電動(dòng)執(zhí)行器是現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)中不可缺少的重要設(shè)備，其性能的好壞，直接影響到各種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能。為適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型全數(shù)字式電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)，除了具有一般數(shù)字式電動(dòng)執(zhí)行器的基本控制功能外，該系統(tǒng)還具備網(wǎng)絡(luò)通信、搖控調(diào)試等各種新功能，完全能滿足目前各種先進(jìn)設(shè)備的調(diào)節(jié)要求。
在電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)中，電動(dòng)執(zhí)行器常與各種減速機(jī)構(gòu)或閥門等設(shè)備相連接，由于存在外界干擾，因而對(duì)控制系統(tǒng)的魯棒性要求較高。一般參數(shù)固定的PID控制器，對(duì)本系統(tǒng)而言存在很大的缺陷，且PID的參數(shù)整定困難。模糊控制器雖然具有較強(qiáng)的魯棒性，但卻不能有效地利用已知的對(duì)象模型及其不確定性，同時(shí)，因不能保證受控系統(tǒng)的無(wú)超調(diào)輸出響應(yīng)，會(huì)造成系統(tǒng)在設(shè)定點(diǎn)附近來(lái)回抖動(dòng)，而在實(shí)際使用中，很多工業(yè)設(shè)備的輸出響應(yīng)要**無(wú)超調(diào)的。針對(duì)以上情況，在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一種基于定量反饋理論[1]的二自由度控制器。QFT控制器對(duì)于不確定性對(duì)象的魯棒穩(wěn)定性和特定的跟蹤性能要求有很強(qiáng)的處理能力。由一類積分式電動(dòng)執(zhí)行器系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明所設(shè)計(jì)的控制器完全能滿足有關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，且實(shí)際可行。
1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本文介紹的全數(shù)字式電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)，是以總線型分散控制系統(tǒng)的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)的。各個(gè)節(jié)點(diǎn)完成對(duì)各自節(jié)點(diǎn)的有關(guān)信息的采集、過(guò)程控制等任務(wù)。上位計(jì)算機(jī)則監(jiān)控各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并且對(duì)各節(jié)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)，也可通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置及其操作。各節(jié)點(diǎn)也可以單獨(dú)地在每一個(gè)控制回路中實(shí)現(xiàn)其執(zhí)行器的功能。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
在圖1中，上位機(jī)可以使用工控機(jī)或者普通的PC機(jī)，但需在機(jī)內(nèi)插入一塊型號(hào)為HK-CAN30B的CAN總線通信卡。上位機(jī)的主要功能是：對(duì)各下位機(jī)數(shù)據(jù)的采集；過(guò)程監(jiān)控，包括參數(shù)顯示、事故報(bào)警；對(duì)下位機(jī)各參數(shù)的設(shè)定；數(shù)據(jù)庫(kù)的管理；與下位機(jī)通信；故障處理與報(bào)警等。
下位機(jī)是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制的主體，要求完成的功能有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制計(jì)算、控制輸出、參數(shù)顯示、故障判斷與保護(hù)、跟上位機(jī)或其他節(jié)點(diǎn)通信等功能。本控制系統(tǒng)的下位機(jī)則以80C196KC單片機(jī)為核心，按功能可劃分為：CPU模塊、通信模塊(CAN)、A/D模塊、D/A模塊、存儲(chǔ)模塊、電源模塊、顯示模塊、遙控接收/發(fā)送模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。
1.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
本方案設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。用12V開關(guān)量信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并實(shí)現(xiàn)電動(dòng)執(zhí)行器的制動(dòng)與停車功能。
圖中Ukp和Ukn分別為80C196KC的兩個(gè)高速輸出引腳。T2-1/T2-2，T3-1/T3-2，T4-1/T4-2，T5-1/T5-2，T6-1/T6-2，T7-1/T7-2分別為6個(gè)光電隔離器。當(dāng)Uk為+12V高電平時(shí)，T2-1/T2-2導(dǎo)通，從而T6-1，T6-2導(dǎo)通使電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)Uk由高電平到低電平的瞬間，T4-1/T4-2瞬間導(dǎo)通，使得T7-1/T7-2瞬間導(dǎo)通，電機(jī)瞬間反轉(zhuǎn)，在電容放電結(jié)束后電機(jī)停止。同理，當(dāng)Uk為-12V低電平的時(shí)候，電機(jī)反轉(zhuǎn)。這樣，便實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。系統(tǒng)輸出與驅(qū)動(dòng)電路之間完全實(shí)現(xiàn)了光電隔離，這樣，可提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。
1.2 紅外遙控接收/發(fā)送模塊
電動(dòng)執(zhí)行器是常用的工業(yè)設(shè)備，它可能安裝在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，其安裝位置，也可能是不便于操作人員站立的地方，所以，系統(tǒng)增加了遙控接收/發(fā)送模塊，這樣，在調(diào)試的時(shí)候使用遙控器可以很方便地看到閥位的狀態(tài)，使操作很方便。實(shí)現(xiàn)遙控接收/發(fā)送，可以采用紅外數(shù)據(jù)通信，也可以采用無(wú)線數(shù)據(jù)通信，本系統(tǒng)采用了紅外數(shù)據(jù)通信的方法。值得注意的是，本系統(tǒng)所用的遙控器，只是電動(dòng)執(zhí)行器在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的時(shí)候才會(huì)使用，且設(shè)定的操作優(yōu)先級(jí)低于上位機(jī)操作方式，從而避免使用中的誤操作。
