基于切换模糊PD控制的智能对虾投饵机颗粒精确定位系统研究

《Smart Agricultural Technology》：Automatic Pellet Positioner with Switched Fuzzy-PD Control for a Smart Shrimp Feeder

本文推荐一篇发表于《Smart Agricultural Technology》的研究论文。研究团队针对水产养殖中饲料颗粒在干湿介质转换阶段易出现分散和营养流失的问题，开发了一种用于智能对虾投饵机的自动颗粒定位系统。该系统采用双自由度机械臂和绞盘驱动机构，并创新性地提出了一种监督切换模糊PD控制策略。研究结果表明，该控制架构在混合介质界面实现了稳定精确的定位性能，相比开环、常规PD和增益调度PD控制器具有更优的轨迹跟踪和负载稳定性，为跨空气-水环境的精密机电执行器提供了实用解决方案。

　　

随着全球对可持续和高效食品生产需求的增长，水产养殖已成为全球粮食系统的关键部门。在这一背景下，集成了自动化和数字技术的智慧水产养殖，在提高投喂精度、增强操作一致性和优化资源利用方面变得至关重要。然而，对虾养殖中的饲料投递面临一个特殊挑战：如何将颗粒饲料从水面精准输送至池塘底部，特别是在干相（空气）向湿相（水）转换的关键阶段。如果投饵板下降速度过慢，颗粒会过早吸水，导致结构崩解、营养流失和水体污染；反之，如果下降速度过快，则可能导致颗粒从板上脱离，偏离预定轨迹，无法被目标物种摄食。此外，投饵系统在垂直运动过程中会穿越不同的空气和水相，其动力学行为会因颗粒质量、浮力和流体动力效应的变化而呈现非线性，这使得精确的速度控制变得尤为困难。

为了解决这些多方面的挑战，来自秘鲁工程与技术大学的研究团队在《Smart Agricultural Technology》上发表了一项研究，提出了一种用于智能对虾投饵机的自动颗粒定位器及其切换模糊PD控制策略。该研究旨在设计一个精密的机电执行器，在一个更广泛的智能水产养殖框架内执行投喂指令。该系统基于一个二自由度机械手，配备绞盘驱动的带式机构，可实现投饵板的受控下潜和回收。研究人员将颗粒轨迹定义为四个连续阶段：干相下降、入水、湿相下降和湿相上升。为了应对系统非线性和不同操作阶段（空气/水）的动态特性变化，本研究的主要贡献是提出了一种监督切换模糊控制策略。作为基准比较，开环控制和常规增益调度PD控制器也在相同条件下进行了测试。

为开展本研究，研究人员首先建立了投饵系统的机电和流体动力学模型。机械设计基于Denavit-Hartenberg (DH) 约定，采用绞盘和带式提升系统，并考虑了可变缠绕半径引入的非线性。动态模型在拉普拉斯域中建立，描述了从控制输入（PWM占空比）到投饵板垂直位移的传递函数。关键的技术方法包括：1) 基于电机编码器的位置估计和基于电机电流的相位检测，用于识别系统的四个操作阶段（G₁–G₄）；2) 针对每个阶段分别设计了局部模糊PD控制器，其超参数通过实验数据和控制启发式进行整定；3) 提出了一个监督切换架构，根据调度参数p_c动态选择并平滑插值相邻的局部控制器；4) 通过动态仿真和实验室实验（包含板升降和变负载条件）评估控制器性能。实验使用250克有效负载，进行了三次独立试验。

2.1. 机械设计与架构

研究在一个用于对虾养殖自动投饵的机电平台中进行。系统集成了一個基于绞盘的计量单元，用于将投饵板定位在池塘底部。操作子系统包括一个与投饵板耦合的双臂机构。垂直运动由带有自锁蜗杆驱动的JGY-370直流齿轮电机产生，位移h_d通过电机的集成正交编码器测量。相位检测策略则使用ACS712T-20A霍尔效应传感器测量电机电流。

2.2. 变半径绞盘的几何模型

绞盘几何通过一个随轴角θ平滑变化的有效半径r_eff(θ)表示，这为前馈补偿和增益调度控制算法提供了紧凑的表达式。研究建立了精确的离散层模型和连续的二次近似模型，以描述电机轴旋转与板垂直位移之间的关系。

2.3. 从输入命令到板高度的动态模型

建立了执行器-板系统的线性机电模型。通过结合电枢电路动力学（基尔霍夫电压定律）和机械动力学（牛顿第二定律），并考虑外部负载转矩（包含板质量、饲料质量和浮力效应），推导出从控制输入U(s)到板高度H(s)的完整二阶传递函数G(s)。

