電液伺服系統(tǒng)控制器設計研究

0　引言

隨著電液伺服控制理論的發(fā)展, 很多先進的控制策略被應用于電液伺服控制領域中。如: 文獻[ 1 ]闡述了基本運算為不完全微分PID的濾波型二自由度控制算法, 針對飛行仿真轉(zhuǎn)臺用液壓伺服系統(tǒng)的特點進行了仿真研究。文獻[ 2 ] 研究了基于RBFNN 的PID控制在電液位置伺服系統(tǒng)中的應用。文獻[ 3 ]對電液位置伺服系統(tǒng)采用滑模變結構控制, 用最優(yōu)控制理論設計滑模平面, 均取得了良好效果。但大量文獻均是理論與仿真研究, 大多的工業(yè)應用仍然以模擬電路實現(xiàn)PID控制算法為主, 主要原因是實現(xiàn)這些先進的控制算法的方法目前都是由負責控制的下位機用程序?qū)崿F(xiàn)的, 而計算機易出現(xiàn)死機、掉電等情況, 這使液壓系統(tǒng)可靠性和安全性都降低。

筆者介紹了一種用基于FPGA的DSP技術來設計電液伺服系統(tǒng)控制器的方法。該方法克服了傳統(tǒng)伺服控制器的一些不足, 可將許多復雜的實時控制算法硬件化實現(xiàn), 并根據(jù)控制效果的優(yōu)劣調(diào)整控制算法, 從而提高了控制器的控制效果、運算速度和可靠性。使用該方法, 設計者不必十分了解 FPGA （可編程邏輯門陣列） 和VHDL （硬件描述語言） , 在Matlab中便可設計出需要的伺服控制器。

1　現(xiàn)代DSP技術概述

近幾年來, 應用數(shù)字信號處理技術設計的數(shù)字控制器被越來越多地應用到電液伺服系統(tǒng)中。在過去很長的一段時間里, 以美國TI公司 TMS320 系列為代表的DSP處理器幾乎是數(shù)字信號處理應用系統(tǒng)的唯一選擇。但面對當今迅速變化的DSP應用市場, 其硬件結構的不可變性, 早已顯得力不從心。基于FPGA的現(xiàn)代DSP技術是用FPGA等可編程門陣列實現(xiàn)數(shù)字信號處理算法, 它是一種面向?qū)ο蟮腄SP系統(tǒng), 用戶可根據(jù)需要來定制和配置自己的DSP系統(tǒng)。但是, 應用FPGA開發(fā)DSP系統(tǒng)專業(yè)性強, 使其應用受到很大限制。目前, 在利用FPGA進行DSP系統(tǒng)的開發(fā)應用上, 已有了全新的設計工具和設計流程, 世界兩大FPGA生產(chǎn)廠商Xilinx公司和Altera公司都相繼推出了自己的DSP解決方案。 DSP Builder就是Altera公司推出的一個面向DSP開發(fā)的系統(tǒng)級工具。MathsWork公司Matlab是功能強大的數(shù)學分析工具。 Simulink是Matlab的一個工具箱, 用于圖形化建模仿真。DSP Builder作為Simulink中的一個工具箱,使得用FPGA設計 DSP系統(tǒng)可以通過Simulink的圖形化界面進行。DSP Builder中的基本模塊是以算法級的描述出現(xiàn)的, 易于用戶從系統(tǒng)或者算法級進行理解, 甚至不需要十分了解FPGA 本身和硬件描述語言。這為傳統(tǒng)控制系統(tǒng)領域的工程師開發(fā)基于FPGA的可靠控制系統(tǒng)芯片自頂向下的算法級設計提供了便利的條件。

2　電液位置伺服系統(tǒng)的數(shù)學模型

電液伺服系統(tǒng)是將電氣和液壓兩種控制方式結合起來組成的系統(tǒng)。典型的電液系統(tǒng)方框圖如圖1 所示



圖1　電液伺服系統(tǒng)方框圖

控制元件可以是液壓控制閥或液壓伺服型變量泵等, 執(zhí)行元件可以是液壓缸或液壓馬達等。筆者結合文獻[ 5 ] 帶鋼卷取電液伺服系統(tǒng)中電液伺服閥及液壓缸的參數(shù), 研究如何使用Matlab及DSP Builder來設計電液伺服系統(tǒng)控制器。

2.1　電液伺服閥

把電液伺服閥看作是一個二階震蕩環(huán)節(jié), 其傳遞函數(shù)可以寫成如下形式:



式中: Ksv為伺服閥的流量增益;

ωsv為伺服閥的固有頻率;

ξsv為伺服閥的阻尼比。

采用TR2h7 /20EF型動圈雙級滑閥式位置反饋式電液伺服閥, 其主要參數(shù)為: 額定電流ΔiR = 013A;供油壓力 ps = 415MPa; 額定流量qR = 015 ×10- 3m3 / s;零位泄漏流量qc = 813 ×10 - 6m3 / s; 顫振電流幅值和頻率分別為25mA 和50Hz。由實驗可得出伺服閥固有頻率ωsv = 112 rad / s, 阻尼比ξsv = 0.6。

得到伺服閥的傳遞函數(shù)為:



令控制系統(tǒng)采樣周期為011 s, 可得伺服閥的脈沖傳遞函數(shù)為:



2.2　液壓缸- 負載

負載為慣性負載, 則液壓缸- 負載環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以寫成如下形式:



式中: XP 為液壓缸活塞位移;

QL 為負載流量;

AP 為液壓缸有效工作面積;

ωn 為液壓缸的固有頻率;

ξh為液壓缸的阻尼比。

液壓缸的技術參數(shù)為: 活塞直徑D = 01125m, 活塞桿直徑d = 0106m, 活塞行程H = ±01075m, 液壓缸有效工作面積AP = 9145 ×10 - 3m2 , 系統(tǒng)總的壓縮體積Vt = 2HAP +V管≈ 2148 ×10 - 3m3。