（机械电子工程专业论文）电液伺服系统同步控制研究.pdf

中文摘要 摘要：随着液压技术在工程领域中的广泛采用，不同液压机构之间的同步问题日 益得到重视。电液伺服同步控制具有结构简单、控制精度高、易于实现自动控制 和适宜大功率的场合等特点。由于每一套液压机构的泄漏不同、负载存在差异、 元件性能的不同以及制造误差，使得多执行机构在同步运动中会产生误差。本文 以阀控非对称缸形式的电液伺服机构为研究对象，采用计算机控制技术，在提高 控制精度的同时，降低同步误差 本文在查阅大量国内外有关文献的基础上，提出了位置位置闭环和位置闭环 力跟随两种不同的同步控制策略。针对这两种控制策略，给出了具体的同步试验 方法。在位置一位置闭环同步控制策略中，通过试验找出了不同频率的正弦输入下 的最佳p i 同步调节参数。针对伺服机构非对称性带来的同步相位误差，采用变增 益控制，有效地提高同步相位和幅值精度。在位置闭环力跟随同步控制策略中， 通过试验找出了不同频率的正弦输入下的最佳p i 同步调节参数。针对由于位置扰 动带来的力控精度不高的问题，应用自适应模糊p l d 的方法加以校正，利用m a t l a b 的f u z z y 工具箱建立了自适应模糊p i d 模型。利用r e a i t i m ew o r k s p a c c 自动生成 模糊算法的c 代码，并嵌入控制程序。另外，本文对嵌入式操作系统w i n c e n e t 进行了研究，搭建了适合硬件平台的w i n c e n e t 操作系统，应用e m b e d d e dv c + + 4 0 编写了控制软件。 最后在试验台上对上述理论进行了试验，结果验证了上述算法可以有效地减 小系统的位置扰动，提高力控精度。 关键词：电液伺服机构：同步控制：自适应模糊p i d 调节：w i n c e n e t 分类号：t h l 3 7 j e 塞銮通太堂硒堂鱼j 盈塞趔蛰卫t 亟 w i t ht h cd e v e l 叩m e n to fh y d 枷l i ct c c l l n i q u ei nt h ef i c l do fi n d u s t 吼n 地p r o b l e m o fs y i l c h r o n i 2 a t i o n 姗o n gd i f ! f b 啪th y d 哪i l i ca c t l l a t o 培b e 伽c sm o ma n dm o r c i m p o n 孤1 t e l e c 曲一h y d r a u l i cs y n c h m n i z a t j 衄c o n t f o lh 鸹t h ca d y 柚t a g eo fs i m p l es t m c t i i r c 卸dh i g i l 砌lp r e d s i ，w h i c hi sa d a p tt oa u t o m a t i o nc o n t r o l 卸dt h ec a s cn e e d c db i g p 0 1 w e r b u tb c c 卸s eo ft h cd i f f e r c n c c 枷o n ge a c hh y d n u l i cs y s t e m ，sl e a k s 如dt h e 1 0 a d i n g s 0 ft h ea d u a t o r s ，as ”c h r o n i z a t i o ne 肿ra c c m e si nt h es y l l c h 啪i z i n g m o v e m e n to fs e v e m ia c t u a t o r s t h i sp a p 盱i s 如l c i i s t h er c s e a f c ho fv a l v e 啪n 舡o l l e d 勰y m m e t r yc y l i n d c rh y d 舢l i cs y n c h 删z a t i s y s t e m u c o m t l i t c rc o n t m lt 。