張修龍,楊光永,陳躍斌

(云南民族大學 電氣信息工程學院,云南 昆明 650500)

YK7232A磨床液壓伺服控制系統(tǒng)存在較多的分立元件,大大增加了系統(tǒng)發(fā)生故障的概率．液壓伺服控制系統(tǒng)分為2部分,包括電氣控制部分以及液壓執(zhí)行部分．其中電氣控制部分包括了電路板的設(shè)計以及控制算法的設(shè)計．國內(nèi)外對于液壓伺服系統(tǒng)的改進,主要是針對這兩個方面進行改進．Samakwong[1]研究了遺傳算法在電液伺服系統(tǒng)PID控制器參數(shù)整定中的優(yōu)化技術(shù)．LI[2]綜合了自適應(yīng)魯棒控制器的自適應(yīng)部分和魯棒部分,提出了一種同時考慮參數(shù)不確定性和未建模動態(tài)的觀測器控制器方案．Baghestan[3]為了提高電液伺服系統(tǒng)的性能,提出了1種新型的液壓伺服回路結(jié)構(gòu)．但這種新的液壓伺服結(jié)構(gòu)存在一些不確定性的挑戰(zhàn)．為了解決這些不確定問題的出現(xiàn),設(shè)計了1種魯棒性線性控制算法,使得閉環(huán)系統(tǒng)在多面體內(nèi)保持穩(wěn)定．由于YK7232A磨床為工程實際,對其液壓執(zhí)行部分改造較為困難．因此采用EDA設(shè)計技術(shù)對電氣控制部分進行重新設(shè)計．采用Verilog HDL硬件描述語言,將電路板中大部分的模塊以及PID控制器進行設(shè)計,重新整合為片上系統(tǒng)．

1 YK7232A磨床液壓伺服控制系統(tǒng)

液壓伺服系統(tǒng)由電氣控制和液壓伺服2部分組成,其中電氣控制部分由片上系統(tǒng)以及外圍電路組成．液壓伺服部分由三位四通電液閥,對稱液壓缸,光柵位置傳感器以及工件架組成[5-6](見圖1)．

濾波整形模塊是由SN74LS123單穩(wěn)態(tài)電路外接RC構(gòu)成的,在QuartusⅡ集成開發(fā)環(huán)境中,沒有SN74LS123的固件庫或IP核,故采用硬件描述語言自行設(shè)計該集成電路．電路中其他的模塊在Quartus Ⅱ固件庫中存在的,則選擇調(diào)用固件庫．采用Verilog HDL語言對增量式浮點數(shù)PID控制器進行設(shè)計,與邏輯重構(gòu)的模塊整合為片上系統(tǒng)．不僅減小了整個液壓伺服系統(tǒng)的體積,而且增強了控制器的可靠性．

2 濾波整形模塊與PID控制器的程序設(shè)計

2.1 濾波整形模塊的設(shè)計

根據(jù)SN74LS123的工作特點,設(shè)計了三輸入控制的可重單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路(見圖2)．通過時鐘計數(shù)的方式,確定暫穩(wěn)態(tài)過程持續(xù)的時間．因此只需要控制計數(shù)器Count計數(shù)的閾值,便可控制暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間．設(shè)置1個16位的寄存器RC作為計數(shù)器的閾值．假設(shè)需要輸出的脈沖寬度為Wd,單位時鐘CLK的周期為T,那么RC的值即為RC=Wd/T．SN74LS123輸入信號為A,B,CLRn,CLK,RC,輸出為Q,Qn．其中A,B,CLRn為輸入信號,CLK為時鐘脈沖信號,RC為16位的寄存器．Count為16位的二進制時鐘脈沖計數(shù)器,Flag為計數(shù)器的使能標志(見圖3)．

由于FPGA并行機制的運行方式,將觸發(fā)分為3種情況：一是觸發(fā)脈沖信號B的上升沿觸發(fā)；二是觸發(fā)脈沖信號A的下降沿觸發(fā)；三是CLRn觸發(fā)脈沖的上升沿觸發(fā)．每一種觸發(fā)情況分配1個獨立的輸出Q以及獨立的16位二進制時鐘脈沖計數(shù)器Count,并為計數(shù)器分配2個使能標志Flag．這樣每次觸發(fā)脈沖到來時,都能觸發(fā)不同的使能標志．每當使能標志改變時計數(shù)器清零,并重新計數(shù)直至達到設(shè)定的閾值．這樣就達到了可重觸發(fā)的目的．定義3種觸發(fā)的輸出分別為Q1、Q2、Q3,則SN74LS123的輸出Q為Q=Q1|Q2|Q3．

2.2 增量式浮點數(shù)PID控制器的設(shè)計

為了實現(xiàn)增量式PID與各個模塊整合為片上系統(tǒng),依據(jù)增量式PID表達式,采用IEEE 754標準的32位單精度浮點數(shù),作為設(shè)計PID運算的標準格式．浮點PID具有較高精度, 負數(shù)范圍從-3.402 823×1038到-1.401 298×10-43,正數(shù)范圍從1.401 298×10-45到3.402 823×1038．

2.2.1 增量式PID表達式

當PID的周期T的取值小到一定程度時,就可將PID 算法離散化處理．對所有歷史數(shù)據(jù)進行采樣,得到歷史數(shù)據(jù)偏差值．其積分近似等于歷史偏差之和,微分近似等于最近2次偏差的變化率．增量式PID表達式[4]：

ΔU(k)=U(k)-u(k-1)=α0e(k)-α1e(k-1)+α2e(k-2).

