2020/10/16 来源：《基层建设》2020年第19期作者：贺锐

[导读] 摘要：随着农村劳动力的流失，农业生产对对农业自动化提出来更高的要求。

        陕西省榆林市靖边县河东农机学校陕西榆林 718500
        摘要：随着农村劳动力的流失，农业生产对对农业自动化提出来更高的要求。所以，农业自动化中尤为重要的控制器的要求也相应的提高。本文介绍了农业自动化中控制器以及控制理论的发展过程，强调了优化后的PID控制算法在农业自动化中应用。在农业自动化系统设计时要以作物为中心，在设计控制器要提高控制器对处理未知情况的能力，让其具有更高的实用价值。
        关键词：农业自动化；控制器；PID
        1 引言
        一个完备的农业自动化系统基本上是由被控对象、传感器、控制器、执行装置等部分组成。其中控制器是整个农业自动化系统的“大脑”[1]。在农业自动化系统中通过传感器来获取所需要的信息，控制器就是根据已收集到的信息做出决策，决定系统下一步做什么[2]。控制器之所以被称之为整个系统的“大脑”，是因为在整个系统中只有控制是分析信息、整合信息、处理信息并决定整个系统下一步的动作[3]。
        2 控制器的种类
        控制器可以根据控制器的输出量的状态来进行分类。控制器最初可分为离散输出控制类和连续输出控制类。通常，输出量的状态越多，控制器就比较复杂，成本也就越高。
        2.1 离散量控制
        开关控制是最简单的控制，它属于离散量控制。这种控制只有两种状态，一种是开例如输出“1”，一种是关例如输出“0”。开关控制也是在生活应用比较广泛的控制策略，例如一个简单的温控设备就可以利用一种传感器控制器来控制，这个温控传感器就相当于同时完成了传感器和控制器的两个的功能。
        比开关量控制复杂程度更高的是一种三位控制器，这种也属于离散输出控制器。只不过这种控制器比之开关控制多了一位控制，比如，对推杆电机的控制，可以使推杆电机具有收缩、停、伸展三个状态。这种控制器经常被用在系统中控制器输出是时间的积分，也就是说，控制器的输出代表最终系统输出的关于时间的微分。
        2.2继电器控制
        继电器是一类通过监控各种电量或非电量信号，接通或断开小电流的控制电路的电器。继电器有常开型和常闭型，可以根据实际需要进行选取。在工业应用上，继电器通常配合接触器、按钮等组合而成的硬件控制电路，用于控制三项鼠笼式电动机起、转、停等工作。
        目前，主要是运用在单片机控制上，利用单片机来控制继电器的状态，进而控制电压比较高的用电器。
        2.3可编程逻辑控制器
        可编程逻辑控制器即为我们所熟知的PLC，它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程[4]。最初的目的是替代机械开关装置(继电模块)。然而，自从1968年以来，PLC的功能逐渐代替了继电器控制板，现代PLC具有更多的功能[5]。
        计算机的发展奠定了可编程逻辑控制器的快速发展，使得它的功能得到了飞跃。因此，PLC普遍应用于工业控制中，同时近几年在农业控制系统中快速发展。
        3控制原理的发展
        随着工业发展的进步，人们逐渐认识到控制在一个系统中对生产效率的提高所起到的作用。因此对控制系统方面的研究越来越多也越来越完备。近年来，国外农业自动化飞速发展，农业机械设计向高速、宽幅、大功率、舒适的方向发展。自动化控制技术在农业机械上的应用已相当普及，一些著名厂商把自动控制、信息处理、全球定位系统和激光、遥感等现代尖端技术、装备应用于农业机械上[6]。
        3.1 早期的控制系统
        随着瓦特改良了蒸汽机，使工业生产获得了新的动力，大大地提高了工业的生产效率。其中瓦特为了控制蒸汽机的输出的转速，发明一种飞球调速器。这也是最早的用于蒸汽机上的机械式的控制装置。这种机械式控制装置是通常利用平衡力或非平衡力来控制输出量。类如早期的在农业上应用的牵引控制系统，这是一种拖拉机上的机械液压控制系统，输出恒定的牵引力自动地升降悬架农机。
        3.2经典控制理论
        随着数学学科的快速发展，在20世纪中叶，以Laplace变换为基础的经典控制理论（Classical control theory）应运而生。经典控制理论以传递函数为基础，研究单输入、单输出（SISO)控制系统的分析与设计问题的控制理论[7]。
        经典控制理论主要用于解决反馈控制系统中控制器的分析与设计的问题。为指导农业自动化生产的实践发挥了极大的作用。
        3.3现代控制理论
        因为经典控制系统的局限性。同时，随着生产过程自动化水平的提高，所需要控制的系统也越来越复杂。因此，在20世纪下半叶现代控制理论（Modern control theory）便发展起来了。
        现代控制理论是建立在状态空间（时域）上的一种分析方法，它的数学模型主要是状态方程，控制系统的分析与设计是精确的。现代控制理论的核心之一是最优控制理论。就是以系统在整个工作期间的性能作为一个整体来考虑,寻找最优控制规律，从而大大改善系统的整体性能[8]。现代控制理论为农业自动化控制系统，尤其是农业机器人方面的机械手系统的设计提供了强有力的技术支持[9]。
        3.4智能控制
        人工智能是近些年来很火的话题，在农业自动化控制方面也有了人工智能的影子。智能控制是人类仿照自己的思维和行为活动来设计一种控制模式，使其能够像人一样在工作中遇到问题能过做出相应的合理的动作。
        对于目前具有的技术手段，很难实现真正意义上的农业智能控制。因此，需要从新定位农业机器人的智能程度，采取人机协同作业的工作模式，可能更加适用于现在的农业生产工作[3]。比如，人工对机器人的行走路线、采摘对象的确定以及机器人导航等比较复炸的工作进行操作，而对于手臂的运动轨迹以及采摘力度则可以由机器人进行操作[10]。
        3.5 小结
        一个控制系统的好坏，我们从稳定性、响应速度（快速性）、和准确性三个方面来衡量。我们总希望所设计的控制系统能有很好的性能，即需要控制系统响应速度快，稳定性高[11]。稳定性是控制系统工作的基础，快速性是系统动态特性的要求，准确性系统的稳态特性的要求。
        在20世纪以前，农业机械系统主要是以机械为中心，来提高机械的生产力。在20世纪以后，农业自动化系统更多的是以种植的作物为主，以提高农业的生产率，农业资源浪费最小化，农业环境破坏最小化为目标[12]。
        4控制策略
        控制策略是设计控制系统是必须要考虑的问题之一。好的控制策略可以大大提升整个系统的工作性能。
        4.1 控制前处理
        由于我们采用的计算机都具有离散性，计算机只能处理离散量。因此，在农业自动化系统中经由传感器所得到的信息有时需要进行离散化，例如AD/DA转化，然后才能够被计算机处理[13]。而且，由传感器得到的信号多数含有噪声，这就需要提前对信号进行降噪处理，以得到最真实的信息。这样才能使控制器根据实际工作状况做出正确的判断。
        4.2 PID控制
        无论是在工业生产中还是农业生产中都比较倾向于采用PID控制策略，这是一种简单、有效的控制算法，具有控制稳定性高，工作可靠等特点。PID控制原理如图一。