c h n i q u c t oi n c r e a c o n t r o lp c i s i ，鹞w c l l 弱r e d u c i n gs y n c h m n i z a t i o ne r i o r c j 0 帆s u l t e dn u m e r o u sf e l a t e dl i t e r a t u r e sa n dr e f c r e n o cm a t e 血l sa th o m ea n da b r o a d ， 栅os y n c h r o n i z a t i o ns t r a t e 画e sa r cp r o p o s e d ，w h i c ha 陀n 锄e d 髂p o s i t i 彻一p o s i t i 蛐 d o s e l o o pc o n t r o l 卸dp o s i t i o nc l o s e 1 0 0 pw i t hf b f c e t r a c k i n gc o n 打o lf o ft l l e s e 咐o s t m t e 百e s ， t h em e t h o do f e x p e r i m e n t a t i o n i s p m p o s c di n d i v i d u a l l y f o r t h e p o s i t i o n p o s i t i o nd o s e - l o o pc o n t r o ls t r a t e g y ，t h eo p t i m u mc o e 髓c i c n t so fp l n t m lf o r s i n ew a v e sw i t hd i f 诧r c n t 矗e q u e n c i e sa r ea s c e n a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n t a t i s 1 o r e d u c ct ot l l e p h f a s e e 仃0 ri n s y n c h r o n i z a t i o n ， am e t r o do fv a r i a b l ep m p o r t i o n c o e f ! f i c i e n tc o n t f o li s p r o p o s e d t h er c l a t e de x p e m e n t a t i o n sh a v ep m v e dt h a t t h i s m o d i f i e dm e t h o di se f i e d i v ei ni n c r e a s i n gb o t ht h ea p t i t u d ea n dp h r a s ep f e c i s i o n s 。 e d rt h ep o s i t i o nc l o s e l o o pw i t h f o r c c t r a c k i n gc o n t r o ls t 珀t e g y ，t h e 叩t i m 啪 c o e 硒c i e n t so fp ic o n t m lf o rs i n ew a v e sw i t hd i 虢r c n tf r c q u e n c i e sa m 弱c c n a i n c d t h r o u g he x p e r 油e n t a t i o 粥t o l v et h ep r o b l c mo f1 0 wp r e c i s i o ni nf o d c ec l o 一p c o n t r o lc a u s e db yl h ed i s t u r b a n c cf r o mp o s i t i 鲫c h a n g e s ，a l f - a d a p t i v ef u z z yp i d c o n t r o li sp r o p o s e d b yu s i n gt h ef u z z y - c o n t r o l t o o l b o xi nm a t l a b ，as e l f - a d a p t i v c f u z z yp i dc o n t r o lm o d e l i se s t a b l i s h e d w i t ht h ef i i n c t i o no fa u t o m a t i cc o d eg c n e r a t i 伽 i nr e a l - 面m ew b r k s p a c e ，cc o d ei sg e n e m t e d 柚de m b e d d c di n t ot h ec o n t m lp r o 盯锄 a u t