《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的望遠(yuǎn)鏡液壓控制系統(tǒng)
來(lái)源:電子技術(shù)應(yīng)用2013年第3期
趙永歷1,陳欣揚(yáng)2,潘紅鑑2,祝 杰2,胡 濤1
1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海200072; 2.中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái),上海200030
摘要: 依靠液壓系統(tǒng)支撐的天文望遠(yuǎn)鏡在正常工作過(guò)程中往往要求其油(液)壓保持在某一穩(wěn)定值。為此,設(shè)計(jì)了基于DSP的液壓模糊控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TMS320F2812 DSP芯片作為微處理器,控制相應(yīng)的外圍電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路;利用傳感器測(cè)得的油壓信號(hào)與目標(biāo)值之間的偏差,經(jīng)模糊控制器計(jì)算處理后輸出相應(yīng)占空比的PWM波形,從而調(diào)節(jié)油泵電機(jī)的運(yùn)行頻率,以實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)油壓的穩(wěn)定?,F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以有效消除外界環(huán)境因素的干擾,保證了油壓的穩(wěn)定。
中圖分類號(hào): TP18
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2013)03-0023-04
Hydraulic control system of astronomical telescope based on DSP
Zhao Yongli1,Chen Xinyang2,Pan Hongjian2,Zhu Jie2,Hu Tao1
1.School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University,Shanghai 200072,China; 2.Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200030,China
Abstract: The astronomical telescope is supported by a kind of hydraulic system, which should ensure the oil pressure to be stable. In order to achieve this aim, a hydraulic fuzzy control system based on DSP is introduced in this paper. This system adopts TMS320F2812 DSP as the microprocessor, which can master the operating mode of the motor to control the oil pressure. The PWM frequency modulation is used to control the rotate speed of the motor according to the deviation between the practical oil pressure and the expected one which is processed by the fuzzy controller. The result shows that this system can make the oil pressure stable without being influenced by the surrounding’s disturbance.
Key words : DSP;astronomical telescope;fuzzy control;oil pressure

    上海天文臺(tái)佘山觀測(cè)站所用的1.56 m天文望遠(yuǎn)鏡在工作過(guò)程中主要依靠液壓系統(tǒng)支撐(共有東、西、北三個(gè)液壓支撐點(diǎn)),其液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。油泵運(yùn)轉(zhuǎn)后通過(guò)輸油管道向上輸油,在支撐點(diǎn)形成油膜層(油膜層的厚度體現(xiàn)了油壓值的大?。?。望遠(yuǎn)鏡正常工作的前提是支撐點(diǎn)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(dòng)后產(chǎn)生的熱量會(huì)使系統(tǒng)中油的密度和粘滯度發(fā)生改變,導(dǎo)致支撐點(diǎn)壓力變化,從而影響望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行的靈敏性,最終影響天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果。目前,工作人員需要根據(jù)支撐點(diǎn)壓力的變化來(lái)手動(dòng)調(diào)整液壓閥門(mén),以保持油壓在恒定的范圍內(nèi)。這樣既影響了觀測(cè)過(guò)程的連續(xù)性和精確性,同時(shí)也加重了工作人員的工作強(qiáng)度。因此需要設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定的液壓支撐系統(tǒng)來(lái)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(hào)處理器DSP(Digital Signal Processor)以其強(qiáng)大的運(yùn)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T(mén)I公司的一款新型32 bit定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,以其外設(shè)集成度高、A/D轉(zhuǎn)換速度快、易于實(shí)現(xiàn)PWM控制等特點(diǎn)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(duì)流體特性與參數(shù)的影響等都會(huì)使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(diǎn)是將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示為語(yǔ)言規(guī)則用于控制,它不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,能夠克服非線性因素影響,對(duì)被調(diào)節(jié)對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)油壓系統(tǒng)的穩(wěn)定。
1 設(shè)計(jì)方案
    根據(jù)天文望遠(yuǎn)鏡在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)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(dòng)調(diào)節(jié),保持油壓恒定。該控制系統(tǒng)主要由壓力信號(hào)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(dòng)油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后,在望遠(yuǎn)鏡支撐點(diǎn)形成油膜層(其厚度體現(xiàn)為油壓值),該油壓信號(hào)經(jīng)傳感器采集后反饋至控制器;反饋信號(hào)與設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行比較,產(chǎn)生一定的誤差信號(hào),誤差信號(hào)由控制器經(jīng)過(guò)相應(yīng)的控制算法來(lái)驅(qū)動(dòng)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(jì)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(hào)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(dòng)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(duì)DSP進(jìn)行鍵盤(pán)輸入及顯示模塊的擴(kuò)展,利用鍵盤(pán)直接設(shè)定需要的輸入信號(hào),通過(guò)顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示壓力信號(hào)的變化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    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(shí)現(xiàn)硬件實(shí)時(shí)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(jì)
    電源設(shè)計(jì)是DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)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(xiě)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算,CPU內(nèi)部部件的頻繁開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換會(huì)使系統(tǒng)功耗大大增加,所以必須要有一個(gè)良好的供電系統(tǒng)來(lái)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(kāi)關(guān)電源控制器和開(kāi)關(guān)電源模塊。線性穩(wěn)壓器優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、成本低;缺點(diǎn)是效率低。開(kāi)關(guān)電源控制器優(yōu)點(diǎn)是電流大,效率高;缺點(diǎn)是占用空間大。開(kāi)關(guān)電源模塊優(yōu)點(diǎn)是效率高、使用方便;缺點(diǎn)是成本高[3]。因此設(shè)計(jì)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(jì)
3.1 模糊控制的基本原理

    鑒于油壓變化的非線性與時(shí)滯性,以及二維模糊控制器能夠反映控制過(guò)程的動(dòng)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(jì)實(shí)現(xiàn),模糊控制算法的基本過(guò)程:DSP經(jīng)過(guò)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(hào)e和誤差信號(hào)變化量ec,兩者即為模糊控制器的輸入信號(hào)。再把這兩個(gè)輸入量進(jìn)行模糊化處理,轉(zhuǎn)換成模糊控制器可識(shí)別的模糊量,并用相應(yīng)的模糊語(yǔ)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(gè)量是無(wú)法直接用于實(shí)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(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制[5]。
    油壓誤差e的基本論域?yàn)閄=[-450,450],誤差變化量ec的基本論域?yàn)閅=[-300,300],PWM波形占空比的基本論域?yàn)閆=[0.8,1],與其對(duì)應(yīng)的寄存器參數(shù)論域?yàn)閇3 515,8 203]。根據(jù)3個(gè)語(yǔ)言變量的基本論域范圍,描述輸入變量和輸出變量的語(yǔ)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(yǔ)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(jì)
    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(gè)點(diǎn)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(duì)模糊規(guī)則的完備性以及對(duì)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(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及工作人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn),相應(yīng)的語(yǔ)言變量選用S型隸屬函數(shù)和三角隸屬函數(shù),3個(gè)變量的隸屬函數(shù)曲線如圖7所示。

    通過(guò)模糊推理得到的結(jié)果是一個(gè)模糊集合,而在實(shí)際的控制中需要一個(gè)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(chǔ)單元,在實(shí)時(shí)控制中,用查表法獲得PWM波形占空比的對(duì)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(jì)
    系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì),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(duì)天文望遠(yuǎn)鏡實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中油壓系統(tǒng)存在的一些問(wèn)題,設(shè)計(jì)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(tái),包括具體硬件、軟件的設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試和運(yùn)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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