電液伺服系統(tǒng)控制器設計研究
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若液壓油彈性模量βe = 7 ×108 Pa, 慣性負載質(zhì)量mt = 2175 ×104 kg, 則液壓缸- 負載環(huán)節(jié)的固有頻率為:
由于該環(huán)節(jié)的粘性阻尼系數(shù)和涉及到的伺服閥流量- 壓力系數(shù)都較小, 取ξh = 012。則可得到液壓缸- 負載環(huán)節(jié)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：
3 基于DSP Builder的電液伺服系統(tǒng)PID控制器設計
3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計
伺服控制器設計可以從與硬件完全無關(guān)的系統(tǒng)級開始, 首先利用Matlab強大的系統(tǒng)設計、分析能力和DSP Builder提供的模塊完成控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計。本文控制器采用位置式PID控制器, 在Simulink搭建如圖2所示的模型。
圖2 控制系統(tǒng)頂層Simulink模型
圖2中, 頂層模型中PID Controllor為PID控制子系統(tǒng), Input為控制輸入端, Feedback 為反饋輸入端,Function1與Function2 分別為伺服閥及液壓缸- 負載的離散數(shù)學模型。值得注意的是PID 子系統(tǒng)中的Mask Type 必須設置為SubSystem AlteraBlockSet, 否則, 只能進行Simulink 仿真, 不能進行SingnalCom2p iler分析。PID控制子系統(tǒng)為實現(xiàn)PID算法部分, 其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
圖3 PID子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
控制輸入端及反饋輸入端均采用了16 位精度。由于DSP Builder中尚不支持浮點數(shù)運算, 為了實現(xiàn)比例、積分、微分系數(shù)的精確可調(diào), 在這里PID系數(shù)采用了位數(shù)轉(zhuǎn)換的方法, 先將PID系數(shù)取成整型, 先放大數(shù)據(jù)值到24位, 而在并行加法器運算單元后用IOBus中的總線轉(zhuǎn)換器單元對累加后的數(shù)據(jù)進行位數(shù)轉(zhuǎn)換為16位, 可表示1 /256 = 01003 9整數(shù)倍的浮點數(shù), 實現(xiàn)FPGA中的浮點數(shù)運算。
3.2 控制系統(tǒng)仿真
在本例中采用PD控制, 取比例系數(shù)為1715, 微分系數(shù)為4, 相應地設置Kp = 1715 ×256 = 4 480,Kd = 4 ×256 = 1 024, 得系統(tǒng)的閉環(huán)階躍響應及正弦響應如圖4、5所示。
3.3 控制器的FPGA實現(xiàn)
雙擊ServoSystem 模型中的SingnalComp iler模塊,按照提示選擇器件、綜合及優(yōu)化工具, 這里選擇EP2C8型 FPGA, 綜合工具選為QuartusⅡ, 優(yōu)化方式選擇Balanced, 綜合考慮運算速度和耗費資源, 編譯生成 ServoSystem1qpf。在QuartusⅡ中打開ServoSys2tem1qpf, 可以看到SingnalCompiler 為自動生成的 VHDL語言源代碼。在QuartusⅡ中完成編譯適配過程,生成的pof文件及sof文件可直接用于FPGA的編程配置。配置好的控制器, Input 端接計算機給定值, Feed2back端接位移反饋A /D芯片, Output端接D /A輸出。
4 結(jié)論
筆者以FPGA的系統(tǒng)級設計工具DSP Builder設計帶鋼卷取電液伺服系統(tǒng)控制器為例, 介紹了現(xiàn)代DSP技術(shù)在電液伺服系統(tǒng)中的應用。該方法可以解決復雜控制算法在電液伺服系統(tǒng)實際應用中, 分立元件的局限性, 軟件實現(xiàn)的實時性、可靠性等方面的矛盾。由于有了像 DSP Builder這樣的系統(tǒng)級設計工具,設計是從與硬件完全無關(guān)的Matlab系統(tǒng)級仿真開始,因此便于傳統(tǒng)控制領(lǐng)域的工程師迅速地將算法級的構(gòu)思應用于控制系統(tǒng)設計中, 從而可以將有限的精力專注于系統(tǒng)級算法的設計, 而避免陷入重復繁瑣的電路設計中去?？梢灶A見, 隨著控制理論及電子技術(shù)的發(fā)展, 該方法在未來的電液伺服控制系統(tǒng)設計中將會得到廣泛應用。
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