上海天文臺佘山觀測站所用的1.56 m天文望遠(yuǎn)鏡在工作過程中主要依靠液壓系統(tǒng)支撐(共有東、西、北三個液壓支撐點)，其液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。油泵運轉(zhuǎn)后通過輸油管道向上輸油，在支撐點形成油膜層（油膜層的厚度體現(xiàn)了油壓值的大?。Ｍh(yuǎn)鏡正常工作的前提是支撐點油壓的穩(wěn)定。液壓系統(tǒng)周圍環(huán)境溫度的變化以及油泵啟動后產(chǎn)生的熱量會使系統(tǒng)中油的密度和粘滯度發(fā)生改變，導(dǎo)致支撐點壓力變化，從而影響望遠(yuǎn)鏡運行的靈敏性，最終影響天文望遠(yuǎn)鏡的觀測效果。目前，工作人員需要根據(jù)支撐點壓力的變化來手動調(diào)整液壓閥門，以保持油壓在恒定的范圍內(nèi)。這樣既影響了觀測過程的連續(xù)性和精確性，同時也加重了工作人員的工作強(qiáng)度。因此需要設(shè)計一套穩(wěn)定的液壓支撐系統(tǒng)來保證天文望遠(yuǎn)鏡的正常工作。

    隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)以其強(qiáng)大的運算處理功能和較高的控制精度在控制系統(tǒng)中廣泛使用。TMS320F2812作為TI公司的一款新型32 bit定點數(shù)字信號處理器，以其外設(shè)集成度高、A/D轉(zhuǎn)換速度快、易于實現(xiàn)PWM控制等特點被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。
    傳統(tǒng)的PID控制需要精確的數(shù)學(xué)模型，輸油管道的流體力學(xué)模型以及環(huán)境溫度對流體特性與參數(shù)的影響等都會使控制系統(tǒng)的設(shè)計異常繁雜。并且傳統(tǒng)PID控制難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求，通常不能有效克服負(fù)載、模型參數(shù)的變化以及非線性因素的影響。而模糊控制是一種典型的智能控制方法，廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，其最大特點是將專家的經(jīng)驗和知識表示為語言規(guī)則用于控制，它不依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素影響，對被調(diào)節(jié)對象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性[1]。因此該控制系統(tǒng)采用模糊控制算法來實現(xiàn)油壓系統(tǒng)的穩(wěn)定。
1 設(shè)計方案
    根據(jù)天文望遠(yuǎn)鏡在使用過程中出現(xiàn)的問題，提出一套閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，使液壓系統(tǒng)能夠根據(jù)外界環(huán)境的溫度變化自動調(diào)節(jié)，保持油壓恒定。該控制系統(tǒng)主要由壓力信號采樣模塊、控制模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成。首先根據(jù)望遠(yuǎn)鏡的工作需要設(shè)定油壓的目標(biāo)值；執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動油泵電機(jī)運轉(zhuǎn)后，在望遠(yuǎn)鏡支撐點形成油膜層(其厚度體現(xiàn)為油壓值)，該油壓信號經(jīng)傳感器采集后反饋至控制器；反饋信號與設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較，產(chǎn)生一定的誤差信號，誤差信號由控制器經(jīng)過相應(yīng)的控制算法來驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而調(diào)整油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使輸出的油壓趨于目標(biāo)值。
    設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。采樣模塊主要由壓力傳感器和DSP信號采樣模塊組成；控制模塊主要由DSP及相應(yīng)外圍電路組成；驅(qū)動電路和油泵電機(jī)組成了系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。此外，還可以對DSP進(jìn)行鍵盤輸入及顯示模塊的擴(kuò)展，利用鍵盤直接設(shè)定需要的輸入信號，通過顯示模塊可以實時顯示壓力信號的變化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    硬件系統(tǒng)主要由TMS320F2812芯片、30 MHz有源晶振、電源電路以及電阻、電容與電感構(gòu)成。要在調(diào)試工具和目標(biāo)CPU之間實現(xiàn)硬件實時通信，需要在PC端和目標(biāo)DSP端定義硬件接口，TI公司的DSP一般采用JTAG作為硬件調(diào)試接口[2]。

