一種新型調節閥門(mén)測控系統設計與實(shí)現
針對工業(yè)設備中調節閥門(mén)的單檢試驗，設計了一種新型測控系統。硬件設計以阿爾泰公司驅動(dòng)與數據采集卡為核心，搭建外圍電路構筑硬件平臺。軟件設計中針對所采集數據中的干擾信號，采用復合濾波算法對采集信號進(jìn)行濾波，將濾波后的信號線(xiàn)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(jìn)行抑制;軟件的整體設計采用VisualBasic6.0開(kāi)發(fā)平臺設計了該測控系統。仿真和實(shí)際應用結果表明，該測控系統精度高且具有很強的通用性，可以廣泛的應用于普通工業(yè)測控系統以及航天設備的測試中。
工業(yè)設備中的單檢設備主要是替代目標中某個(gè)控制系統來(lái)完成某個(gè)設備可靠性的測試等功能，該方法是航天設備測試的主要方法，近年來(lái)一些高成本的民用設備測試中也開(kāi)始使用。
由于實(shí)際項目測試的需求，該系統采用兩相伺服電動(dòng)機驅動(dòng)負載。為了提高平面電機加減速階段的伺服性能問(wèn)題，提出了一種基于比例微分控制器輸出與目標加速度的自適應前饋系數求解方法。而對于步進(jìn)電機組成的伺服系統，討論了步進(jìn)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軸構造閉環(huán)系統，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)現難度較大。隨著(zhù)步進(jìn)電機細分控制特性的進(jìn)一步研究和電機跟蹤脈沖輸入能力的不斷提高，步進(jìn)電機的丟步現象已經(jīng)處于一個(gè)可忽略的階段，由于其實(shí)現簡(jiǎn)單，開(kāi)環(huán)控制仍是步進(jìn)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(jìn)電機控制方法，在一定的程度上提高了系統的性能。
隨著(zhù)智能控制理論的不斷發(fā)展，智能控制在現代伺服系統控制中發(fā)揮了很大的作用，針對大射電望遠鏡饋源艙跟蹤定位問(wèn)題，提出了一種自適應滑�？刂品椒�。為了實(shí)現高性能的跟蹤控制，提出了一種基于有界增益遺忘最小二乘法的復合自適應滑�？刂�。
本文根據設備成本和控制易于實(shí)現的要求，對傳統的自動(dòng)控制方法進(jìn)行了改進(jìn)并進(jìn)行了數學(xué)仿真，實(shí)驗和仿真結果表明該方法對系統的性能有一定程度的提高。
1、系統硬件設計
1.1、硬件結構設計
系統硬件部分包括驅動(dòng)板卡、驅動(dòng)電路、數據采集板卡及掉電檢測4個(gè)部分(圖1)。驅動(dòng)及數據采集板卡均采用阿爾泰公司的USB1010驅動(dòng)卡與USB2831采集卡，USB1010是USB總線(xiàn)兩軸伺服/步進(jìn)電機運動(dòng)控制卡，它以高頻率脈沖串形式輸出，控制伺服/步進(jìn)電機的運動(dòng)。該卡能精確地控制所發(fā)出的脈沖頻率(電機速度)、脈沖個(gè)數(電機轉角)及脈沖頻率變化率(電機加速度);USB2831是一種基于USB總線(xiàn)的數據采集卡，對電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測、信號采集、過(guò)程控制、伺服控制等領(lǐng)域中的數據采集、波形分析和處理具有獨特的功能。
圖1 系統硬件框圖
1.2、采集卡驅動(dòng)方式
驅動(dòng)與數據采集板卡的驅動(dòng)方式使用阿爾泰公司提供的Visual Basic驅動(dòng)對端口直接操作，在使用本測控系統之前安裝相應的驅動(dòng)程序就可以正常使用本測控系統。
2 、統軟件設計
2.1、程序設計
本系統程序分為參數設置、數據查詢(xún)、性能測試和退出4個(gè)部分。圖2為系統程序流程圖。
圖2 程序流程圖
2.2、數據采集與處理
數字信號處理技術(shù)隨著(zhù)信息技術(shù)的進(jìn)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(huì )的發(fā)展，高端設備的研制，很大程度上決定于信息與信號處理的先進(jìn)性。由于本測控系統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(jìn)入計算機，并帶來(lái)一定的影響。數字濾波器的系統函數具有較大的靈活性且不增加硬件設備，在本設計中采用中值法與平均值法相結合組成的復合濾波器實(shí)現數字濾波。
