一種新型調(diào)節(jié)閥門測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
針對(duì)工業(yè)設(shè)備中調(diào)節(jié)閥門的單檢試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種新型測(cè)控系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)以阿爾泰公司驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集卡為核心，搭建外圍電路構(gòu)筑硬件平臺(tái)。軟件設(shè)計(jì)中針對(duì)所采集數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)，采用復(fù)合濾波算法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波，將濾波后的信號(hào)線性化處理;針對(duì)電機(jī)控制中的低頻振蕩，采用基于邏輯微分的PD控制方法進(jìn)行抑制;軟件的整體設(shè)計(jì)采用VisualBasic6.0開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了該測(cè)控系統(tǒng)。仿真和實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)精度高且具有很強(qiáng)的通用性，可以廣泛的應(yīng)用于普通工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)以及航天設(shè)備的測(cè)試中。
工業(yè)設(shè)備中的單檢設(shè)備主要是替代目標(biāo)中某個(gè)控制系統(tǒng)來完成某個(gè)設(shè)備可靠性的測(cè)試等功能，該方法是航天設(shè)備測(cè)試的主要方法，近年來一些高成本的民用設(shè)備測(cè)試中也開始使用。
由于實(shí)際項(xiàng)目測(cè)試的需求，該系統(tǒng)采用兩相伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。為了提高平面電機(jī)加減速階段的伺服性能問題，提出了一種基于比例微分控制器輸出與目標(biāo)加速度的自適應(yīng)前饋系數(shù)求解方法。而對(duì)于步進(jìn)電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)，討論了步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制方法，其大多采用外接測(cè)量元件測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)軸構(gòu)造閉環(huán)系統(tǒng)，采用模糊控制等方法進(jìn)行控制，這種方法控制精度高，但成本高且實(shí)現(xiàn)難度較大。隨著步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制特性的進(jìn)一步研究和電機(jī)跟蹤脈沖輸入能力的不斷提高，步進(jìn)電機(jī)的丟步現(xiàn)象已經(jīng)處于一個(gè)可忽略的階段，由于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，開環(huán)控制仍是步進(jìn)電機(jī)最主要的控制方式。其中提出了一種位置速度雙閉環(huán)的步進(jìn)電機(jī)控制方法，在一定的程度上提高了系統(tǒng)的性能。
隨著智能控制理論的不斷發(fā)展，智能控制在現(xiàn)代伺服系統(tǒng)控制中發(fā)揮了很大的作用，針對(duì)大射電望遠(yuǎn)鏡饋源艙跟蹤定位問題，提出了一種自適應(yīng)滑�？刂品椒�。為了實(shí)現(xiàn)高性能的跟蹤控制，提出了一種基于有界增益遺忘最小二乘法的復(fù)合自適應(yīng)滑模控制。
本文根據(jù)設(shè)備成本和控制易于實(shí)現(xiàn)的要求，對(duì)傳統(tǒng)的自動(dòng)控制方法進(jìn)行了改進(jìn)并進(jìn)行了數(shù)學(xué)仿真，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明該方法對(duì)系統(tǒng)的性能有一定程度的提高。
1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件部分包括驅(qū)動(dòng)板卡、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集板卡及掉電檢測(cè)4個(gè)部分(圖1)。驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)采集板卡均采用阿爾泰公司的USB1010驅(qū)動(dòng)卡與USB2831采集卡，USB1010是USB總線兩軸伺服/步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，它以高頻率脈沖串形式輸出，控制伺服/步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。該卡能精確地控制所發(fā)出的脈沖頻率(電機(jī)速度)、脈沖個(gè)數(shù)(電機(jī)轉(zhuǎn)角)及脈沖頻率變化率(電機(jī)加速度);USB2831是一種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、信號(hào)采集、過程控制、伺服控制等領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理具有獨(dú)特的功能。
