PLC技术在农业机械电气控制装置中的应用论文

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2025-03-20 11:11:35 来源：作者：xujingjing

摘要：基于PLC技术在电气控制装置中的应用，设计了PLC控制的农机电气控制装置。研究结果表明，PLC技术的应用能提高农业机械的智能化水平，提高农机转速、行驶路线等关键作业参数的自动化控制精度，在保障农机稳定运行的基础上，提高农业机械自动化水平。

　　摘要：基于PLC技术在电气控制装置中的应用，设计了PLC控制的农机电气控制装置。研究结果表明，PLC技术的应用能提高农业机械的智能化水平，提高农机转速、行驶路线等关键作业参数的自动化控制精度，在保障农机稳定运行的基础上，提高农业机械自动化水平。

　　关键词：PLC技术；模糊控制；农业机械；转速；行驶路线

　　1.基于PLC技术的农机电气控制装置设计思路

　　在农业生产过程中，农业机械的转速和行驶路线是决定农机作业性能的关键。通过设置一套与农业机械相配套的电气控制装置，能根据农业生产作业要求，自动调整农业机械的作业参数，在精准控制农机行驶路线的同时，采用电机和PID控制方法控制农机转速[1]。在农机电气装置设计中，对PLC技术的应用主要通过开发一套集合PLC技术和终端设备的电气控制装置，实时监控农机工作状态和运行数据，利用中心服务软件完成对农业机械的控制。

　　在农机电气控制装置运行时，PLC的功能是结合工作人员输入的指令，灵活选择中断响应方式，在收到用户提出的各种操作后，精准地执行应用程序。PLC中断响应流程见图1。

　　2.PLC技术在农机电气控制装置中的应用策略

　　2.1硬件设计

　　2.1.1总体架构

　　农机电气控制装置的总体架构如图2所示。

　　根据图2所示，研究的农机电气控制装置本质上是电气自动化控制系统，主要由路径规划、运动控制、PLC控制等核心硬件组成，其中PLC控制模块是整个装置的核心。

　　2.1.2 PLC模块

　　在PLC模块设计中，根据农机电气自动控制装置的设计需求以及系统开发成本，在确保PLC能满足转速控制和行驶路线控制要求的基础上，选择了日本三菱公司研发的FX3U-16MR/ES-A PLC，该PLC能替代继电器用于简单控制场合，并且在运行过程中不易受外部环境干扰，也适用于复杂的自动化控制系统。在PLC模块中，设计的I/O点数如表1所示。

　　2.1.3路径规划模块

　　装置中路径规划模块的功能主要有农机自动定位、路线自动纠正。在电气自动化控制系统中能够利用GPS导航及无线传感网来实现定位与导航功能，通过在农机装备上设置一个移动节点，立足于已知位置的节点，将农机上移动节点的位置计算出来。

　　在算法流程中，移动节点位置的计算可以先任意设定三个节点，并将三个节点的位置坐标设定为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)。在确定好随机节点已知的位置后，可以选择一个未知的坐标节点，将该节点的坐标设为(xm,ym)，在两个已知节点的间距为d0的条件下，系统按照RSSI的测距原理，通过*号强度来确定不同节点之间的距离如下：

　　式中：R(d)为某移动节点接收到固定节点的*号强度；d为两个节点之间的距离；μ为接收*号的衰减指数。

　　2.1.4运动控制模块

　　运动控制模块主要由油门、制动、挡位、转向等控制子模块组成，该模块在运行时可以自动获取PLC发送的各种控制命令，不仅能自动对农机的行驶路线进行调节，而且具备自动调整农机速度方向的功能，消除农机行驶路线和预设路线间可能存在的误差。

　　2.2功能实现

　　2.2.1转速控制

　　农机电气自动化控制装置适用于农机电机的转速控制，控制效果主要取决于模糊PID的使用。在转速控制中，农机电气控制装置采用电机扭矩计算公式来计算电机的输出扭矩：

　　式中：Tmo为电机输出扭矩；Pmo为电机输出功率；ωs为角速度。

　　PID模块控制器主要利用传感装置来获取电机在运行时的转速，通过将测定转速和标准转速进行对比，实时动态识别其中的偏差，并在PID控制器的作用下自动对转速进行控制[2]。为实现上述功能，利用模块控制手段对PID参数进行调整，将电机转速监测结果和预设目标存在的偏差作为系统的输入量，二者的集合如下：

　　式中：e为设定偏差；ec为偏差趋势。

　　2.2.2路径规划

　　在农业生产作业前，电气控制装置需要提前做好农机作业路径的规划。在路径规划上，为提升农机作业的自动化水平，采取定步长连续寻点的方式，将整条路线划分为若干节点，通过指挥农机在两个节点之间寻找最优路径，实现对农机路径的自动规划，并且农机按预设方向和速度前进至目标节点后，可以采用相同的方法向下一个目标节点前进。

　　在农机运行过程中，为避免农机行进方向偏离预设路线，采用PID控制法来控制农机转向，在系统计算出农机行驶路线和预设路线存在的偏差后，由PID控制器采用模糊控制算法来控制农机的转向。基于PID控制的农机转向自动控制原理见图3。

　　在农机路径规划和转向控制的基础上，为进一步降低农机行驶路线和预设路线的偏差，在农机作业前可以先在系统中设置目标转速。在作业时采用霍尔传感器测得农机的实际转速[3]，再通过计算机进行计算，得到转速的偏差和速度偏差。将计算结果作为PID控制器的输入变量，在PID控制器的帮助下输出变量kp、Ti、Tm等能被实时调整，系统输出值为经计算机软件处理后的最优解。最后利用PLC控制器结合调整后的速度控制指令向运动控制模块发送*号，自动完成对农机速度的调整。

　　3.系统测试

　　为明确基于PLC技术的农机电气控制装置的应用效果，以拖拉机为试验对象，为消除地势因素对试验结果可能造成的影响，选择一块1亩的平整农田进行农机控制试验。在试验过程中，总共设置25个已知坐标的节点，这些节点能对整个试验田进行覆盖，在农机行驶路径上随机选择10个节点，测试其理论坐标、行驶坐标以及拖拉机经过该节点时的速度，测试结果见表2。