(1)

其中α0=Kp+Ki+Kd,α1=Kp+2Kd,α2=Kd．Kp為比例系數(shù),Ki為積分系數(shù),Kd為微分系數(shù)．

根據(jù)增量式PID的表達式,設(shè)計了圖4所示的處理方案．設(shè)計了1個誤差生成器,用來生成e(k),e(k-1),e(k-2)這3個相鄰的偏差值；1個三位加數(shù)相加的加法器,用來計算系數(shù)α0=Kp+Ki+Kd．3個兩位乘數(shù)相乘的乘法器,分別用來計算α0×e(k)、α1×e(k-1)、α2×e(k-2)；1個減法器(Error2),用來計算α0e(k)-α1e(k-1)；2個兩位加數(shù)相加的加法器,用來計算Error2+α2e(k-1)以及α1=Kp+2Kd．ΔUout即為PID控制器的輸出值．對加法器、減法器、乘法器、誤差生成器模塊進行功能仿真驗證之后,編寫頂層模塊將所有模塊例化,在QuartusⅡ中調(diào)試編譯通過后生成浮點數(shù)PID控制器的模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示．

3 功能仿真及驗證

仿真測試在仿真軟件Modelsim SE-64 10.4中進行,分別編寫濾波整形模塊以及PID控制模塊的test_bench.v文件,編譯通過后在Modelsim中進行功能仿真．

3.1 濾波整形模塊的仿真結(jié)果及分析

以圖6脈沖信號B為觸發(fā)脈沖時的仿真結(jié)果為例,分析整個程序運行過程的穩(wěn)態(tài)以及暫穩(wěn)態(tài)．定義單位時鐘周期T=10 ns,RC=5;則展寬的脈沖寬度為50 ns．當CLRn為高電平,A為低電平時,觸發(fā)脈沖B的上升沿到來時,輸出由穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀悍€(wěn)態(tài)．

3.1.1 觸發(fā)

第1個觸發(fā)脈沖到來時,第1個使能標志有效({Flag1,Flag2}=2’b10),置位輸出,計數(shù)器開始計數(shù)； 當計數(shù)器的值到達閾值時,復位輸出．使能標志為零({Flag1,Flag2}=2’b00),等待下一個觸發(fā)脈沖的到來．

3.1.2 重觸發(fā)

第3個觸發(fā)脈沖到來時,第1個使能標志有效({Flag1,Flag2}=2’b10),置位輸出．當電路還處于暫穩(wěn)態(tài)時,第4個觸發(fā)脈沖到來．此時第2個使能標志有效({Flag1,Flag2}=2’b01),計數(shù)器清零并重新開始計數(shù),輸出繼續(xù)保持高電平(Q1=1), 當計數(shù)器的值到達閾值時(Count1=RC),復位輸出．使能標志為零({Flag1,Flag2}=2’b00),等待下一個觸發(fā)脈沖的到來．

3.1.3 穩(wěn)態(tài)

由仿真圖可知,當輸出處于暫穩(wěn)態(tài)時,若清零信號為低電平或者輸入信號A為高電平,輸出立刻回到穩(wěn)態(tài)．

圖6中第2個脈沖表明,從穩(wěn)態(tài)到暫態(tài)的跳變只與觸發(fā)信號的上升沿有關(guān)．輸出脈沖寬度與計數(shù)器的閾值RC有關(guān),與觸發(fā)脈沖跳變后持續(xù)的時間無關(guān)．綜上所述,驗證了單穩(wěn)態(tài)可重觸發(fā)電路的功能．

3.2 PID控制器的仿真及驗證

為了驗證PID控制器的功能,在Modelsim中進行功能仿真．根據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn),輸出值與實際值之間存在誤差．2組仿真結(jié)果分別為：32’h3f900002,32’h4f40840000,而實際值分別為32’h3f900000,32’h4f40840000．第1組結(jié)果數(shù)存在誤差,但是這個誤差值極小可以忽略．所以為了提高運算精度,還可以對PID控制器進行進一步的調(diào)整．

整個系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計方法和模塊化的設(shè)計思想,對整個系統(tǒng)進行模塊劃分．采用Verilog HDL硬件描述語言對系統(tǒng)進行設(shè)計．在設(shè)計PID控制器時, 為了能有更好的控制效果,采用32位單精度浮點數(shù)運算格式,提高了運算的精確度．在所有的模塊設(shè)計完成之后,把各個模塊綜合起來,采用原理圖的編寫方式編寫頂層文件．系統(tǒng)的頂層原理圖如圖 8所示．增量式浮點數(shù)PID結(jié)合系統(tǒng)邏輯重構(gòu)模塊,最終完成了整個片上系統(tǒng)的設(shè)計．

4 結(jié)語

采用EDA設(shè)計技術(shù)對YK7232A磨床液壓伺服系統(tǒng)進行設(shè)計,具有較高的集成度,不僅減小了控制器的體積,而且減小了系統(tǒng)發(fā)生故障的概率．電路中其他模塊的設(shè)計大量的調(diào)用了QuartusⅡ固件庫,極大的減小了設(shè)計的周期,體現(xiàn)了EDA設(shè)計技術(shù)的優(yōu)勢．液壓伺服控制片上系統(tǒng)只是在Modelsim仿真軟件中驗證了控制系統(tǒng)的基本功能,若要真正的應(yīng)用在機床上需要進行大量的實驗．