o m a t i c a l ly t h er e l a t e de x p e r i m e n t a t i o n sh a v ep r o v e dm a t t h i sm o d e li se 骶d i v ci n j n c r e 勰i n gf o r c ec o n t f o lp r c c i s i 伽勰w e l la sr e d u c i n gd i s t u f b 卸c c 仃啪p o s i t i o nc h a n g c 1 n b e p 印e ra l f e s e a r c h e do nt i l ee m b e d d e ds y s t e mo p e r a t i o nw i n c e n e t a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h eh a r d w a r c s ，aw i n c e n e th a sb c e ne s t a b l i s h e d b 雒c d o nt h i sc m b e d d e ds y s t e mo p e f a t i 呻，c o n t r o lp r o 伊a mh 雒b e e np r o 伊a m m e db yu s i n g e m b c d d c dv c + + 4 o a l c c o r d i n gt ot h ep r a c t 姒n l 蚰i n g b o t ht h co p c r a t i o ns y s t e ma n d c o n t m lp r o 伊锄m nw c l l k e y w o l m s ：e l e d m h y d r a u l i cs e r v os y s t 哪；s ”c h m n i z a t i o nc t m l ；s e i f - a d a p t i v e f u z z yp i dc 0 n t r o l ；w i n c e n e t c l a s s n o ：t h l 3 7 致谢 本论文的工作是在我的导师李长春教授的悉心指导下完成的。在研究生期间， 李老师不但为我提供了良好的学习环境和科研条件，而且在学习、科研工作和生 活上不断给我鼓励和启迪。李老师渊博的学识、丰富的经验、踏实认真的科研作 风、严谨的治学态度都给我留下很深的印象，不但在学术上使我受益匪浅，而且 在为人处世方面也让我学到了好多，这将对我今后的工作和学习都产生巨大的影 响。在此谨向李老师表示衷心的感谢和深深的敬意。 张金英老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此向她表 示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，刘晓东师兄、宝喧、顾凯等同学对我论文中 的试验研究工作给予了热情的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母，感谢他们多年来为我付出的一切。 1 1 课题来源及意义 1 绪论 随着液压技术在工程领域中的应用日益扩大，大型设备负载能力增加或因布 局的关系需要多个执行元件同时驱动一个工作部件，因此同步控制就显得越来越 重要了。 同其它方式相比，液压同步驱动具有结构简单、组成方便、易于实现自动控 制和适宜大功率的场合等特点。但由于每一个液压系统的泄漏、控制元件间的性 能差异、各执行元件问负载的差异、系统各组成部分的制造误差等因素的影响， 将造成多执行机构的同步误差，如果不有效地加以控制并克服这种同步误差，系 统将不能正常工作。 在液压同步控制系统的著作和文献中，对由四边滑阀控制驱动对称液压缸( 或 液压马达) 的同步伺服系统己有详尽分析和论述，但关于四边滑阀驱动不对称液 压缸的伺服系统的论述却比较少见。同时国内外的研究大多集中在对并行( 平行) 同步伺服系统上，即多液压缸平行放置，在同一方向上驱动执行机构。但是对对 顶同步伺服系统，即两液压缸相向放置，各自在相反方向上驱动执行机构，研究 得较少。 非对称液压缸占用空间小、制造简单，由它构成的同步对顶伺服系统在实践 中有许多应用，例如利用升降台做伺服运动的液压仿型铣床、疲劳试验机! ! 。道 路模拟机。仆1 、多自由度转台。1 等，因此对阀控非对称缸同步对顶伺服系统进行分 析研究，是很有必要的。 