维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年第６期 ・控制与检测・ 文章编号：１００１—２２６５（２００８）０６—００６５—０４ 电液伺服控制系统的研究与应用 毛文龙，宋启敏，巴怡然，钟德华 （上海大学机电工程与自动化学院，上海２０００７２） 摘要：文章以ＤＳＰ数字信号处理器为主控制芯片，同时针对本系统的非线性时变特征，设计出了模糊参 数自适应ＰＩＤ控制器，开发出一套新的电液伺服控制系统。利用Ｆｕｚｚｙ参数自适应ＰＩＤ控制器在不需要 精确数学模型的条件下具有更快的响应和更小的超调。降低了控制系统的研制成本，提高了试验精度， 扩大了试验机的使用范围，并为ＤＳＰ在自控领域的应用提供了依据和参考。 关键词：ＤＳＰ控制器；模糊自适应ＰＩＤ；电液伺服控制 中图分类号：ＴＧ６５ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏ—－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｅｒｖｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＭＡＯ Ｗｅｎ—ｌｏｎｇ，ＳＯＮＧ Ｑｉ—ｍｉｎ，ＢＡ Ｙｉ—ｒａｎ。ＺＨＯＮＧ Ｄｅ—ｈｕａ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ａ ｎｅｗ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｎｅｗ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎａｌｙ。 ｚｉｎｇ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ｔｉｍｅ－ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｆｕｚｚｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｈａｓ ｆａｓｔｅｒ ｒｅ。 ｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ｌｅｓｓ ｏｖｅｒｓｈｏＯｔ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｘａｃｔ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｃｙ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｕｓｅ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｍｏｒｅ ｗｉｄｅｌｙ，Ｉｔ ａｌｓｏ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ＤＳＰ ｉｎ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆ ｌｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＳＰ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｆｕｚｚｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ＰＩＤ；ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ０ 引言 绍了控制器的整体软、硬件设计。 材料试验机是检测材料及其制品在各种环境和模 １ 系统总体方案设计 拟状态下的机械性能、工艺性能、结构抗振强度以及材 万能试验机需要测量试验力、活塞位移和试样变 料与构件内外表面缺陷的重要科学测试仪器与设备， 形三个量，系统的控制精度及系统控制可靠性就成为 它广泛应用于交通运输、冶金建筑、汽车、宇航与造船 考察系统性能优劣的两项关键指标，系统总体结构框 以及国防科技、高等院校等国民经济的各个领域和部 如图１所示。 门。 本文根据材料试验机的设计要求，将先进的数字 信号处理器（ＤＳＰ）用于电液伺服控制系统，设计了一 种基于ＤＳＰ的新型的数字电液伺服试验机控制器，数 图１ 系统总体结构框图 字控制系统通常具有精度高、速度快、存储量大及有逻 １．１系统控制结构 辑判断功能等特点，因此较易实现高级复杂的控制方 法，获得快速、精密的控制效果 。