标题基于定量反馈理论算法的电动执行器控制系统的设计

电动执行器是现代工业过程控制系统中不可缺少的重要设备，其性能的好坏，直接影响到各种调节机构的性能。为适应工业控制系统向分散化、网络化、智能化方向发展的要求，我们设计了一种新型全数字式电动执行器控制系统，除了具有一般数字式电动执行器的基本控制功能外，该系统还具备网络通信、摇控调试等各种新功能，完全能满足目前各种先进设备的调节要求。

    在电动执行器控制系统中，电动执行器常与各种减速机构或阀门等设备相连接，由于存在外界干扰，因而对控制系统的鲁棒性要求较高。一般参数固定的PID控制器，对本系统而言存在很大的缺陷，且PID的参数整定困难。模糊控制器虽然具有较强的鲁棒性，但却不能有效地利用已知的对象模型及其不确定性，同时，因不能保证受控系统的无超调输出响应，会造成系统在设定点附近来回抖动，而在实际使用中，很多工业设备的输出响应要求是无超调的。针对以上情况，在本系统中设计了一种基于定量反馈理论^[1]的二自由度控制器。QFT控制器对于不确定性对象的鲁棒稳定性和特定的跟踪性能要求有很强的处理能力。由一类积分式电动执行器系统的仿真实验结果，证明所设计的控制器完全能满足有关的设计指标，且实际可行。

    1 控制系统硬件设计

    本文介绍的全数字式电动执行器控制系统，是以总线型分散控制系统的形式进行设计的。各个节点完成对各自节点的有关信息的采集、过程控制等任务。上位计算机则监控各个节点的状态，并且对各节点的历史数据进行存储，同时，也可通过上位机实现对每一个节点的设置及其操作。各节点也可以单独地在每一个控制回路中实现其执行器的功能。整个控制系统的结构图如图1所示。

    在图1中，上位机可以使用工控机或者普通的PC机，但需在机内插入一块型号为HK-CAN30B的CAN总线通信卡。上位机的主要功能是：对各下位机数据的采集；过程监控，包括参数显示、事故报警；对下位机各参数的设定；数据库的管理；与下位机通信；故障处理与报警等。

    下位机是实现实时控制的主体，要求完成的功能有数据采集、数据处理、控制计算、控制输出、参数显示、故障判断与保护、跟上位机或其他节点通信等功能。本控制系统的下位机则以80C196KC单片机为核心，按功能可划分为：CPU模块、通信模块（CAN）、A/D模块、D/A模块、存储模块、电源模块、显示模块、遥控接收/发送模块、电机驱动模块等。

    1.1 驱动电路设计

    本方案设计的电机驱动电路如图2所示。用12V开关量信号的时间长短来控制电机的正反转，并实现电动执行器的制动与停车功能。

    图中U_kp和U_kn分别为80C196KC的两个高速输出引脚。T_2-1/T_2-2，T_3-1/T_3-2，T_4-1/T_4-2，T_5-1/T_5-2，T_6-1/T_6-2，T_7-1/T_7-2分别为6个光电隔离器。当U_k为+12V高电平时，T_2-1/T_2-2导通，从而T_6-1，T_6-2导通使电机正转，当U_k由高电平到低电平的瞬间，T_4-1/T_4-2瞬间导通，使得T_7-1/T_7-2瞬间导通，电机瞬间反转，在电容放电结束后电机停止。同理，当U_k为-12V低电平的时候，电机反转。这样，便实现了电机的正反转控制。系统输出与驱动电路之间完全实现了光电隔离，这样，可提高系统的抗干扰能力和可靠性。

    1.2 红外遥控接收/发送模块

    电动执行器是常用的工业设备，它可能安装在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，其安装位置，也可能是不便于操作人员站立的地方，所以，系统增加了遥控接收/发送模块，这样，在调试的时候使用遥控器可以很方便地看到阀位的状态，使操作很方便。实现遥控接收/发送，可以采用红外数据通信，也可以采用无线数据通信，本系统采用了红外数据通信的方法。值得注意的是，本系统所用的遥控器，只是电动执行器在现场调试的时候才会使用，且设定的操作优先级低于上位机操作方式，从而避免使用中的误操作。

