一種新型調(diào)節(jié)閥門測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

　　針對工業(yè)設(shè)備中調(diào)節(jié)閥門的單檢試驗，設(shè)計了一種新型測控系統(tǒng)。硬件設(shè)計以阿爾泰公司驅(qū)動與數(shù)據(jù)采集卡為核心，搭建外圍電路構(gòu)筑硬件平臺。軟件設(shè)計中針對所采集數(shù)據(jù)中的干擾信號，采用復(fù)合濾波算法對采集信號進行濾波，將濾波后的信號線性化處理;針對電機控制中的低頻振蕩，采用基于邏輯微分的PD控制方法進行抑制;軟件的整體設(shè)計采用VisualBasic6.0開發(fā)平臺設(shè)計了該測控系統(tǒng)。仿真和實際應(yīng)用結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)精度高且具有很強的通用性，可以廣泛的應(yīng)用于普通工業(yè)測控系統(tǒng)以及航天設(shè)備的測試中。

　　工業(yè)設(shè)備中的單檢設(shè)備主要是替代目標(biāo)中某個控制系統(tǒng)來完成某個設(shè)備可靠性的測試等功能，該方法是航天設(shè)備測試的主要方法，近年來一些高成本的民用設(shè)備測試中也開始使用。

　　由于實際項目測試的需求，該系統(tǒng)采用兩相伺服電動機驅(qū)動負載。為了提高平面電機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。而對于步進電機組成的伺服系統(tǒng)，討論了步進電機的閉環(huán)控制方法，其大多采用外接測量元件測量電機的轉(zhuǎn)軸構(gòu)造閉環(huán)系統(tǒng)，采用模糊控制等方法進行控制，這種方法控制精度高，但成本高且實現(xiàn)難度較大。隨著步進電機細分控制特性的進一步研究和電機跟蹤脈沖輸入能力的不斷提高，步進電機的丟步現(xiàn)象已經(jīng)處于一個可忽略的階段，由于其實現(xiàn)簡單，開環(huán)控制仍是步進電機最主要的控制方式。其中提出了一種位置速度雙閉環(huán)的步進電機控制方法，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，針對大射電望遠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�？刂�。

　　本文根據(jù)設(shè)備成本和控制易于實現(xiàn)的要求，對傳統(tǒng)的自動控制方法進行了改進并進行了數(shù)學(xué)仿真，實驗和仿真結(jié)果表明該方法對系統(tǒng)的性能有一定程度的提高。

1、系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　1.1、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　系統(tǒng)硬件部分包括驅(qū)動板卡、驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)采集板卡及掉電檢測4個部分(圖1)。驅(qū)動及數(shù)據(jù)采集板卡均采用阿爾泰公司的USB1010驅(qū)動卡與USB2831采集卡，USB1010是USB總線兩軸伺服/步進電機運動控制卡，它以高頻率脈沖串形式輸出，控制伺服/步進電機的運動。該卡能精確地控制所發(fā)出的脈沖頻率(電機速度)、脈沖個數(shù)(電機轉(zhuǎn)角)及脈沖頻率變化率(電機加速度);USB2831是一種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，對電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測、信號采集、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特的功能。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

　　1.2、采集卡驅(qū)動方式

　　驅(qū)動與數(shù)據(jù)采集板卡的驅(qū)動方式使用阿爾泰公司提供的Visual Basic驅(qū)動對端口直接操作，在使用本測控系統(tǒng)之前安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序就可以正常使用本測控系統(tǒng)。

2 、統(tǒng)軟件設(shè)計

　　2.1、程序設(shè)計

　　本系統(tǒng)程序分為參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢、性能測試和退出4個部分。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)字信號處理技術(shù)隨著信息技術(shù)的進步正在以驚人的速度向縱深和更高級的方向發(fā)展。信息社會的發(fā)展，高端設(shè)備的研制，很大程度上決定于信息與信號處理的先進性。由于本測控系統(tǒng)中的信號是用模擬式傳感器測得的，因此這些信號不可避免地受到各種噪聲的干擾，針對不同的干擾，在硬件設(shè)計中已經(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入計算機，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)合濾波器實現(xiàn)數(shù)字濾波。

具體做法如下：在一個采樣周期內(nèi)，對被采樣信號y連續(xù)采樣N次，去掉其中的最大值和最小值，對剩下的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)計中，考慮到采集信號是連續(xù)多次采樣，信號本身也會發(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)計過程中，取k02.3 控制對象模型

 

　　根據(jù)項目要求，本設(shè)備采用的是兩相伺服電動機驅(qū)動負載。一般情況下，兩相伺服電動機機械特性的線性化方程可表示為：

(2)

　　其中：Mm為電動機的輸出轉(zhuǎn)矩;ωm為電動機的角速度;CΩ=dMm/dωm是阻尼系數(shù);Ms為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。

　　暫不考慮負載轉(zhuǎn)矩，則電動機輸出轉(zhuǎn)矩Mm用來驅(qū)動負載并克服粘性摩擦，可得轉(zhuǎn)矩平衡方程為

(3)

　　其中：θm是電動機的轉(zhuǎn)子角位移;Jm和fm分別是折算到電動機上的總轉(zhuǎn)動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機的傳遞函數(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)　對于式(6)所描述的系統(tǒng)，系統(tǒng)矩陣(M，N，T)可控、可觀測。