本文主要从产品设 基于ＤＳＰ的电液伺服控制系统主要由五个部分组 计要求人手，研究了电液伺服控制器的系统结构，数学 成 ：智能控制器、功率放大器、电液伺服阀、液压缸、 模型，建立了系统控制算法及软件实现方法，同时，介 传感器（反馈测量元件），系统控制结构如图２所示。 收稿日期：２００７—１２—１３；修回日期：２００８—０２—２６ 作者简介：毛文龙（１９８４一），男，硕士，主要研究方向为智能机器及其算法，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｈｅｒｒｙｌｏｎｇ＠１６３．￣ｏｍ。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・控制与检测・ 组合机床与自动化加工技术 图２系统控制结构 （２）负载压力Ｐ 与活塞位移 的传递函数 智能控制器是由ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７及其外围电路构 成，通过从负载端采集的信号，进行Ａ／Ｄ转换，然后经 过软件控制算法实现电液伺服系统的位置控制、速度 ｓｊ（ｍ。ｓ ＋Ｂ ｓ＋Ｋｐ） 控制、力控制。功率放大器是由电子元件组成的电路 ３＋（学＋ 筹＋ ＋，卜 （２） 板构成，起功率放大作用，用于直接驱动电液何服阀。 伺服阀是电液伺服系统的核心元件，能够对输出的流 量和压力进行连续的双向控制，具有快速的响应速度 和良好的控制精度。液压缸是液压控制系统中的执行 元件，将液压能转换为机械能。传感器主要用来检测 执行机构的压力（或拉力）、位移、变形，并转换为数字 量，然后作为变量输入控制器算法程序，实现多种形式 的闭环控制。 ２控制算法 电液伺服控制系统是非线性时变系统，无法建立 精确的数学模型，本文对常规ＰＩＤ控制算法进行了改 进，并与模糊控制原理相结合，提出了基于模糊参数自 适应ＰＩＤ控制算法。控制算法的基本原理：控制器根 据系统的指令信号和传感器的反馈信号相比较，获得 跟踪误差信号，经过控制算法给出控制信号，控制信号 经伺服放大器放大后驱动电液伺服阀…，伺服阀将电 量变成液压油流量，移动活塞消除差值，使试样应变以 一定精度跟踪斜坡达到恒应变速率控制的目的 。同 理，可以实现恒应力、恒位移速率控制，整个系统工作 在闭环自动调节下。 ２．１阀控缸数学模型 电液伺服控制系统的液压动力源输出大量的高压 油进入阀控缸，阀控缸将电量转变成液压油流量来达 到控制的目的，阀控缸模型如图３所示。 图３阀控缸模型 本文对阀控缸模型进行了详细的分析，给出了位 置、负荷和应变三种控制方式，由于篇幅的原因以下公 式没有给出推导过程： （１）活塞位移 与阀芯位移 的传递函数 ・６６・ （３）试样变形 与阀芯位移 ， 的传递函数 Ｋ Ｋ／Ａ ｑｓ３＋（擎＋ 筹＋竽＋，卜竽 （３） 其中：Ｋ 、 分别是伺服阀流量增益和流量压力 系数；Ｋ。是负载的弹性刚度；ｃ。 为液压缸总泄露；Ｋ ＝ Ｋｃ＋ｃ ；Ｋ ＝１／Ｌ，Ｌ是引申计标距， ＝Ｋ ；Ａ是活塞 高压腔面积； 是液压缸两腔总容积和管道体积之和； 是液压油的有效体积弹性模量；ｍ。是系统可移动部 分及负载的总质量； ，．为活塞和负载的粘性阻尼系数。 由式（１）、（２）、（３）可以得到系统地位置控制方式、负 荷控制方式和应变控制方式。 ２．２ Ｆｕｚｚｙ参数自适应ＰＩＤ控制器 基于模糊参数自适应ＰＩＤ控制器是以控制专家整 定ＰＩＤ控制器参数的经验和知识为基础，通过对系统 过渡过程模式的在线识别，对ＰＩＤ参数进行自整定。 ＰＩＤ参数的模糊 自整定思想是依据被控对象的响应 在采样时刻的误差（Ｅ）和误差变化率（ＤＥ）两个因素 来确定参数调整量的极性和大小。 本系统中，ＤＳＰ根据参考输入和反馈信号，计算实 际值和理论值的偏差Ｅ以及当前的偏差变化ＤＥ，并结 合专家知识，以产生ｉｆ（条件）ｔｈｅｎ（结果）的形式组成 控制规则，经过模糊合成推理输出ＰＩＤ控制器的比例 系数Ｋ 积分系数Ｋ，和微分系数Ｋ。的增益，从而形成 他们的模糊查询矩阵，把它们作为当前控制器的参考 进行ＰＩＤ调节。如果在某一采样时刻观察到响应曲线 模式与所期望的模式不同，则可根据模式状态变量Ｅ 和ＤＥ，通过实时调整机构在知识库中搜索相应的模糊 推理矩阵，并进行参数调整，直到其输出达到期望的响 应模式为止。 ２．３控制器的设计 Ｆｕｚｚｙ参数自适应ＰＩＤ控制器的设计包括：确定模 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com