圖1 系統(tǒng)硬件框圖
1.2、采集卡驅(qū)動(dòng)方式
驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)采集板卡的驅(qū)動(dòng)方式使用阿爾泰公司提供的Visual Basic驅(qū)動(dòng)對(duì)端口直接操作，在使用本測(cè)控系統(tǒng)之前安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序就可以正常使用本測(cè)控系統(tǒng)。
2 、統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1、程序設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)程序分為參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、性能測(cè)試和退出4個(gè)部分。圖2為系統(tǒng)程序流程圖。
圖2 程序流程圖
2.2、數(shù)據(jù)采集與處理
數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)隨著信息技術(shù)的進(jìn)步正在以驚人的速度向縱深和更高級(jí)的方向發(fā)展。信息社會(huì)的發(fā)展，高端設(shè)備的研制，很大程度上決定于信息與信號(hào)處理的先進(jìn)性。由于本測(cè)控系統(tǒng)中的信號(hào)是用模擬式傳感器測(cè)得的，因此這些信號(hào)不可避免地受到各種噪聲的干擾，針對(duì)不同的干擾，在硬件設(shè)計(jì)中已經(jīng)采取了不同的抑制和消除干擾的措施，但是這樣并不能保證將全部的干擾完全消除，仍然有一部分噪聲進(jìn)入計(jì)算機(jī)，并帶來一定的影響。數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)具有較大的靈活性且不增加硬件設(shè)備，在本設(shè)計(jì)中采用中值法與平均值法相結(jié)合組成的復(fù)合濾波器實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。
具體做法如下：在一個(gè)采樣周期內(nèi)，對(duì)被采樣信號(hào)y連續(xù)采樣N次，去掉其中的最大值和最小值，對(duì)剩下的N-2次采樣值求取平均值，作為本次采樣周期內(nèi)的濾波器輸出
。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，考慮到采集信號(hào)是連續(xù)多次采樣，信號(hào)本身也會(huì)發(fā)生變化，因此在求取平均值的過程中給各次采樣值不同的權(quán)重系數(shù)，即 
(1) 其中：ki為不同采樣值的加權(quán)系數(shù)，且滿足 
1，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，取k02.3 控制對(duì)象模型
根據(jù)項(xiàng)目要求，本設(shè)備采用的是兩相伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。一般情況下，兩相伺服電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的線性化方程可表示為：
(2) 其中：Mm為電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩;ωm為電動(dòng)機(jī)的角速度;CΩ=dMm/dωm是阻尼系數(shù);Ms為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
暫不考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Mm用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載并克服粘性摩擦，可得轉(zhuǎn)矩平衡方程為
(3) 其中：θm是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子角位移;Jm和fm分別是折算到電動(dòng)機(jī)上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和總粘性摩擦系數(shù)。
由式(2)和式(3)消去中間變量Ms和Mm，并在零初始條件下求拉氏變化，令Ua(s)=L[ua(t)]，Θm(s)=L[θm(t)]，可求得兩相伺服電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)為
(4) 引入狀態(tài)變量X=[x1， x2]T，轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程描述如下：
