氣動位置多變量DSP控制系統的實現

宋仁銀，柴棟棟，王吉順

(1.寧德師范學院物理與電氣工程系，福建352100;2.中國航天科技集團公司六院101 所，北京 100074;3.中核集團蘭州鈾濃縮有限公司，蘭州 730065)

氣動系統具有成本低廉、較高的功率重量比、對環境要求不高(如防磁、防爆和防火等)、無污染、使用和維護方便等一系列優點，因而在工業自動化領域有著非常廣泛的應用。工業自動化技術迅猛發展的同時，傳統氣動系統采用的機械定位及節流閥調速的方式已經無法滿足要求，于是人們大多采用電-氣比例系統，這樣可以方便地實現無級調速及多點無級定位［1-2］。

隨著電子科學技術的飛速發展，DSP 技術得到了人們更多的關注［3-4］。特別是在系統實時控制當中，信號的高速型可以提供實時位置信息，從而保證控制信號響應的快速性。研究針對氣動伺服定位系統量身定制，可以完成各種復雜控制算法，設計出具有代表性的氣動比例流量閥控缸系統，控制方法是以位移、速度和加速度多變量的狀態反饋，設計以DSP 為控制元件的氣動伺服定位控制器并加以實驗研究。

1 控制器硬件設計

DSP 芯片是適合于進行數字信號處理運算的微處理器，可以實時快速地進行各種復雜的數字信號處理算法。采用DSP 控制器可以有效結合信號的實時處理能力和控制器的外設功能，為控制系統的設計提供了一個理想的解決方案。DSP 控制器的功能結構框圖如圖1 所示，主要分為以下4 個部分。第1 個部分為系統主體，是由DSP 芯片、電源、外部擴展存儲器RAM、RS232 通信、CAN 總線、A/D 轉換電路、D/A轉換電路、仿真及邏輯電平轉換等電路組成的。第2 部分為顯示與控制模塊，包括了液晶顯示、控制按鈕以及控制指示燈。這個部分主要是顯示DA 輸出的位置、工作狀態及系統的參數，并且完成手動、自動、聯機、復位等功能。第3 部分為遠程控制以及提供外部接口，有RS232、仿真、復位以及遠程控制按鈕等接口。第4 部分為電源，將220V 的交流電壓轉換為+24V、±12V 和+5V 直流電壓。

在氣動伺服控制系統中，輸入信號和反饋輸出信號都是模擬量，因此控制器主體的A/D 轉換電路、D/A 轉換電路對整個系統的控制精度起著決定性的作用。因為，氣動控制系統對信號的要求比較高，TMS320F206 的12 位分辨率模數轉換模塊無法滿足性能要求，所以要擴展A/D 轉換電路。這里采用了McBSP 與A/D 芯片、D/A 芯片DAC7611 和DSP 進行串行通信。使用DSP 芯片中的串行外圍接口SPI，其中DSP 作為SPI 的主機，DAC7611 充當從機，即DAC7611 只接收主機的數據，進行D/A 轉換，模擬電壓信號從OUT 引腳輸出。通信模塊采用CAN 總線，CAN 總線是一種支持分布式實時控制的串行通信網絡，可靠性高，抗干擾能力比較強且通信穩定靈活，協議簡單，組網靈活，可以為控制系統提供開放性、全分布式的通信平臺。

圖1 控制器功能結構框圖

2 控制方法及軟件設計

2.1 控制方法

氣動控制系統具有時間滯后、時變、非線性以及模型不精確等特點，系統屬于典型的非線性系統，采用常規的控制策略很難取得滿意的控制效果［5-6］。因此采用傳統的PI 控制加速度、加速度狀態反饋的復合控制算法，來克服單一策略控制方法的不足，其原理如圖2 所示。

圖2 控制系統原理圖

采用的控制算法為

其中:Kp是比例系數;Ki是積分系數;Kd是速度反饋系數;Kdd是加速度反饋系數。

2.2 信號濾波

控制系統的噪聲是需要考慮的，由于速度信號是通過給位移信號加微分得到的，因此在速度信號求取之前要對位移信號進行濾波。濾波過程中，加權濾波器在相同階次的情況下，效果不如遞推濾波器效果好，同時考慮運算效率的因素，系統使用的是遞推濾波器。速度信號及加速度信號的濾波過程也是如此。速度信號的濾波效果如圖3 所示，加速度信號的濾波效果如圖4 所示。

圖3 速度信號濾波效果圖

2.3 控制器軟件設計

CCS(Code Composer Studio)是TI 開發的完整的DSP 集成開發環境。在CCS 中，集成了常規的開發工具，如源程序編輯器、代碼生成工具以及調試環境等。為了縮短軟件部分的開發時間，便于后期的維護和修改，程序設計方法采用了模塊化的思想，主要有主程序、液晶跟蹤顯示參數子程序、遠程控制子程序、顯示子程序、CAN 總線通信子程序、按鍵處理子程序、同步串口子程序、異步串口子程序、A/D 中斷(控制算法)子程序及定時采樣子程序等構成。軟件結構示意圖如圖5 所示。

圖4 加速度信號濾波

圖5 控制系統軟件結構

主程序主要對整個系統進行整體控制，調用各子程序，開啟各中斷。通過控制各子程序，對采樣得到的數據，運行控制算法，輸出控制信號。

3 實驗及結果分析

3.1 實驗系統

實驗系統主要有執行元件(氣缸)、控制元件(氣動伺服控制器)、氣源處理單元(比例流量閥)及反饋元件(CAN 總線位移傳感器)組成，如圖6 所示。氣缸為帶導軌的氣缸，缸徑Φ30 mm，行程180 mm;供氣壓力0. 75 MPa;質量負載13 kg;比例流量閥的最大流量為110 L/min，平直段頻寬達75 Hz;位移傳感器采用了CAN 總線數字式傳感器，其精度高且抗干擾性能強，由位移的差分來得到速度信號，由速度的差分來得到加速度信號。滿量程為200 mm，分辨率8 μm，重復精度為滿量程的±0.002%，滯后小于5 μm。

3.2 實驗結果及分析

氣動伺服控制系統的控制性能會受到很多因素的影響，比如氣源的壓力、負載的變化、系統性能指標的變化等。針對本系統，針對外來條件的變化，控制參數的變化進行實驗研究。方波響應的實驗結果如圖7 和圖8 所示。從圖中可知，盡管幅值不同，但伺服控制系統的響應特性良好，定位精度誤差小于±0.15 mm，響應時間小于1.8 s，基本上沒有超調，達到了一般工業應用場合的工作要求。

圖6 實驗系統組成示意圖

圖7 小幅值方波信號實驗曲線

圖8 大幅值方波信號實驗曲線

［1］謝朝夕.氣動伺服定位系統的理論研究與應用［D］.重慶:重慶大學，2005.

［2］閔為.氣動比例伺服系統控制算法及實驗研究［D］.重慶:重慶大學，2006.

［3］鮑燕偉.基于DSP 的氣動伺服系統的研究［J］.液壓與氣動，2009(12):30-33.

［4］鮑燕偉.基于DSP 氣動伺服系統的智能模糊PID 控制［J］.液壓與氣動，2010(7):29-32

［5］趙升奇.氣動位置控制系統建模及控制策略研究［D］.長沙:湖南大學，2003.

［6］余兵.模糊控制及其在液壓伺服系統中的應用［J］.液壓與氣動，2006(10):56-64.