・控制与检测・ ４软件设计 本文软件设计采用层次性、模块化编程思想，主要 包括：初始化模块、主程序模块、子程序模块，其中各模 块又包括若干子模块，如图５所示。同时为达到最佳 地利用ＤＳＰ芯片软硬件资源的目的，ＤＳＰ应用程序采 用Ｃ语言和汇编语言混合编程方法实现。 图５软件模块化组成结构 主程序模块主要是调用初始化子程序对系统进行 初始化，并启动系统中使用的定时器、中断、开放性系 统配置，然后进入循环体进行任务的管理和调度，主要 子程序模块如上图５所示。初始化模块主要设置各寄 存器，使系统按照设计要求正常工作，并对各种变量进 行初始化，主要子程序模块如上图５所示。子程序模 块是整个软件设计的核心模块，主要实现了对整个控 制系统的反馈控制，主要子程序模块如上图５所示。 数字信号处理器（ＤＳＰ）的控制算法是整个控制器 算法的核心：通过控制指令信号与ＤＳＰ接收的传感器 反馈信号相比较，获得跟踪误差信号，经过控制算法的 运算给出控制信号，Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤ控制算法如图６所示。 子程序入口 取当前位移采样值 ｄｅ（ｋ）和ｅ（ 模糊化 计算位移速率误差 Ｉ） 计算位移速率误差率幽（七） ＜￡ ！＞ Ｎ 主 如 ）和 ）模糊化 ＝二二［二ｌ 查询模糊规则ｌ ｉ解模糊 ｝ ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． Ｉ！．．．． ． ．． ．．一 幽（七）和 ）模糊化 返回 当ｌ￣Ｋｐ，ＫＤ 图６ Ｆｕｚｚｙ・ＰＩＤ程序流程 ５实验结果与分析 通过测力环的读数与ＤＳＰ控制器读数进行比较， ・６８・ 组合机床与自动化加工技术 来检定控制器测量值是否合格。从表１和表２列举的 实验数据可以看出，试验力和变形示值精度均在１％以 内，示值重复性小于０．５％，位移速度误差小于１％，说 明本测控系统试验力示值精度、变形示值精度及位移 等速率控制精度均符合国家标准要求，控制器性能稳 定，达到了系统的设计指标。 表１ １０倍档试验力检定（量程：０—６０ＫＮ） 测量 标准 实际值ｎ 重复性相 相对误差％ 点ｋＮ 值Ｆ ，ｌ Ｆ２ Ｆ３ 平均值 对误差％ ６，ｌ ６ ６乃 ２０ ２．５８ｌ ２．５８６ ２．５８６ ２．５８４ ２．５８５ ０．０７７ Ｏ．１９ Ｏ．１９ Ｏ．１２ ４０ ４．１６ｌ ４．１７０ ４．１６９ ４．１７Ｏ ４．１６９ ０．０２３ Ｏ．２２ Ｏ．１９ Ｏ．２２ ６０ ５．７４ｌ ５．７５０ ５．７４８ ５．７４９ ５．７４９ ０．０３４ Ｏ．１６ Ｏ．１２ ０．１４ 表２位移速度值检定 标准值 实际值ｎ 重复 相对误差％ ，ｌ Ｆ２ 乃 平均值 性％ ６，ｌ ６，２ ６ ２０ ｌ９．９６ ｌ９．９８ ｌ９．９８ ｌ９．９７ Ｏ．１ 一Ｏ．２ 一Ｏ．１ 一Ｏ．１ ５０ ５Ｏ．２ ５Ｏ．１Ｏ ５Ｏ．Ｏ５ ５Ｏ．１２ Ｏ．３ Ｏ．４ Ｏ．２ Ｏ．１ ｌＯＯ １００．３ ｌＯＯ．２ ｌＯＯ．Ｏ ｌｏ０．１６ Ｏ．３ Ｏ．３ Ｏ．２ Ｏ ６ 结论 本文利用电子技术和人工智能算法发展的最新成 果，采用ＴＩ公司新一代数字信号处理器 （ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７），同时，针对电液伺服系统的非线性 时变特征，设计出了模糊参数自适应ＰＩＤ控制器，实践 证明：与传统参数不可变ＰＩＤ控制相比，模糊参数自适 应ＰＩＤ控制具有更佳的控制特性，也达到了系统设计 所需要的各种控制精度和指标。 ［参考文献］ ［１］骆涵秀．试验机的电液控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９９１． ［２］徐兆红．电液位置伺服系统的模糊控制研究［Ｄ］．昆明 昆 明理工大学，２００４． ［３］王占林．近代电气液压伺服控制［Ｍ］．北京：北京航空航天 大学出版社，２００５． ［４］江小平．液压伺服系统智能ＰＩＤ控制［Ｄ］．南京：南京理工 大学，２００３． ［５］杨泽勇．电子万能材料试验机测控系统的研究［Ｄ］．北京： 北方工业大学，２００５． ［６］查晓春，等．非对称液压动力机构的建模与分析［Ｊ］．广东 机械学院学报，１９９４． ［７］ＤＳＰ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｅｌｗｏ ａｃｔｕａｔｏｒ［ｚ］．Ａｐｐｌｉｅａ－ ｔｉｏｎ Ｒｅｐｏｒｔ．ＳＰＲＡＡ７６一Ｊａｎｕａｒｙ ２００５． ［８］ＤＡＶＩＤ Ｗ．ＣＬＡＲＫＥ．Ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ—ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｓ．［Ｊ］Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｖｏ１．３３，１９９７． （编辑赵蓉）
