3 基于DSP Builder的电液伺服系统PID控制器设计
3.1 控制系统结构设计
伺服控制器设计可以从与硬件完全无关的系统级开始, 首先利用Matlab强大的系统设计、分析能力和DSP Builder提供的模块完成控制系统的结构设计。本文控制器采用位置式PID控制器, 在Simulink搭建如图2所示的模型。
图2 控制系统顶层Simulink模型
图2中, 顶层模型中PID Controllor为PID控制子系统, Input为控制输入端, Feedback 为反馈输入端,Function1与Function2 分别为伺服阀及液压缸- 负载的离散数学模型。值得注意的是PID 子系统中的Mask Type 必须设置为SubSystem AlteraBlockSet, 否则, 只能进行Simulink 仿真, 不能进行SingnalCom2p iler分析。PID控制子系统为实现PID算法部分, 其结构框图如图3所示。
图3 PID子系统结构框图
控制输入端及反馈输入端均采用了16 位精度。由于DSP Builder中尚不支持浮点数运算, 为了实现比例、积分、微分系数的精确可调, 在这里PID系数采用了位数转换的方法, 先将PID系数取成整型, 先放大数据值到24位, 而在并行加法器运算单元后用IO&Bus中的总线转换器单元对累加后的数据进行位数转换为16位, 可表示1 /256 = 01003 9整数倍的浮点数, 实现FPGA中的浮点数运算。
3.2 控制系统仿真
在本例中采用PD控制, 取比例系数为1715, 微分系数为4, 相应地设置Kp = 1715 ×256 = 4 480,Kd = 4 ×256 = 1 024, 得系统的闭环阶跃响应及正弦响应如图4、5所示。
3.3 控制器的FPGA实现
双击ServoSystem 模型中的SingnalComp iler模块,按照提示选择器件、综合及优化工具, 这里选择EP2C8型FPGA, 综合工具选为QuartusⅡ, 优化方式选择Balanced, 综合考虑运算速度和耗费资源, 编译生成ServoSystem1qpf。在QuartusⅡ中打开ServoSys2tem1qpf, 可以看到SingnalCompiler 为自动生成的VHDL语言源代码。在QuartusⅡ中完成编译适配过程,生成的pof文件及sof文件可直接用于FPGA的编程配置。配置好的控制器, Input端接计算机给定值, Feed2back端接位移反馈A /D芯片, Output端接D /A输出。
4 结论
笔者以FPGA的系统级设计工具DSP Builder设计带钢卷取电液伺服系统控制器为例, 介绍了现代DSP技术在电液伺服系统中的应用。该方法可以解决复杂控制算法在电液伺服系统实际应用中, 分立元件的局限性, 软件实现的实时性、可靠性等方面的矛盾。由于有了像DSP Builder这样的系统级设计工具,设计是从与硬件完全无关的Matlab系统级仿真开始,因此便于传统控制领域的工程师迅速地将算法级的构思应用于控制系统设计中, 从而可以将有限的精力专注于系统级算法的设计, 而避免陷入重复繁琐的电路设计中去。可以预见, 随着控制理论及电子技术的发展, 该方法在未来的电液伺服控制系统设计中将会得到广泛应用。
参考文献
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