具體做法如下：在一個(gè)采樣周期內，對被采樣信號y連續采樣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的濾波器輸出
。在本系統的設計中，考慮到采集信號是連續多次采樣，信號本身也會(huì )發(fā)生變化，因此在求取平均值的過(guò)程中給各次采樣值不同的權重系數，即 
(1) 其中：ki為不同采樣值的加權系數，且滿(mǎn)足 
1，在本系統的設計過(guò)程中，取k02.3 控制對象模型
根據項目要求，本設備采用的是兩相伺服電動(dòng)機驅動(dòng)負載。一般情況下，兩相伺服電動(dòng)機機械特性的線(xiàn)性化方程可表示為：
(2) 其中：Mm為電動(dòng)機的輸出轉矩;ωm為電動(dòng)機的角速度;CΩ=dMm/dωm是阻尼系數;Ms為堵轉轉矩。
暫不考慮負載轉矩，則電動(dòng)機輸出轉矩Mm用來(lái)驅動(dòng)負載并克服粘性摩擦，可得轉矩平衡方程為
(3) 其中：θm是電動(dòng)機的轉子角位移;Jm和fm分別是折算到電動(dòng)機上的總轉動(dòng)慣量和總粘性摩擦系數。
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)機的傳遞函數為
(4) 引入狀態(tài)變量X=[x1， x2]T，轉化為狀態(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(xiě)為如下的形式：
(6) 其中：
作如下的假設。
假設 對于式(6)所描述的系統，系統矩陣(M，N，T)可控、可觀(guān)測。
控制要求為通過(guò)設計控制律實(shí)現實(shí)際輸出角度θ收斂到θd，無(wú)超調且激起的振動(dòng)能得到很好的抑制，即
2.4、基于邏輯微分的PD控制律設計
PD控制律在一定程度上能夠抑制撓性結構的振動(dòng)，但這種抑制是被動(dòng)抑制，效果不是很明顯。因此本文對PD控制進(jìn)行改進(jìn)，設計了基于邏輯微分的PD控制律。
由于在控制律的設計過(guò)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，根據這個(gè)原理。
(7) 其中：c為正常數。
考慮到外加干擾，設計如下形式的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。
(9) 2.5、穩定性分析
定理 考慮式(6)所示的系統，如果假設成立，選擇式(8)所示的控制律，且其參數kp，c，μ滿(mǎn)足設計要求，則式(9)所示閉環(huán)系統是穩定的。
證明 選取Lyapunov函數：
(10) 其中：M為正定對稱(chēng)矩陣;當kp>0時(shí)，V≥0;當且僅當θ=θd， 
=0時(shí)，V=0. 對式(10)求時(shí)間導數，得
(11) 令e=θ-θd，得
(12) 將式(8)代入式(12)中，結果如式(13)所示。
(13) 將式(7)代入式(13)中，得
當且僅當 =0且無(wú)干擾時(shí)，V=0，因此，閉環(huán)系統(9)在無(wú)干擾時(shí)穩定。
2.6、仿真分析
本文采用Simulink對所設計的控制律進(jìn)行了仿真，仿真參數為：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(cháng)取40s，分別對常規PD控制和基于邏輯微分的PD控制進(jìn)行了仿真。
圖3 位置響應曲線(xiàn)
圖4 位置響應曲線(xiàn)部分放大圖
從圖3和圖4可以看出，當采用相同的值時(shí)，基于邏輯微分的PD控制器在8s左右時(shí)便達到指定位置，而且超調量為0，而常規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，雖然其超調量?jì)H為百分之零點(diǎn)幾，但對長(cháng)時(shí)間進(jìn)行工作的設備來(lái)說(shuō)存在嚴重的安全隱患。
圖5 轉速輸出曲線(xiàn)
圖6 轉速輸出曲線(xiàn)部分放大圖