紅外遙控是用波長(zhǎng)為0.76μm~1.5μm之間的近紅外線(又稱紅外光)來(lái)傳遞控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的遠(yuǎn)距離控制，遙控距離一般為幾米至幾十米或更遠(yuǎn)一點(diǎn)。遙控模塊由接收和發(fā)送兩大部分組成。發(fā)送部分包括鍵盤矩陣、編碼發(fā)送及其外圍電路；接收部分包括光電轉(zhuǎn)換放大器、接收解碼及執(zhí)行電路等。紅外遙控接收/發(fā)送系統(tǒng)的方框圖如圖3所示。
當(dāng)按下遙控器的某個(gè)鍵時(shí)，MSP430就按一定的編碼在輸出端輸出串行編碼的脈沖，該脈沖經(jīng)38kHz的載波調(diào)制，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)并由紅外發(fā)光二極管發(fā)射到空間，當(dāng)控制器的接收端(TSOP1838，該芯片是VIAHAY公司推出的一體化紅外線接收器)接收到該光信號(hào)后，進(jìn)行解調(diào)、光電放大并送到80C196KC單片機(jī)，由單片機(jī)解碼后產(chǎn)生控制信號(hào)并送到驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路。
按本系統(tǒng)要求，遙控器也要能接收由控制器發(fā)送的閥位狀態(tài)信號(hào)，所以，控制器內(nèi)的80C196KC單片機(jī)還要在遙控的時(shí)候定時(shí)地向遙控器發(fā)送數(shù)據(jù)(經(jīng)調(diào)制后用紅外LED發(fā)送出來(lái))，遙控器將接收到的信號(hào)同樣用1838芯片進(jìn)行接收、解調(diào)和放大，然后，用MSP430單片機(jī)解碼、顯示。
2 QFT控制器設(shè)計(jì)
定量反饋理論(QFT)是一種基于頻域的魯棒控制設(shè)計(jì)方法，可用于帶有很大不確定性的單變量、多變量及非線性等系統(tǒng)的魯棒設(shè)計(jì)。使用QFT方法，不需象H∞方法那樣要有很深的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)[1，4]。QFT設(shè)計(jì)下的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是一種二自由度控制結(jié)構(gòu)，如圖4所示。圖中P(s)是存在較大不確定性的受控對(duì)象模型，一般該模型不確定性的范圍是已知的，反饋控制器C(s)和前向控制器F(s)是定常的。d1、d2是外部干擾輸入，r、y分別為系統(tǒng)的輸入和輸出。QFT控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是，使閉環(huán)控制系統(tǒng)在輸入信號(hào)r和干擾輸入d1、d2作用下，使系統(tǒng)輸出y位于各種給定的性能指標(biāo)范圍內(nèi)。QFT設(shè)計(jì)方法的基本步驟是[1]：
① 構(gòu)造不確定對(duì)象的頻率響應(yīng)模板(template)；
② 根據(jù)各種性能指標(biāo)，要求構(gòu)造復(fù)合Horowitz邊界：
③ 通過(guò)回路整型(1oop shaping)設(shè)計(jì)QFT控制器C(s)和F(s)；
④設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)果分析。
由于設(shè)備差異，某類積分式電動(dòng)執(zhí)行器的模型參數(shù)變化較大，采用傳遞函數(shù)集來(lái)描述受控對(duì)象的不確定性模型：
(1)
式(1)中系統(tǒng)不確定參數(shù)k=K/T，K、T分別是積分式電動(dòng)執(zhí)行器的傳遞系數(shù)和時(shí)間常數(shù)[5]，這里取k=0.015作為QFT設(shè)計(jì)中的基準(zhǔn)模型參數(shù)。
根據(jù)電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性要求，確定閉環(huán)系統(tǒng)基于頻域的穩(wěn)定裕度指標(biāo)為
(2)
跟蹤性能指標(biāo)的上下邊界條件設(shè)為
(3)
其中
(4)
跟蹤邊界(3)(4)保證了受控系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)的響應(yīng)輸出無(wú)超調(diào)，而且響應(yīng)速度較快。取ω=0.1，0.5，1，8，50作為選樣頻率，用Matlab的QFT工具箱，計(jì)算各選樣頻率處不確定對(duì)象模型(1)的穩(wěn)定性能和跟蹤性能指標(biāo)的Horowitz復(fù)合邊界，(見圖5)?；鶞?zhǔn)開環(huán)系統(tǒng)P(s)頻率響應(yīng)曲線不滿足Horowitz復(fù)合邊界要求，因此，需要設(shè)計(jì)QFT控制器對(duì)基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行校正。
根據(jù)圖5，對(duì)受控系統(tǒng)進(jìn)行分析與綜合，我們?cè)O(shè)計(jì)了QFT二自由度控制器：反饋控制器C(s)和前向?yàn)V波器F(s)，其中
(5)
從圖6可以看出，用C(s)和F(s)校正后的受控系統(tǒng)的頻域響應(yīng)，完全滿足Horowitz邊界要求，同時(shí)，經(jīng)分析可知，系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)(2)(3)的要求，如圖6所示。
分別取k=0.015、0.028、0.04；t∈[0，40)時(shí)，設(shè)定值r=1；t≥40，r=0.5，對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)超調(diào)階躍響應(yīng)仿真實(shí)驗(yàn)(見圖7)。從仿真結(jié)果可知，本方案設(shè)計(jì)的QFT二自由度控制器，具有很強(qiáng)的魯棒穩(wěn)定性。另外由于控制器(5)本身是*小相位系統(tǒng)。且維數(shù)很低，因此在物理上很容易實(shí)現(xiàn)。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了自行設(shè)計(jì)的一種適應(yīng)工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展的新型數(shù)字式電動(dòng)執(zhí)行器控制系統(tǒng)。詳細(xì)分析了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中的通信模塊、紅外遙控接收/發(fā)送模塊和驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等?？紤]受控對(duì)象模型不確定性及對(duì)輸出無(wú)超調(diào)跟
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
