基于定量反饋理論算法的電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于定量反饋理論算法的電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)的設(shè)計電動執(zhí)行器是現(xiàn)代工業(yè)過程控制系統(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，我們設(shè)計了一種新型全數(shù)字式電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)，除了具有一般數(shù)字式電動執(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設(shè)備的調(diào)節(jié)要求。    在電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)中，電動執(zhí)行器常與各種減速機構(gòu)或閥門等設(shè)備相連接，由于存在外界干擾，因而對控制系統(tǒng)的魯棒性要求較高。一般參數(shù)固定的PID控制器，對本系統(tǒng)而言存在很大的缺陷，且PID的

2、參數(shù)整定困難。模糊控制器雖然具有較強的魯棒性，但卻不能有效地利用已知的對象模型及其不確定性，同時，因不能保證受控系統(tǒng)的無超調(diào)輸出響應(yīng)，會造成系統(tǒng)在設(shè)定點附近來回抖動，而在實際使用中，很多工業(yè)設(shè)備的輸出響應(yīng)要求是無超調(diào)的。針對以上情況，在本系統(tǒng)中設(shè)計了一種基于定量反饋理論1的二自由度控制器。QFT控制器對于不確定性對象的魯棒穩(wěn)定性和特定的跟蹤性能要求有很強的處理能力。由一類積分式電動執(zhí)行器系統(tǒng)的仿真實驗結(jié)果，證明所設(shè)計的控制器完全能滿足有關(guān)的設(shè)計指標，且實際可行。    1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計    本文介紹的全數(shù)字式電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)，

3、是以總線型分散控制系統(tǒng)的形式進行設(shè)計的。各個節(jié)點完成對各自節(jié)點的有關(guān)信息的采集、過程控制等任務(wù)。上位計算機則監(jiān)控各個節(jié)點的狀態(tài)，并且對各節(jié)點的歷史數(shù)據(jù)進行存儲，同時，也可通過上位機實現(xiàn)對每一個節(jié)點的設(shè)置及其操作。各節(jié)點也可以單獨地在每一個控制回路中實現(xiàn)其執(zhí)行器的功能。整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。    在圖1中，上位機可以使用工控機或者普通的PC機，但需在機內(nèi)插入一塊型號為HK-CAN30B的CAN總線通信卡。上位機的主要功能是：對各下位機數(shù)據(jù)的采集；過程監(jiān)控，包括參數(shù)顯示、事故報警；對下位機各參數(shù)的設(shè)定；數(shù)據(jù)庫的管理；與下位機通信；故障處理與報警等。

4、0;   下位機是實現(xiàn)實時控制的主體，要求完成的功能有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制計算、控制輸出、參數(shù)顯示、故障判斷與保護、跟上位機或其他節(jié)點通信等功能。本控制系統(tǒng)的下位機則以80C196KC單片機為核心，按功能可劃分為：CPU模塊、通信模塊(CAN)、A/D模塊、D/A模塊、存儲模塊、電源模塊、顯示模塊、遙控接收/發(fā)送模塊、電機驅(qū)動模塊等。    1.1 驅(qū)動電路設(shè)計    本方案設(shè)計的電機驅(qū)動電路如圖2所示。用12V開關(guān)量信號的時間長短來控制電機的正反轉(zhuǎn)，并實現(xiàn)電動執(zhí)行器的制動與停車功能。  &

5、#160; 圖中Ukp和Ukn分別為80C196KC的兩個高速輸出引腳。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個光電隔離器。當Uk為+12V高電平時，T2-1/T2-2導(dǎo)通，從而T6-1，T6-2導(dǎo)通使電機正轉(zhuǎn)，當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，電機瞬間反轉(zhuǎn)，在電容放電結(jié)束后電機停止。同理，當Uk為-12V低電平的時候，電機反轉(zhuǎn)。這樣，便實現(xiàn)了電機的正反轉(zhuǎn)控制。系統(tǒng)輸出與驅(qū)動電路之間完全實現(xiàn)了光電隔離，這樣，可提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。 

