PLC技术在农业机械电气控制装置中的应用论文

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。
根据表2所示,各测点的最大误差值为0.2,平均误差值为0.1,速度误差最大值为0.2m/s,说明电气控制装置在农机行驶路线控制上的精度较高,尤其是在定位精度和速度控制精度上。基于PLC的农机电气控制装置有着较高的应用价值。
4.结束语
为提升农机行驶路线控制精度,探索了PLC技术在农机电气控制装置中的应用。基于PLC技术开发设计的具备自动化控制功能的电气控制装置能在实现农机自动化控制功能的基础上,提升行驶路线控制精度和降低控制误差。
[1]胡利军.农机电气自动控制中PLC技术的运用分析[J].河北农机,2024,(03):22-24.
[2]孙菁.PLC技术在农机电气控制系统中的应用与研究[J].农业工程与装备,2023,50(01):48-49+**.
[3]刘日晨.PLC技术在农业智能电机保护系统中的设计应用[J].当代农机,2022,(05):49-50.