(5) 其中：x1(t)=θ(t);x2(t)=θ(t)。
為了分析方便，將式(5)寫為如下的形式：
(6) 其中：
作如下的假設(shè)。
假設(shè) 對(duì)于式(6)所描述的系統(tǒng)，系統(tǒng)矩陣(M，N，T)可控、可觀測(cè)。
控制要求為通過設(shè)計(jì)控制律實(shí)現(xiàn)實(shí)際輸出角度θ收斂到θd，無超調(diào)且激起的振動(dòng)能得到很好的抑制，即
2.4、基于邏輯微分的PD控制律設(shè)計(jì)
PD控制律在一定程度上能夠抑制撓性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，但這種抑制是被動(dòng)抑制，效果不是很明顯。因此本文對(duì)PD控制進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了基于邏輯微分的PD控制律。
由于在控制律的設(shè)計(jì)過程中，考慮的一個(gè)原則是：需要微分的作用時(shí)，能得到很大的作用，不需要時(shí)，微分作用能盡量減少或消失，根據(jù)這個(gè)原理。
(7) 其中：c為正常數(shù)。
考慮到外加干擾，設(shè)計(jì)如下形式的PD控制律：
(8) 其中：kp>0;θd為期望值;μ≥|dt|。
將式(8)所示的控制律代入式(6)所示模型中，可得到如式(9)所示的閉環(huán)系統(tǒng)。
(9) 2.5、穩(wěn)定性分析
定理 考慮式(6)所示的系統(tǒng)，如果假設(shè)成立，選擇式(8)所示的控制律，且其參數(shù)kp，c，μ滿足設(shè)計(jì)要求，則式(9)所示閉環(huán)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
證明 選取Lyapunov函數(shù)：
(10) 其中：M為正定對(duì)稱矩陣;當(dāng)kp>0時(shí)，V≥0;當(dāng)且僅當(dāng)θ=θd， 
=0時(shí)，V=0. 對(duì)式(10)求時(shí)間導(dǎo)數(shù)，得
(11) 令e=θ-θd，得
(12) 將式(8)代入式(12)中，結(jié)果如式(13)所示。
(13) 將式(7)代入式(13)中，得
當(dāng)且僅當(dāng) =0且無干擾時(shí)，V=0，因此，閉環(huán)系統(tǒng)(9)在無干擾時(shí)穩(wěn)定。
2.6、仿真分析
本文采用Simulink對(duì)所設(shè)計(jì)的控制律進(jìn)行了仿真，仿真參數(shù)為：J=80g·cm2，Cn=0.041，加入干擾dt=10sin(0.5t)+20cos(0.2t)，給定輸出為θd=60°
仿真中，仿真時(shí)長(zhǎng)取40s，分別對(duì)常規(guī)PD控制和基于邏輯微分的PD控制進(jìn)行了仿真。
圖3 位置響應(yīng)曲線
圖4 位置響應(yīng)曲線部分放大圖
從圖3和圖4可以看出，當(dāng)采用相同的值時(shí)，基于邏輯微分的PD控制器在8s左右時(shí)便達(dá)到指定位置，而且超調(diào)量為0，而常規(guī)PD控制大概在12s左右第一次到達(dá)指定位置，之后一直徘徊在終值上下，雖然其超調(diào)量?jī)H為百分之零點(diǎn)幾，但對(duì)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行工作的設(shè)備來說存在嚴(yán)重的安全隱患。
圖5 轉(zhuǎn)速輸出曲線
圖6 轉(zhuǎn)速輸出曲線部分放大圖
從圖5和圖6可以看出，邏輯微分PD控制律在轉(zhuǎn)速第一次到達(dá)平衡位置時(shí)，便能夠?qū)⑵渫耆囊种�，而�?duì)于外界干擾引起的擾動(dòng)，對(duì)其低頻振蕩也能夠抑制，而常規(guī)PD控制律在這方面的作用明顯的欠缺。
圖7 控制力矩
從圖3～圖8中可以看出，常規(guī)PD和本文設(shè)計(jì)的控制律都存在魯棒性較差的缺點(diǎn)，一般情況下可以考慮其它的智能控制方法對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，以使其具有較好的魯棒性.本文中式(8)所示的控制律中，考慮到外界干擾，采用了符號(hào)函數(shù)進(jìn)行干擾的抑制，在仿真中，為了觀察邏輯微分PD控制律的控制效果，將符號(hào)函數(shù)的系數(shù)進(jìn)行凍結(jié)處理，即μ=4。在實(shí)際設(shè)備中，根據(jù)不同的狀態(tài)，選取不同的參數(shù)對(duì)外干擾進(jìn)行抑制。
圖8 控制力矩局部放大圖
對(duì)于一些特殊的產(chǎn)品，其能源供給有限，但需要不間斷的運(yùn)行且不發(fā)熱，因此，在設(shè)計(jì)控制律的過程中，需要特別注意低頻振動(dòng)的影響。因?yàn)橐坏┯械皖l振動(dòng)，宏觀上不易察覺，但其對(duì)能源的消耗會(huì)一直持續(xù)下去，并且會(huì)造成設(shè)備的發(fā)熱，對(duì)設(shè)備的壽命來說，這是致命的，對(duì)后續(xù)的設(shè)備性能分析產(chǎn)生誤導(dǎo)作用。