從圖5和圖6可以看出，邏輯微分PD控制律在轉速第一次到達平衡位置時(shí)，便能夠將其完全的抑制，而對于外界干擾引起的擾動(dòng)，對其低頻振蕩也能夠抑制，而常規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PD和本文設計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其進(jìn)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，采用了符號函數進(jìn)行干擾的抑制，在仿真中，為了觀(guān)察邏輯微分PD控制律的控制效果，將符號函數的系數進(jìn)行凍結處理，即μ=4。在實(shí)際設備中，根據不同的狀態(tài)，選取不同的參數對外干擾進(jìn)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，在設計控制律的過(guò)程中，需要特別注意低頻振動(dòng)的影響。因為一旦有低頻振動(dòng)，宏觀(guān)上不易察覺(jué)，但其對能源的消耗會(huì )一直持續下去，并且會(huì )造成設備的發(fā)熱，對設備的壽命來(lái)說(shuō)，這是致命的，對后續的設備性能分析產(chǎn)生誤導作用。
為了分析控制律的控制性能，本文對位置跟蹤性能進(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PD控制的最大跟蹤誤差大于10°，這說(shuō)明邏輯微分控制律在常規PD控制律具有快速性?xún)?yōu)勢的基礎上其快速性有了進(jìn)一步的提高，對于一些普通的控制系統來(lái)說(shuō)，經(jīng)典控制律的適應能力進(jìn)一步拓展，具有潛在的應用價(jià)值。
圖9 位置跟蹤曲線(xiàn)
圖10為在25Hz狀態(tài)下進(jìn)行打開(kāi)90°實(shí)驗時(shí)實(shí)際測試的結果截圖，使用本文設計的邏輯微分控制律發(fā)現，其到達90°所需的時(shí)間為25s左右，超調量為0，到達指定位置后其電流迅速回落到0A，由此說(shuō)明，邏輯微分PD控制律對引起的低頻振蕩能夠完全的抑制，適應于設備的長(cháng)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論：
經(jīng)典控制論中的傳統控制方法仍舊能夠滿(mǎn)足控制器設計的要求，保證系統的穩定運行，但是，由于干擾力矩引發(fā)的振動(dòng)，其調節能力較弱。因此，對于一般的工業(yè)控制系統，當控制對象達到指定位置時(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，對于連續工作或控制精度要求較高的系統，不能采用硬件停止的方式進(jìn)行控制，需要通過(guò)軟件抑制振動(dòng)，常規PD控制律將會(huì )變得很無(wú)力，而且其長(cháng)時(shí)間的低頻振動(dòng)不僅會(huì )使設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計原理，在抑制振動(dòng)方面具有獨特的優(yōu)勢，必將在未來(lái)的控制系統中發(fā)揮重大的作用。
2.7、數據存儲與回放
風(fēng)量調節閥性能測試是一項耗時(shí)長(cháng)、要求高、工作量非常繁重的試驗任務(wù).本系統設計了數據存儲功能，滿(mǎn)足試驗過(guò)程對數據保存的需求。系統中采用Visual Basic 6.0自帶的存儲模塊設計文件存儲程序，設計的程序可以選擇存儲文件的格式(如Ex-cel、txt格式等)。本設計為了保證存儲數據的安全性，自定義文件存儲格式(圖11)�；胤殴δ鼙ＷC了用戶(hù)隨時(shí)可以查閱存儲的信息，便于對數據作進(jìn)一步的分析。本系統中的回放功能在用戶(hù)保存數據和選擇了查詢(xún)之后，可使數據顯示在系統界面對應的位置上，供用戶(hù)查看。圖12為轉化成可供用戶(hù)打印與數據分析的Excel格式。
圖11 采集數據的保存
圖12 轉化為Excel格式
3、結束語(yǔ)
本設計采用集成板卡實(shí)現風(fēng)量調節閥測控系統的設計，不僅簡(jiǎn)化了硬件電路的設計，而且提高了系統的性能，該驅動(dòng)與采集板卡均通過(guò)USB總線(xiàn)與PC機相連，其便捷的使用方法和穩定的性能很好的契合了現代單檢設備中復雜的應用背景.以上設計對實(shí)現風(fēng)量調節閥各種預定要求性能參數的自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示、數據查詢(xún)、保存和回放等方面取得了很好效果。
該測控系統已經(jīng)運用于多個(gè)航天器的檢測中，系統測試精度高、用戶(hù)使用維護方便，很好的滿(mǎn)足了項目的需求，實(shí)現了系統設計的目的。
