電液伺服系統控制器設計研究

0　引言

隨著(zhù)電液伺服控制理論的發(fā)展, 很多先進(jìn)的控制策略被應用于電液伺服控制領(lǐng)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, 針對飛行仿真轉臺用液壓伺服系統的特點(diǎn)進(jìn)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中的應用。文獻[ 3 ]對電液位置伺服系統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(shí)現PID控制算法為主, 主要原因是實(shí)現這些先進(jìn)的控制算法的方法目前都是由負責控制的下位機用程序實(shí)現的, 而計算機易出現死機、掉電等情況, 這使液壓系統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(shù)來(lái)設計電液伺服系統控制器的方法。該方法克服了傳統伺服控制器的一些不足, 可將許多復雜的實(shí)時(shí)控制算法硬件化實(shí)現, 并根據控制效果的優(yōu)劣調整控制算法, 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(mén)陣列） 和VHDL （硬件描述語(yǔ)言） , 在Matlab中便可設計出需要的伺服控制器。

1　現代DSP技術(shù)概述

近幾年來(lái), 應用數字信號處理技術(shù)設計的數字控制器被越來(lái)越多地應用到電液伺服系統中。在過(guò)去很長(cháng)的一段時(shí)間里, 以美國TI公司 TMS320 系列為代表的DSP處理器幾乎是數字信號處理應用系統的唯一選擇。但面對當今迅速變化的DSP應用市場(chǎng), 其硬件結構的不可變性, 早已顯得力不從心?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA的現代DSP技術(shù)是用FPGA等可編程門(mén)陣列實(shí)現數字信號處理算法, 它是一種面向對象的DSP系統, 用戶(hù)可根據需要來(lái)定制和配置自己的DSP系統。但是, 應用FPGA開(kāi)發(fā)DSP系統專(zhuān)業(yè)性強, 使其應用受到很大限制。目前, 在利用FPGA進(jìn)行DSP系統的開(kāi)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(chǎng)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(gè)面向DSP開(kāi)發(fā)的系統級工具。MathsWork公司Matlab是功能強大的數學(xué)分析工具。 Simulink是Matlab的一個(gè)工具箱, 用于圖形化建模仿真。DSP Builder作為Simulink中的一個(gè)工具箱,使得用FPGA設計 DSP系統可以通過(guò)Simulink的圖形化界面進(jìn)行。DSP Builder中的基本模塊是以算法級的描述出現的, 易于用戶(hù)從系統或者算法級進(jìn)行理解, 甚至不需要十分了解FPGA 本身和硬件描述語(yǔ)言。這為傳統控制系統領(lǐng)域的工程師開(kāi)發(fā)基于FPGA的可靠控制系統芯片自頂向下的算法級設計提供了便利的條件。

2　電液位置伺服系統的數學(xué)模型

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



圖1　電液伺服系統方框圖

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中電液伺服閥及液壓缸的參數, 研究如何使用Matlab及DSP Builder來(lái)設計電液伺服系統控制器。

2.1　電液伺服閥

把電液伺服閥看作是一個(gè)二階震蕩環(huán)節, 其傳遞函數可以寫(xiě)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(dòng)圈雙級滑閥式位置反饋式電液伺服閥, 其主要參數為: 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(shí)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為:



令控制系統采樣周期為011 s, 可得伺服閥的脈沖傳遞函數為:



2.2　液壓缸- 負載

負載為慣性負載, 則液壓缸- 負載環(huán)節的傳遞函數可以寫(xiě)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(shù)參數為: 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 , 系統總的壓縮體積Vt = 2HAP +V管≈ 2148 ×10 - 3m3。