    红外遥控是用波长为0.76μm~1.5μm之间的近红外线（又称红外光）来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制，遥控距离一般为几米至几十米或更远一点。遥控模块由接收和发送两大部分组成。发送部分包括键盘矩阵、编码发送及其外围电路；接收部分包括光电转换放大器、接收解码及执行电路等。红外遥控接收/发送系统的方框图如图3所示。

    当按下遥控器的某个键时，MSP430就按一定的编码在输出端输出串行编码的脉冲，该脉冲经38kHz的载波调制，再经驱动并由红外发光二极管发射到空间，当控制器的接收端（TSOP1838，该芯片是VIAHAY公司推出的一体化红外线接收器）接收到该光信号后，进行解调、光电放大并送到80C196KC单片机，由单片机解码后产生控制信号并送到驱动执行电路。

    按本系统要求，遥控器也要能接收由控制器发送的阀位状态信号，所以，控制器内的80C196KC单片机还要在遥控的时候定时地向遥控器发送数据（经调制后用红外LED发送出来），遥控器将接收到的信号同样用1838芯片进行接收、解调和放大，然后，用MSP430单片机解码、显示。

    2 QFT控制器设计

    定量反馈理论（QFT）是一种基于频域的鲁棒控制设计方法，可用于带有很大不确定性的单变量、多变量及非线性等系统的鲁棒设计。使用QFT方法，不需象H_∞方法那样要有很深的数学基础^[1，4]。QFT设计下的控制系统结构，是一种二自由度控制结构，如图4所示。图中P（s）是存在较大不确定性的受控对象模型，一般该模型不确定性的范围是已知的，反馈控制器C（s）和前向控制器F（s）是定常的。d₁、d₂是外部干扰输入，r、y分别为系统的输入和输出。QFT控制器的设计目标是，使闭环控制系统在输入信号r和干扰输入d₁、d₂作用下，使系统输出y位于各种给定的性能指标范围内。QFT设计方法的基本步骤是^[1]：

    ① 构造不确定对象的频率响应模板（template）；
    ② 根据各种性能指标，要求构造复合Horowitz边界：
    ③ 通过回路整型（1oop shaping）设计QFT控制器C（s）和F（s）；
    ④设计过程结果分析。

    由于设备差异，某类积分式电动执行器的模型参数变化较大，采用传递函数集来描述受控对象的不确定性模型：

        （1）

    式（1）中系统不确定参数k=K/T，K、T分别是积分式电动执行器的传递系数和时间常数^[5]，这里取k=0.015作为QFT设计中的基准模型参数。

    根据电动执行器控制系统的动态响应特性要求，确定闭环系统基于频域的稳定裕度指标为

        （2）

    跟踪性能指标的上下边界条件设为

        （3）

    其中

        （4）

    跟踪边界（3）（4）保证了受控系统对阶跃输入信号的响应输出无超调，而且响应速度较快。取ω=0.1，0.5，1，8，50作为选样频率，用Matlab的QFT工具箱，计算各选样频率处不确定对象模型（1）的稳定性能和跟踪性能指标的Horowitz复合边界，（见图5）。基准开环系统P（s）频率响应曲线不满足Horowitz复合边界要求，因此，需要设计QFT控制器对基准系统进行校正。

    根据图5，对受控系统进行分析与综合，我们设计了QFT二自由度控制器：反馈控制器C（s）和前向滤波器F（s），其中

        （5）

    从图6可以看出，用C（s）和F（s）校正后的受控系统的频域响应，完全满足Horowitz边界要求，同时，经分析可知，系统满足性能指标（2）（3）的要求，如图6所示。

    分别取k=0.015、0.028、0.04；t∈[0，40）时，设定值r=1；t≥40，r=0.5，对闭环系统进行无超调阶跃响应仿真实验（见图7）。从仿真结果可知，本方案设计的QFT二自由度控制器，具有很强的鲁棒稳定性。另外由于控制器（5）本身是最小相位系统。且维数很低，因此在物理上很容易实现。

    3 结束语

    本文介绍了自行设计的一种适应工业控制系统向分散化、网络化、智能化方向发展的新型数字式电动执行器控制系统。详细分析了系统硬件结构中的通信模块、红外遥控接收/发送模块和驱动电路设计等。考虑受控对象模型不确定性及对输出无超调跟