本文对采用非对称液压缸的同步对顶电液伺服系统进行了详尽的理论分析和 仿真研究，建立了位置扰动型力学模型，分析了两执行机构的同步幅值和相位误 差产生的原因。针对国际国内提出的“等同式”和“主从式”两种控制策略提 出了具体的实现方法，并对试件进行了同步央持试验。 本课题研究采用现有设备，充分利用计算机控制的优越性，不仅是对阀控非 对称缸同步对顶电液伺服系统的深入综合研究，也是对同步控制理论在实际系统 中应用的实践。并且此系统的调试成功，对利用其拓展其他相关研究和试验也提 供了有利的基础。 1 2 同步控制技术的发展历史与研究现状 同步控制技术是随着大型设备负载能力增加和布局的日益复杂而发展起来 拙夏交i 豆太堂砸土堂僮途塞 ! 缝论 的。大型机械设备和一些复杂的机构通常需要多个执行元件同时驱动一个工作部 件，此时如何协调同步运动就显得十分突出了。 在多做动器驱动同一工作部件的情况下，由于负载的不均衡性和多个液压独 立回路电器性能的不同，很容易出现加载面受力不均，同步精度达不到要求，严 重时可能导致加载面的断裂。为此，人们提出了开环和闭环两种同步控制策略。 闭环同步控制技术虽然发展得较晚，但由于它精度高、抗外力干扰能力强、没有 机械死区等特点，逐渐成为了同步控制的发展趋势。其中，又以电液伺服同步控 制技术发展最为迅猛。 1 2 1 开环同步控制技术 开环同步控制技术是指完全靠液压控制元件( 如同步阀、各类节流阀或调速阀) 本身的精度来控制执行元件的同步，而不对执行元件的输出进行检测与反馈来构 成闭环控制。 根据不同的同步方式，开环同步控制可以分为以下几种类型： ( 1 ) 通过刚性联结的同步回路 通过刚性联结的同步回路如图1 1 所示。这种同步回路是用刚性梁、齿轮及齿 条等机械零件，使两个油缸的活塞杆之问建立刚性的运动联系来实现位移的同步。 这种同步方法简单、工作可靠、能实现多缸的同步。同步精度取决于机构的刚性。 但只适用于霞步距离近、负载差别小的场合，否则可能会发生 死现象。 幽l - 1 通过刚性联结的同步回路 ( 2 ) 采用多头泵的同步回路 图1 2 选用多头泵来实现多缸同步控制，优点是结构简单，精度较高，控制精 度可在1 左右，缺点是，液压管路布置复杂。 2 图1 - 2 采用多头泵的同步控制 ( 3 ) 采用调速阀的同步控制回路 图1 3 选用节流阀来保证多缸的同步控制。这样做的优点是结构简单，可以单 个缸进行手动控制和调节。缺点是操作复杂，尤其是缸的数目较多的情况，而且 需要经常人工调整。这种方法在工程机械中应用较多。 牲璺骞 图1 - 3 采用调速阀的同步控制 ( 4 ) 使用分流集流阀的同步回路 使用分流集流阀的同步回路( 图1 4 ) ，使两油缸在承受同一负载时仍能获得 相等的流量而实现运动速度的同步，其液压系统简单经济，采用国产的阀该方案 的同步控制精度在5 左右，国外的阀在3 左右，另外这种方案同时只能控制两 个缸同步。 图1 4 分流集流阀的同步回路 3 分流集流阀亦只能实现速度同步。若油缸经常到达行程终点，则可经阀内节 流孔窜油，使各缸都能达到行程终点，从而消除累积误差。分流集流阀允许偏载 大，即使在完全偏载时仍能保证同步，但效率将降低，同调速阀一样。分流集流 阀的流量范围较窄，由于其分流精度取决于阀的压降，当流量低于公称流量过多 时，阀的压降与流量成平方倍数地下降，分流精度将显著下降，这是在选择分流 集流阀时必须注意的问题。 上述四种方案的共同的特点是，结构简单、造价低廉，但是动态特性差，一 旦出现不同步，都不能随时进行调整。同时由于它们不能消除或抑制对高精度同 步的不利因素的影响，这也就大大限制了此种控制方式的实际应用范围，所以适 用于对同步精度要求不高的场合。 1 2 2 闭环同步控制技术 闭环同步控制技术是指在控制系统中将输出信号( 位移、速度、压力等) 作为 反馈信号馈入控制系统的前项通道。目静最常用的闭环同步控制回路有如下两种： ( 1 ) 应用电液比例阀的同步回路 电液比例阀造价较低、抗污染能力强、性能良好，所以被广泛应用于系统频 率响应适中且需要较高同步精度的场合。其控制精度取决于位移传感器的检测精 度及比例阀的响应特性，理论上没有累积误差。但是电液比例阀比电液伺服阀的 频率响应低，动态相应能力也不及电液伺服阀。 应用电液比例阀的同步回路可分为：比例方向阀的同步回路、比例调速阀的 同步回路、比例流量调节变量泵的同步回路等。 ( 2 ) 应用电液伺服阀的同步回路 电液伺服控制技术最先产生于美国的m r r ，后因其响应快、精度高，很快在工 业界得到了普及，“工业液压技术在全球经济中稳步发展，其应用没有边界”“1 。 