　　控制要求為通過設(shè)計控制律實現(xiàn)實際輸出角度θ收斂到θd，無超調(diào)且激起的振動能得到很好的抑制，即

　　2.4、基于邏輯微分的PD控制律設(shè)計

　　PD控制律在一定程度上能夠抑制撓性結(jié)構(gòu)的振動，但這種抑制是被動抑制，效果不是很明顯。因此本文對PD控制進行改進，設(shè)計了基于邏輯微分的PD控制律。

　　由于在控制律的設(shè)計過程中，考慮的一個原則是：需要微分的作用時，能得到很大的作用，不需要時，微分作用能盡量減少或消失，根據(jù)這個原理。

(7)

　　其中：c為正常數(shù)。

　　考慮到外加干擾，設(shè)計如下形式的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為正定對稱矩陣;當(dāng)kp>0時，V≥0;當(dāng)且僅當(dāng)θ=θd， =0時，V=0.

　　對式(10)求時間導(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，V=0，因此，閉環(huán)系統(tǒng)(9)在無干擾時穩(wěn)定。

　　2.6、仿真分析

　　本文采用Simulink對所設(shè)計的控制律進行了仿真，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，仿真時長取40s，分別對常規(guī)PD控制和基于邏輯微分的PD控制進行了仿真。

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，基于邏輯微分的PD控制器在8s左右時便達到指定位置，而且超調(diào)量為0，而常規(guī)PD控制大概在12s左右第一次到達指定位置，之后一直徘徊在終值上下，雖然其超調(diào)量僅為百分之零點幾，但對長時間進行工作的設(shè)備來說存在嚴重的安全隱患。

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)速第一次到達平衡位置時，便能夠?qū)⑵渫耆�的抑制，而對于外界干擾引起的擾動，對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)計的控制律都存在魯棒性較差的缺點，一般情況下可以考慮其它的智能控制方法對其進行補償，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，采用了符號函數(shù)進行干擾的抑制，在仿真中，為了觀察邏輯微分PD控制律的控制效果，將符號函數(shù)的系數(shù)進行凍結(jié)處理，即μ=4。在實際設(shè)備中，根據(jù)不同的狀態(tài)，選取不同的參數(shù)對外干擾進行抑制。

圖8 控制力矩局部放大圖

　　對于一些特殊的產(chǎn)品，其能源供給有限，但需要不間斷的運行且不發(fā)熱，因此，在設(shè)計控制律的過程中，需要特別注意低頻振動的影響。因為一旦有低頻振動，宏觀上不易察覺，但其對能源的消耗會一直持續(xù)下去，并且會造成設(shè)備的發(fā)熱，對設(shè)備的壽命來說，這是致命的，對后續(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，本文對位置跟蹤性能進行了仿真.由圖9可以看出，輸入正弦位置跟蹤信號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)勢的基礎(chǔ)上其快速性有了進一步的提高，對于一些普通的控制系統(tǒng)來說，經(jīng)典控制律的適應(yīng)能力進一步拓展，具有潛在的應(yīng)用價值。

圖9 位置跟蹤曲線

　　圖10為在25Hz狀態(tài)下進行打開90°實驗時實際測試的結(jié)果截圖，使用本文設(shè)計的邏輯微分控制律發(fā)現(xiàn)，其到達90°所需的時間為25s左右，超調(diào)量為0，到達指定位置后其電流迅速回落到0A，由此說明，邏輯微分PD控制律對引起的低頻振蕩能夠完全的抑制，適應(yīng)于設(shè)備的長期工作。

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)計的要求，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，但是，由于干擾力矩引發(fā)的振動，其調(diào)節(jié)能力較弱。因此，對于一般的工業(yè)控制系統(tǒng)，當(dāng)控制對象達到指定位置時，通常采用硬件停止的方式，其振動會自動消失。

　　但是，對于連續(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行控制，需要通過軟件抑制振動，常規(guī)PD控制律將會變得很無力，而且其長時間的低頻振動不僅會使設(shè)備的壽命大大降低而且大大的浪費資源.基于邏輯微分的PD控制律由于其特殊的設(shè)計原理，在抑制振動方面具有獨特的優(yōu)勢，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)存儲與回放

　　風(fēng)量調(diào)節(jié)閥性能測試是一項耗時長、要求高、工作量非常繁重的試驗任務(wù).本系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)存儲功能，滿足試驗過程對數(shù)據(jù)保存的需求。系統(tǒng)中采用Visual　Basic　6.0自帶的存儲模塊設(shè)計文件存儲程序，設(shè)計的程序可以選擇存儲文件的格式(如Ex-cel、txt格式等)。本設(shè)計為了保證存儲數(shù)據(jù)的安全性，自定義文件存儲格式(圖11)�；胤殴δ鼙ＷC了用戶隨時可以查閱存儲的信息，便于對數(shù)據(jù)作進一步的分析。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)計采用集成板卡實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥測控系統(tǒng)的設(shè)計，不僅簡化了硬件電路的設(shè)計，而且提高了系統(tǒng)的性能，該驅(qū)動與采集板卡均通過USB總線與PC機相連，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)計對實現(xiàn)風(fēng)量調(diào)節(jié)閥各種預(yù)定要求性能參數(shù)的自動采集、實時顯示、數(shù)據(jù)查詢、保存和回放等方面取得了很好效果。

　　該測控系統(tǒng)已經(jīng)運用于多個航天器的檢測中，系統(tǒng)測試精度高、用戶使用維護方便，很好的滿足了項目的需求，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的目的。