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南通纺织职业技术学院∕鲍燕伟
摘要：针对气动伺服系统的位置控制，提出一种高性能的气动伺服系统的设计方案，以TMS320Lf124O7DSP为平台，描述了气动伺服系统的基本结构和工作原理，对控制器进行了分析设计，软件则采用智能模糊PID控制理论，对其控制算法进行了重点分析。试验表明，该系统具有体积小、输出大、响应快和稳定性强的优点，从而拓宽了气动伺服技术的应用领域。
关键词：气动伺服；DSP；智能模糊PID控制
1 概述
随着数字式控制技术广泛应用于气、液压控制系统，机、电、液、气一体化技术逐步渗透到社会各工业领域。气动伺服控制系统能够充分发挥电子和气压两方面的优势，其具有良好的适应性和灵活性，被广泛地应用于工业过程控制中。流体传动在生产中往往对输送的流体流量有定量的要求，或者稳定在一个定值，或与其他参数如压力和温度等保持一定函数关系。由于在生产过程中各种干扰的影响，流体流量也会随之变化。因而为了满足生产需求，流量调节必不可少。流量调节可以通过各种流量控制阀来实现，然而对于一些系统来说则需要调节的流量较大，而位置精度较高，普通的流量调节装置难以满足要求。本文研究了一种基于DSP的专门用于大流量调节的气动伺服系统。
2 系统的基本机构、工作原理及数学模型
本文研究的气动伺服流量调节系统具有体积小、快响应、大输出的特点，它主要有以下部分组成：数字控制机构（DSP控制器和上位机）、执行机构（气缸、气动伺服阀和负荷等）、位置反馈装置。其结构图如图1所示。
图1系统示意图
气动伺服系统控制精度高的核心是对控制物理量的测量和控制。气动系统的重要部件——气动伺服阀的存在，使得气体的输入压力能够得到控制。控制阀的静态特性可用稳态时气体流经控制口的流量与压力以及阀的输入位移之间的关系即压力一流量特性来描述J。通过对控制阀的压力。流量特性的测量，以及相应输出控制即可实现对气动系统相应特性的控制。根据分析，气体的流动速度将是进出口压力比值的函数。注意到这一点就可以进行控制阀的压力、流量特性分析。根据气体动力学和热力学基本理论，可求得流经控制阀节流口的气体质量流量。
式中：M为气体质量流量（kg／s）；p为气体密度（kg／m3）；k为定压比热和定容比热之比（对于理想气体k=1．4）；尺为气体常数[N•m／（kg•K）]；p为可变节流口出口压力 ； PS为可变节流口进口压力（N／m2）；Ts为进口时的气体温度（K）；W为滑阀的面积梯度；XV为阀芯位移（m）。
由式（1）可知，流经控制节流口气体的质量是滑芯位移XV和压力比P／PS的函数。
由图1可知本系统动力装置主要由两个同步运动的双活塞杆双作用气缸组成，利用双活塞杆的目的主要是为了使活塞往返运动的输出相对称。两气缸的运动方式由两个二级气动伺服阀决定，系统工作时将控制信号和气缸活塞运动的反馈信号输入数字控制器，经DSP处理来实现气缸活塞的运动控制，从而实现了对负荷的运动控制。负荷装置可以调节被控对象的输出节流口的大小，由于可以大流量调节，故可以应用到多种机构，如燃气发生器喷嘴流量的调节，剧烈化学反应的燃烧控制系统等。
3 控制器的原理及设计
本文设计的控制器核心元件为DSP芯片。DSP芯片由于其先进的哈佛结构、内置硬件乘法器和流水线技术等特点，具有良好的可编程性，较快的运算速度和强大的数据处理能力，能实现较为复杂的控制算法，且可靠性高，已成为新世纪数字化革命的核心。DSP芯片为实时数字信息处理提供了高效而可靠的硬件基础。
根据实际需要，选择了某公司生产的l6位定点DSP芯片TMS320LF2407A作为核心处理器，数字控制器接受来自上位机发出的输入信号，通过信号调理和DSP处理来控制气缸活塞的运动。另外为了提高通讯速率，DSP与上位机采用CAN总线进行通讯。图2为其硬件框图。
图2控制器硬件框图