6、   1.2 紅外遙控接收/發(fā)送模塊    電動執(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，只是電動執(zhí)行器在現(xiàn)場調(diào)試的時候才會使用，且設(shè)定的操作優(yōu)先級低于上位機操作方式，從而避免使用中的誤操作。    紅外遙

7、控是用波長為0.76m1.5m之間的近紅外線(又稱紅外光)來傳遞控制信號，實現(xiàn)對控制對象的遠距離控制，遙控距離一般為幾米至幾十米或更遠一點。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。    當按下遙控器的某個鍵時，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)動并由紅外發(fā)光二極管發(fā)射到空間，當控制器的接收端(TSOP1838，該芯片是VIAHAY公司推出的一體化紅外線接收器)接收到該光信號后，進

8、行解調(diào)、光電放大并送到80C196KC單片機，由單片機解碼后產(chǎn)生控制信號并送到驅(qū)動執(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，所以，控制器內(nèi)的80C196KC單片機還要在遙控的時候定時地向遙控器發(fā)送數(shù)據(jù)(經(jīng)調(diào)制后用紅外LED發(fā)送出來)，遙控器將接收到的信號同樣用1838芯片進行接收、解調(diào)和放大，然后，用MSP430單片機解碼、顯示。    2 QFT控制器設(shè)計    定量反饋理論(QFT)是一種基于頻域的魯棒控制設(shè)計方法，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)

9、的魯棒設(shè)計。使用QFT方法，不需象H方法那樣要有很深的數(shù)學基礎(chǔ)1，4。QFT設(shè)計下的控制系統(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)計目標是，使閉環(huán)控制系統(tǒng)在輸入信號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范圍內(nèi)。QFT設(shè)計方法的基本步驟是1：    構(gòu)造不確定對象的頻率響應(yīng)模板(template)；    根據(jù)

10、各種性能指標，要求構(gòu)造復(fù)合Horowitz邊界：    通過回路整型(1oop shaping)設(shè)計QFT控制器C(s)和F(s)；    設(shè)計過程結(jié)果分析。    由于設(shè)備差異，某類積分式電動執(zhí)行器的模型參數(shù)變化較大，采用傳遞函數(shù)集來描述受控對象的不確定性模型：        (1)    式(1)中系統(tǒng)不確定參數(shù)k=K/T，K、T分別是積分式電動執(zhí)行器的傳遞系數(shù)和時間常數(shù)5，這里取k=0.015作為QFT設(shè)計中的

11、基準模型參數(shù)。    根據(jù)電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性要求，確定閉環(huán)系統(tǒng)基于頻域的穩(wěn)定裕度指標為        (2)    跟蹤性能指標的上下邊界條件設(shè)為        (3)    其中        (4)    跟蹤邊界(3)(4)保證了受控系統(tǒng)對階躍輸入信號的響應(yīng)輸出無超調(diào)，

12、而且響應(yīng)速度較快。取=0.1，0.5，1，8，50作為選樣頻率，用Matlab的QFT工具箱，計算各選樣頻率處不確定對象模型(1)的穩(wěn)定性能和跟蹤性能指標的Horowitz復(fù)合邊界，(見圖5)?；鶞书_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QFT控制器對基準系統(tǒng)進行校正。    根據(jù)圖5，對受控系統(tǒng)進行分析與綜合，我們設(shè)計了QFT二自由度控制器：反饋控制器C(s)和前向濾波器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，經(jīng)分析可知，系統(tǒng)滿足性能指標(2)(3)的要求，如圖6所示。    分別取k=0.015、0.028、0.04；t0，40)時，設(shè)定值r=1；t40，r=0.5，對閉環(huán)系統(tǒng)進行無超調(diào)階躍響應(yīng)仿真實驗(見圖7)。從仿真結(jié)果可知，本方案設(shè)計的QFT二自由度控制器，具有很