电液伺服系统控制器设计研究

0　引言

随着电液伺服控制理论的发展, 很多先进的控制策略被应用于电液伺服控制领域中。如: 文献[ 1 ]阐述了基本运算为不完全微分PID的滤波型二自由度控制算法, 针对飞行仿真转台用液压伺服系统的特点进行了仿真研究。文献[ 2 ] 研究了基于RBFNN 的PID控制在电液位置伺服系统中的应用。文献[ 3 ]对电液位置伺服系统采用滑模变结构控制, 用最优控制理论设计滑模平面, 均取得了良好效果。但大量文献均是理论与仿真研究, 大多的工业应用仍然以模拟电路实现PID控制算法为主, 主要原因是实现这些先进的控制算法的方法目前都是由负责控制的下位机用程序实现的, 而计算机易出现死机、掉电等情况, 这使液压系统可靠性和安全性都降低。

笔者介绍了一种用基于FPGA的DSP技术来设计电液伺服系统控制器的方法。该方法克服了传统伺服控制器的一些不足, 可将许多复杂的实时控制算法硬件化实现, 并根据控制效果的优劣调整控制算法, 从而提高了控制器的控制效果、运算速度和可靠性。使用该方法, 设计者不必十分了解 FPGA （可编程逻辑门阵列） 和VHDL （硬件描述语言） , 在Matlab中便可设计出需要的伺服控制器。

1　现代DSP技术概述

近几年来, 应用数字信号处理技术设计的数字控制器被越来越多地应用到电液伺服系统中。在过去很长的一段时间里, 以美国TI公司 TMS320 系列为代表的DSP处理器几乎是数字信号处理应用系统的唯一选择。但面对当今迅速变化的DSP应用市场, 其硬件结构的不可变性, 早已显得力不从心。基于FPGA的现代DSP技术是用FPGA等可编程门阵列实现数字信号处理算法, 它是一种面向对象的DSP系统, 用户可根据需要来定制和配置自己的DSP系统。但是, 应用FPGA开发DSP系统专业性强, 使其应用受到很大限制。目前, 在利用FPGA进行DSP系统的开发应用上, 已有了全新的设计工具和设计流程, 世界两大FPGA生产厂商Xilinx公司和Altera公司都相继推出了自己的DSP解决方案。 DSP Builder就是Altera公司推出的一个面向DSP开发的系统级工具。MathsWork公司Matlab是功能强大的数学分析工具。 Simulink是Matlab的一个工具箱, 用于图形化建模仿真。DSP Builder作为Simulink中的一个工具箱,使得用FPGA设计 DSP系统可以通过Simulink的图形化界面进行。DSP Builder中的基本模块是以算法级的描述出现的, 易于用户从系统或者算法级进行理解, 甚至不需要十分了解FPGA 本身和硬件描述语言。这为传统控制系统领域的工程师开发基于FPGA的可靠控制系统芯片自顶向下的算法级设计提供了便利的条件。

2　电液位置伺服系统的数学模型

电液伺服系统是将电气和液压两种控制方式结合起来组成的系统。典型的电液系统方框图如图1 所示



图1　电液伺服系统方框图

控制元件可以是液压控制阀或液压伺服型变量泵等, 执行元件可以是液压缸或液压马达等。笔者结合文献[ 5 ] 带钢卷取电液伺服系统中电液伺服阀及液压缸的参数, 研究如何使用Matlab及DSP Builder来设计电液伺服系统控制器。

2.1　电液伺服阀

把电液伺服阀看作是一个二阶震荡环节, 其传递函数可以写成如下形式:



式中: Ksv为伺服阀的流量增益;

ωsv为伺服阀的固有频率;

ξsv为伺服阀的阻尼比。

采用TR2h7 /20EF型动圈双级滑阀式位置反馈式电液伺服阀, 其主要参数为: 额定电流ΔiR = 013A;供油压力 ps = 415MPa; 额定流量qR = 015 ×10- 3m3 / s;零位泄漏流量qc = 813 ×10 - 6m3 / s; 颤振电流幅值和频率分别为25mA 和50Hz。由实验可得出伺服阀固有频率ωsv = 112 rad / s, 阻尼比ξsv = 0.6。

得到伺服阀的传递函数为:



令控制系统采样周期为011 s, 可得伺服阀的脉冲传递函数为:



2.2　液压缸- 负载

负载为惯性负载, 则液压缸- 负载环节的传递函数可以写成如下形式:



式中: XP 为液压缸活塞位移;

QL 为负载流量;

AP 为液压缸有效工作面积;

ωn 为液压缸的固有频率;

ξh为液压缸的阻尼比。

液压缸的技术参数为: 活塞直径D = 01125m, 活塞杆直径d = 0106m, 活塞行程H = ±01075m, 液压缸有效工作面积AP = 9145 ×10 - 3m2 , 系统总的压缩体积Vt = 2HAP +V管≈ 2148 ×10 - 3m3。