图一

比例系数

、时间积分

、微分时间

[14]
对于PID控制在计算机上实现，多采用位置式PID控制和增量式PID控制两种控制方式。但是，传统的PID控制器很难实现良好的控制效果。而且PID控制器参数的整定是比较困难的[15]。因此，针对PID控制器的问题，现在也提出了很多新型的改进方法，使得PID控制器的性能得到了显著的提升[16]。
基于BP神经网络对PID的比例系数

、时间积分

、微分时间

三个参数进行最优选择[17]。可以使得PID控制器在控制系统中性能达到最优。采用优化后的PID控制算法在农业自动化控制中可以得到更好的控制效果。
        5结语
        本文主要介绍了在农业自动化系统中的控制器，从最小简单的开关控制器到智能控制器，控制器的应用也越来越广泛，尤其是在农业控制系统中，在农业机器人方面的应用更为普遍。当然，不同的控制算法适应于不同的农业工作环境，所以对不同的农业工作条件选择合适算法与参数，才能提高控制系统的控制性能。设计一个好的控制器要尽可能考虑到机器工作时可能会出现的任何状况，并对其有相应的合理的控制，以保证农业机械正常的作业。控制器在处理未知情况时具有更高的容错性和安全性。这也是我们对未来控制系统的要求。
        参考文献
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        5.郝战存 (2004) 可编程控制器发展综述. 河北工业科技, 53-56.
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