電液伺服系統控制器設計研究
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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)節的固有頻率為:
由于該環(huán)節的粘性阻尼系數和涉及到的伺服閥流量- 壓力系數都較小, 取ξh = 012。則可得到液壓缸- 負載環(huán)節的傳遞函數為:
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：
3 基于DSP Builder的電液伺服系統PID控制器設計
3.1 控制系統結構設計
伺服控制器設計可以從與硬件完全無(wú)關(guān)的系統級開(kāi)始, 首先利用Matlab強大的系統設計、分析能力和DSP Builder提供的模塊完成控制系統的結構設計。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 控制系統頂層Simulink模型
圖2中, 頂層模型中PID Controllor為PID控制子系統, 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- 負載的離散數學(xué)模型。值得注意的是PID 子系統中的Mask Type 必須設置為SubSystem AlteraBlockSet, 否則, 只能進(jìn)行Simulink 仿真, 不能進(jìn)行SingnalCom2p iler分析。PID控制子系統為實(shí)現PID算法部分, 其結構框圖如圖3所示。
圖3 PID子系統結構框圖
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(diǎn)數運算, 為了實(shí)現比例、積分、微分系數的精確可調, 在這里PID系數采用了位數轉換的方法, 先將PID系數取成整型, 先放大數據值到24位, 而在并行加法器運算單元后用IOBus中的總線(xiàn)轉換器單元對累加后的數據進(jìn)行位數轉換為16位, 可表示1 /256 = 01003 9整數倍的浮點(diǎn)數, 實(shí)現FPGA中的浮點(diǎn)數運算。
3.2 控制系統仿真
在本例中采用PD控制, 取比例系數為1715, 微分系數為4, 相應地設置Kp = 1715 ×256 = 4 480,Kd = 4 ×256 = 1 024, 得系統的閉環(huán)階躍響應及正弦響應如圖4、5所示。
3.3 控制器的FPGA實(shí)現
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(kāi)ServoSys2tem1qpf, 可以看到SingnalCompiler 為自動(dòng)生成的 VHDL語(yǔ)言源代碼。在QuartusⅡ中完成編譯適配過(guò)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 結論
筆者以FPGA的系統級設計工具DSP Builder設計帶鋼卷取電液伺服系統控制器為例, 介紹了現代DSP技術(shù)在電液伺服系統中的應用。該方法可以解決復雜控制算法在電液伺服系統實(shí)際應用中, 分立元件的局限性, 軟件實(shí)現的實(shí)時(shí)性、可靠性等方面的矛盾。由于有了像 DSP Builder這樣的系統級設計工具,設計是從與硬件完全無(wú)關(guān)的Matlab系統級仿真開(kāi)始,因此便于傳統控制領(lǐng)域的工程師迅速地將算法級的構思應用于控制系統設計中, 從而可以將有限的精力專(zhuān)注于系統級算法的設計, 而避免陷入重復繁瑣的電路設計中去?？梢灶A見(jiàn), 隨著(zhù)控制理論及電子技術(shù)的發(fā)展, 該方法在未來(lái)的電液伺服控制系統設計中將會(huì )得到廣泛應用。
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