电液伺服系统是一种以液压动力元件作为执行机构，根据负反馈原理，使系统的 输出跟踪给定信号的控制系统。它不仅能自动、准确、快速地复现输入信号的变 化规律，而且可对输入量进行变换与放大。 随后计算机控制在电液伺服系统中得到应用，使复杂控制策略的实现成为可 能。伺服阀的精度高、响应快，由它组成的液压同步闭环控制系统不仅具有较高 的响应速度，而且同步控制精度高。 4 1 2 3 电液伺服同步控制技术 7 0 年代末至8 0 年代初，计算机技术的发展为电子技术和液压技术的结合奠定 了基础。1 9 9 4 年，h o g 姐和b m o w 扭”开始研究具有不均衡负载的液压缸的同步问 题。他们的研究结果指出，不均衡负载液压缸之问要获得同步，必须对单个液压 缸进行独立控制。然而，他们没有详细描述所设计的控制策略对系统的响应有哪 些改善。 对于由两个电液伺服系统同时驱动同一机械构件的系统来说，一般的同步控 制是以两个伺服系统输出的位移相等，即同步，作为控制的目标，因此同步控制 一般有两种基本形式，即“等同方式”和“主从方式”嘲。 等同方式是指需要同步的两个执行元件都同时跟踪理想输出而同时受到控制 并达到同步驱动的控制形式；主从方式是指需同步的两个执行元件以其中的一个 执行元件作为另一个执行元件的跟踪对象而进行控制并达到同步驱动的控制形 式。 ) ( i o n 2 汹删等提出了具有互耦合关系的m i 认c 控制算法，改善了同步性能，同 时尝试了对液压系统的参数变化进行控制。 c h i u 1 用一个几何架构描述了多运动轴的同步问题，并且提出了三种不同的方 法来明确的阐述了运动同步性问题。s 岫和c 1 l i u 1 提出了解决电液伺服推举系统 同步性问题的线性和非线性方法。 在国内，刘春芳和吴伟嘲1 提出用增量式p l d 和模糊p i d 控制的方法解决双缸液 压电梯的不同步问题。 张广红等捌采用模糊控制和p i d 控制相结合的方法，对万吨液压机的五缸同步 控制系统进行了设计，并进行了仿真研究，有效的减小了系统的同步位置误差， 但是没有对系统的同步相位误差进行校正。 樊卫华等。”针对非线性双电机驱动伺服系统的同步控制问题，设计了基于三 角级数多项式扩展的函数链神经网络( f l 烈n ) 在线辨识非线性，利用b a c k s t e p p j n g 方法设计了神经网络控制器，并进行了仿真研究。 1 3 课题的提出及论文的主要工作 从以上阀控缸同步控制系统的发展特别是非对称缸同步控制系统的研究现状 来看，还存在许多缺陷，许多解决方案还只是停留在理论研究方面，距实际的工 程应用还有一定的距离，一些技术还不成熟，需要继续研究。针对以上问题，确 立本论文的主要工作： ( 1 ) 针对非对称缸对顶同步控制系统，建立非对称动力机构的负载压力与负载 流量方程，在此基础上，对同步对顶系统的位置和力学模型进行理论分析并通过 5 j e 哀变通太堂亟堂僮j 金室! 绮盈 仿真实验验证了其准确性； ( 2 ) 实现“等同式”和“主从式”两种控制策略，通过试验验证了其在对顶同 步控制系统中的有效性； ( 3 ) 通过试验优化同步幅值和相位精度指标，同时检验了优化后的参数对不同 幅值、不同频率下的输入信号的同步精度； ( 4 ) 针对对称阀控制非对称缸动力机构的非对称性带来的同步相位误差，采用 在运动不同方向上的变增益控制加以调节。经过试验验证，变增益控制在提高同 步相位和幅值精度上的有效性： $ ) 推导出针对位置扰动型力闭环系统的自适应模糊p d 算法，对力跟随子系 统进行自适应模糊p i d 调节，通过实验验证自适应模糊p l d 算法可以提高同步精 度和系统鲁棒性； ( 6 ) 为了实现控制器的小型化，提高系统的稳定性和实时性，搭建了w i n c e n c t 操作系统，编制了嵌入式控制软件。 6 2 对顶同步控制系统建模及分析 本章介绍电液伺服对顶同步控制实验台的结构，以及所使用到的硬件设备。 对阀控非对称缸系统的动力机构进行建模，在动力机构的基础上考虑伺服阀的动 态特性。建立了较为完善的液压伺服同步控制系统的位置和力学模型，并对该系 统的静、动态特性及同步特性进行分析。 ； 2 1 对顶同步控制系统实验台组成 本课题所采用的电液伺服对顶同步控制系统实验台的基本结构如图2 _ 1 所示。 图2 1 电液伺月试验台 由于有两个同步子系统，下面我们将分别介绍两个动力机构的组成和基本参 数。 1 电液伺服阀：两个系统均采用s h ，1 0 8 型偏导射流控制伺服阀。