3. 控制架构开发

控制策略从基本的开环和固定增益控制器发展到自适应切换模糊控制方案。

3.1. 开环和PD控制

初步开环测试显示了系统的基本响应，但存在飞溅和推力不足等问题。针对标称负载调谐的PD控制器在空气和浅浸没中表现稳定，但在高负载或水饱和负载下性能下降。

3.2. 通过电机电流检测操作相位

电机电流在不同负载条件下表现出独特的特征，因此被用作增益调度控制中的切换信号。通过硬件RC低通滤波器和数字移动平均滤波器对电流信号进行调理，并由监督有限状态机（FSM）逻辑确保操作相位的严格顺序演进。

3.3. 增益调度PD控制

为四个操作相位分别设计了局部PD控制器。调度参数p_c∈ {1, 2, 3, 4}由电机电流曲线确定，使得能够在相邻界面（例如，水入口时的G₁–G₂，出水时的G₃–G₄）之间插值比例和微分增益。

3.4. 切换模糊PD控制

实现了Mamdani型切换模糊PD控制架构。控制输入为离散时间域的位置误差e(k)和误差率de(k)。两者被模糊化为五个标准语言项{NB, NS, ZO, PS, PB}。模糊推理选择器根据调度参数p_c选择四个局部模糊控制器（G_c1–G_c4）中的一个，每个控制器都针对其相应的操作相位进行了调谐。

4. 验证与控制策略比较

为了进行客观比较，考虑了标准的性能指标，包括界面穿越时间、稳定时间和稳态误差。

4.1. 下降阶段分析（G₁→ G₂）

下降控制面临的挑战是在空气-水界面（h = -610 mm）保持连续性。开环控制器最大化入口速度，但导致底部过度反弹。PD和增益调度PD提供更平滑的入口，但经典PD在进入G₂时因粘性摩擦突然增加而表现出轻微延迟。模糊PD控制器平衡了这一过渡，实现了10.64秒的稳定时间和23毫米的最小稳态误差。

4.2. 上升阶段分析（G₃→ G₄）

上升阶段代表了最关键的控制挑战，因为在G₃→ G₄界面出水时，系统会失去在水中辅助电机的浮力，同时有效负载因饲料吸水和结构持水而增加。如果控制器未能补偿这种突然的负载增加，系统会失速。验证结果表明，增益调度PD和切换模糊PD控制器成功检测到持续误差并增加了其有效增益。模糊PD控制器实现了最佳性能，最终误差为8.13毫米，而经典PD控制器则卡在界面附近。

定量性能指标显示，随着控制策略从固定增益转向自适应和基于规则的方案，系统性能逐步提高。切换模糊PD控制器通过语言规则和连续参数更新混合控制动作，在所有操作阶段（G₁–G₄）实现了更低的稳态偏差和更高的平滑度。

研究结论与意义

本研究成功设计并验证了一种用于水产投饵的精密机电执行器，该执行器能够应对关键的空气-水转换。研究建立了一种基于相位的垂直轨迹表示法，并实施了切换模糊PD控制策略，在变化的浮力和负载条件下调节绞盘-板机构。

比较分析表明，所提出的切换模糊PD控制架构在混合介质界面提供了稳定和精确的定位性能。在关键的上升阶段，其定位误差（8.13 ± 2.70 mm）显著优于固定增益PD控制器（误差 > 360 mm），并且比增益调度方法（标准差±2.70 mm vs ±7.97 mm）具有更好的一致性，证实了系统在混合环境下保持投饵精度能力。

在局限性方面，当前验证是在假设静水条件的实验室水箱中进行的，未捕获开放水域环境中的随机扰动（如波浪、强流）。虽然基于电流的检测在实验室验证中有效，但未来的实地部署可能需要集成专门的硬件（如电容式深度传感器或水接触开关）以使相位检测在真实世界池塘中免受环境噪声的影响。未来的研究还应侧重于将这些感官输入与扰动观测器相结合，以补偿波浪引起的运动，从而将这种精密驱动架构扩展到具有活虾群的全面操作条件。

总之，该研究提出的模型和控制策略为在存在介质转换和可变负载条件的水产环境中使用的投饵机制提供了一个可推广的框架。结果表明，使用低成本传感和驱动可以实现稳定的性能，同时允许参数自适应以适应不同的水产养殖物种、投饵行为和颗粒特性。