TMs320LF2407A内部集成有A／D转换模块可以满足控制要求，不用进行A／D芯片扩展，采用内部集成ADC转换器。本控制系统中，磁致伸缩式位移传感器的输入电压为0～10V模拟电压，但是TMS320LF2407A芯片A／D转换的参考电压最高为3．3V，所以输入电压必须经过运算放大器成比例缩小，运算放大器选用TLC2274。
D／A转换器采用某公司的DAC7724芯片，它是12位4路输出的DA转换器，系统中气动比例阀的控制电压为0—10V，DAC7724芯片输出电压0—10V，信号电压无需放大处理。
控制器首先将传感器采集到的模拟信号进行模数转换，通过控制算法对采集到的数字信号进行处理，然后输出一组模拟信号对气动伺服阀的阀口开度进行调节，使系统达到良好的控制效果。
4 智能模糊PID
对于一个控制系统的软件设计，关键是控制算法的设计，一个好的控制系统要求控制算法实时I生强，通用性广，具有一定的智能性，在满足性能指标的前提下尽可能简单。
一般的PID控制器由3部分并联组成，如图3所示。PID控制器的传递函数可表示为
图3PID控制框图
比例系数KP的作用是增大系统的频带，但使系统稳定性变差；积分系数的作用是增加积分增益，但是也使系统相角稳定裕量减小；微分系数的作用是给系统提供阻尼，改进系统稳定性，但同时放大了高频噪声。
本系统采用智能模糊控制和PID控制两者结合的办法进行实时控制j，从而将原来比例系数、积分系数KI、微分系数。等控制参数由原来单一固定值变为可以根据系统误差e（k）与误差变化率△e（k）的大小实时调节。因此将e（k）、Ae（k）作为控制器的输入变量，能较全面严格地反映被控过程的动态特性。
为了减少计算量，PID控制算法为增量式算法：
式中： 
增量式PID控制算法的流程图如图4所示。
图4增量式PID控制算法的流程图
输人变量E、△E和输出变量Kp、K1、KD，根据现场经验可以分成不同的等级：
根据经验，得到控制变量和输人变量的隶属函数赋值表如表l、表2、表3所示。
表1变量（E、△E、Kp）的赋值表
表2变量（E、△E、K1）的赋值表
表3变量（E、△E、KD）的赋值表
系统软件由主程序、键盘显示程序和中断处理程序及其内部的采样、PID运算等程序组成，由汇编语言编写。统中设定时器，为工作方式1，TO定时周期为20ms，一个周期内采样4次。
5 试验结果
本文根据燃气发生器喷口流量调节的实际要求进行试验，试验要求每个执行气缸压力分别为100N，250N，500N，1000N，输出直线行程16mm。试验采用智能模糊PID控制方法，图5为本系统的试验响应曲线。
图5不同负载下控制系统的阶跃响应
由图5可知，采用智能模糊PID控制方法，系统的上升时间约为750—800ms之间，随着负载的增加，系统的闭环阻尼将增加，系统的响应速度减慢，稳定时间增长，但还是比采用PID控制方法的上升时间短得多（差几十毫秒），且超调量小，原因主要是实际气缸的活塞由于加工精度问题，阻尼较大，系统是非线性，采用智能模糊PID控制方法，可以有效地改变PID算法在非线性控制中的不足。当误差大时，需加大误差控制的权重，以快速消除误差，提高系统响应速度；当误差过小时，需加大误差变化量控制作用的权重，以避免超调使系统尽快进入稳态，大大改善系统的动、静态性能。
6 结论
针对气动伺服控制系统的非线性特点和满足大流量调节系统的需求，本文采用体积小、推力大的双气缸同步输出，采用DSP芯片TMS320LF2407A作为核心处理器，并采用具有先进的智能模糊PID控制算法，设计了一种新型的气动伺服系统。通过试验，获得响应曲线，证明了本系统在环境参数变化时依然具有快速准确定位性能，系统的抗干扰能力强，具有大输出、快相应、高精度和稳定性强的优点，能够满足大流量调节系统的需求。
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