2.1 電源電路設(shè)計
    電源設(shè)計是DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要組成部分。TMS320F2812要求的內(nèi)核供電電壓為1.8 V，外部I/O和內(nèi)部Flash燒寫電壓為3.3 V，且內(nèi)核電壓先上電，I/O電壓后上電。由于DSP在系統(tǒng)中要承擔(dān)大量的實時數(shù)據(jù)計算，CPU內(nèi)部部件的頻繁開關(guān)轉(zhuǎn)換會使系統(tǒng)功耗大大增加，所以必須要有一個良好的供電系統(tǒng)來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。
    DSP電源系統(tǒng)方案包括線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電源控制器和開關(guān)電源模塊。線性穩(wěn)壓器優(yōu)點是簡單、成本低；缺點是效率低。開關(guān)電源控制器優(yōu)點是電流大，效率高；缺點是占用空間大。開關(guān)電源模塊優(yōu)點是效率高、使用方便；缺點是成本高[3]。因此設(shè)計中采用TI公司的雙路低壓差電源穩(wěn)壓器TPS767D301，它一路輸出3.3 V供I/O電源，另一路輸出1.8 V供內(nèi)核電源。電源電路如圖3所示。

3 模糊控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 模糊控制的基本原理
    鑒于油壓變化的非線性與時滯性，以及二維模糊控制器能夠反映控制過程的動態(tài)特性，系統(tǒng)選用二維模糊控制器[4]，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    模糊控制系統(tǒng)由DSP設(shè)計實現(xiàn)，模糊控制算法的基本過程：DSP經(jīng)過采樣和A/D轉(zhuǎn)換獲得被控量(油壓)的精確值，然后與給定值比較得到誤差信號e和誤差信號變化量ec，兩者即為模糊控制器的輸入信號。再把這兩個輸入量進(jìn)行模糊化處理，轉(zhuǎn)換成模糊控制器可識別的模糊量，并用相應(yīng)的模糊語言表示。根據(jù)e、ec和模糊控制規(guī)則R(模糊關(guān)系)，按推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u(PWM波形占空比參數(shù))。這個量是無法直接用于實際控制的，必須將其轉(zhuǎn)換為精確量，即反模糊化，求得精確的數(shù)字控制量之后即可對被控對象進(jìn)行控制[5]。
    油壓誤差e的基本論域為X=[-450，450]，誤差變化量ec的基本論域為Y=[-300，300]，PWM波形占空比的基本論域為Z=[0.8，1]，與其對應(yīng)的寄存器參數(shù)論域為[3 515，8 203]。根據(jù)3個語言變量的基本論域范圍，描述輸入變量和輸出變量的語言值的模糊集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別表示模糊語言變量中的負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。
3.2 模糊控制器設(shè)計
    模糊控制器主要包括模糊化、模糊推理和反模糊化。
    模糊化主要是隸屬函數(shù)的選取。隸屬函數(shù)定義了如何將論域上的每一個點映射到0～1之間的隸屬度，它是模糊控制中模糊量與精確量轉(zhuǎn)換的橋梁。隸屬函數(shù)的形狀和它在模糊子集論域中的分布情況對模糊規(guī)則的完備性以及對模糊控制的相互作用性都將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，直接決定最終的控制效果。通常應(yīng)用的隸屬函數(shù)曲線一般為分段線性函數(shù)、高斯分布函數(shù)、S型曲線和三角隸屬函數(shù)等。在該液壓系統(tǒng)中，根據(jù)現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)及工作人員實際經(jīng)驗，相應(yīng)的語言變量選用S型隸屬函數(shù)和三角隸屬函數(shù)，3個變量的隸屬函數(shù)曲線如圖7所示。

    通過模糊推理得到的結(jié)果是一個模糊集合，而在實際的控制中需要一個確定值，因此需要進(jìn)行反模糊化。通常使用的方法包括平均值法、最大隸屬函數(shù)法以及中心法等。該系統(tǒng)采用最大隸屬度平均值法得到最終的控制量u，最后可以得到模糊控制查詢表。將查詢表存于存儲單元，在實時控制中，用查表法獲得PWM波形占空比的對應(yīng)參數(shù)[7]。得到的三維輸出控制曲面如圖8所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括主程序和各功能子程序，其流程圖如圖9所示。

    本文針對天文望遠(yuǎn)鏡實際運行過程中油壓系統(tǒng)存在的一些問題，設(shè)計了一套閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以DSP芯片TMS320F2812為核心搭建了控制油壓電機(jī)的變頻調(diào)速平臺，包括具體硬件、軟件的設(shè)計和調(diào)試。由于此油壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其數(shù)學(xué)模型難以確定，傳統(tǒng)的PID控制策略很難實現(xiàn)，本文首次將模糊控制策略應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡液壓控制系統(tǒng)。通過現(xiàn)場的調(diào)試和運行可以看出，在存在外界干擾的情況下，該系統(tǒng)可以很好地保證油壓的穩(wěn)定性，并具有快速響應(yīng)性能。
參考文獻(xiàn)
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