為了分析控制律的控制性能，本文對(duì)位置跟蹤性能進(jìn)行了仿真.由圖9可以看出，輸入正弦位置跟蹤信號(hào)θ=60sint，在同等條件下，邏輯微分PD控制律的最大跟蹤誤差在4°左右，而常規(guī)PD控制的最大跟蹤誤差大于10°，這說明邏輯微分控制律在常規(guī)PD控制律具有快速性優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上其快速性有了進(jìn)一步的提高，對(duì)于一些普通的控制系統(tǒng)來說，經(jīng)典控制律的適應(yīng)能力進(jìn)一步拓展，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
圖9 位置跟蹤曲線
圖10為在25Hz狀態(tài)下進(jìn)行打開90°實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)際測(cè)試的結(jié)果截圖，使用本文設(shè)計(jì)的邏輯微分控制律發(fā)現(xiàn)，其到達(dá)90°所需的時(shí)間為25s左右，超調(diào)量為0，到達(dá)指定位置后其電流迅速回落到0A，由此說明，邏輯微分PD控制律對(duì)引起的低頻振蕩能夠完全的抑制，適應(yīng)于設(shè)備的長(zhǎng)期工作。
圖10 低頻狀態(tài)控制截圖
從圖3～圖10中可以得到以下的結(jié)論：
經(jīng)典控制論中的傳統(tǒng)控制方法仍舊能夠滿足控制器設(shè)計(jì)的要求，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，但是，由于干擾力矩引發(fā)的振動(dòng)，其調(diào)節(jié)能力較弱。因此，對(duì)于一般的工業(yè)控制系統(tǒng)，當(dāng)控制對(duì)象達(dá)到指定位置時(shí)，通常采用硬件停止的方式，其振動(dòng)會(huì)自動(dòng)消失。
但是，對(duì)于連續(xù)工作或控制精度要求較高的系統(tǒng)，不能采用硬件停止的方式進(jìn)行控制，需要通過軟件抑制振動(dòng)，常規(guī)PD控制律將會(huì)變得很無力，而且其長(zhǎng)時(shí)間的低頻振動(dòng)不僅會(huì)使設(shè)備的壽命大大降低而且大大的浪費(fèi)資源.基于邏輯微分的PD控制律由于其特殊的設(shè)計(jì)原理，在抑制振動(dòng)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，必將在未來的控制系統(tǒng)中發(fā)揮重大的作用。
2.7、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放
風(fēng)量調(diào)節(jié)閥性能測(cè)試是一項(xiàng)耗時(shí)長(zhǎng)、要求高、工作量非常繁重的試驗(yàn)任務(wù).本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，滿足試驗(yàn)過程對(duì)數(shù)據(jù)保存的需求。系統(tǒng)中采用Visual Basic 6.0自帶的存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)文件存儲(chǔ)程序，設(shè)計(jì)的程序可以選擇存儲(chǔ)文件的格式(如Ex-cel、txt格式等)。本設(shè)計(jì)為了保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性，自定義文件存儲(chǔ)格式(圖11)�；胤殴δ鼙ＷC了用戶隨時(shí)可以查閱存儲(chǔ)的信息，便于對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的分析。本系統(tǒng)中的回放功能在用戶保存數(shù)據(jù)和選擇了查詢之后，可使數(shù)據(jù)顯示在系統(tǒng)界面對(duì)應(yīng)的位置上，供用戶查看。圖12為轉(zhuǎn)化成可供用戶打印與數(shù)據(jù)分析的Excel格式。
圖11 采集數(shù)據(jù)的保存
圖12 轉(zhuǎn)化為Excel格式
3、結(jié)束語
本設(shè)計(jì)采用集成板卡實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，不僅簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，而且提高了系統(tǒng)的性能，該驅(qū)動(dòng)與采集板卡均通過USB總線與PC機(jī)相連，其便捷的使用方法和穩(wěn)定的性能很好的契合了現(xiàn)代單檢設(shè)備中復(fù)雜的應(yīng)用背景.以上設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥各種預(yù)定要求性能參數(shù)的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)查詢、保存和回放等方面取得了很好效果。
該測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用于多個(gè)航天器的檢測(cè)中，系統(tǒng)測(cè)試精度高、用戶使用維護(hù)方便，很好的滿足了項(xiàng)目的需求，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。