该阀由航空 航天部一院十八所生产，参数如下： 额定供油压力：2 1 m p a ；额定流量：1 0 0 l m i n ；额定工作电流：1 0 i i i a ；单 线圈电阻：1 1 0 1 0 0 ；频宽：5 0 h z ；阀芯直径：6 4 m m ；工作压力： o ic 2 4 ，y o 2 2 4 非对称动力机构的数学模型 型 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 将式( 2 - 4 ) ，式( 2 5 ) 和式( 2 8 ) 三式联立可得到非对称动力机构的数学模 1 1 w “ 如卜笼嵌1 ) 丘 脚茅碍再蒜霹 当墨- o ，巳很小时，上式可简化为 孕x 一导( 专1 ) 丘 y o ) 。厶三! 垡生墨一二二 ( 二+ 叠s + 珍 口k 巧k 舯咿2 1 警朋挑； 小、彘+ 鲁、慕杀 2 2 5 附加干扰力对系统的影响 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 对于理想零开口流量阀，当工 c o r co s f i i c s y s t e m sa n dd a t as t o f e 一 s t o r a g em a n a g e f - 础汀f i l es y s t e m 和c a t a l o 分 d c v i c c d r i v e 娼- s t 哪g ed e v i c c s - s t o m g cd e v i c e s - 脚ip c 班d es t o r a g eb l o c kd v c r ( 2 ) 操作系统对m f c 的支持 由于我们编写的应用程序是基于微软m f c 类库的，所以搭建的操作系统必须 增加对m f c 的支持，否则即使e v c 斗+ 应用程序编译通过，也不能在所创建的 w i n 血。n e t 系统中应用。需要添加的组件是：c a t a l o 争 c o 咒o s d i s p l a yb a s c d d e v i c c s - m i c f o s o f tf o u n d a t i o na a s s e s ( m f c ) ( 3 ) 永久注册表( h i v eb 硒e dr e 西s 蚵) w i n c e n c t 所默认的注册表存储形式是基于内存的( r a mb 觞e dr e g i s 仃y ) ，存 储的系统信息，比如修改的网卡i p 地址，断电后再重新启动就会丢失，给用户使 用带来了麻烦。所以我们选用基于蜂窝注册表的存储方式( h i v eb a s e dr e 西s t r y ) ， 这样系统掉电后系统信息不会丢失，可以永久存储。需要添加的组件是： c a t a l o g - c o r eo s - r e 画s 蚵s t o f a g c ( c h 0 0 s e1 ) - h i v eb a s c dr e 百s t r ) r 。同时在 p l a t f o m r c g 文件中添加环境变量f i l e s y sf s r e g h i v e ，在注册表项 【h k e yio o u m a c h i n e s y s t e m 、s t o r a g cm 锄a g e r p r o f i l e s h d p r o f i l e 】中添加 ”m o u n t f l a 擎”= d w o r d ：2 完成上述操作后，我们就可以对定制好的系统进行编译，方法是在菜单中选 择b u i l d - b u n dp h t f 0 皿，系统会自动进行编译，此过程需要2 0 分钟左右。 编译结束，在输出窗口若无报错及警告信息，则表明p l a 哟加编译成功，系 统镜像文件为n k b i n ，路径为e ：w 矾c e 4 2 0 嶝u b u q m y c e p s t l b u c h 诹e l d i r 、c e p c _ x 8 6 r e l c a 。 完成上述操作后，就可以对编译好的操作系统平台( p l a t f o 瑚) 进行联机调试 了。首先要生成w i n c e 系统启动盘。 w i n c e 系统启动盘本质上仍然是d o s 启动盘，它的功能是在d o s 环境下， 引导进入w i n c e n e t 系统。在路径e ：憎m 罩锄f i l e s w i n d o w sc ep l a t f o 衄 b u i l d e f 4 2 0 、c c p “u t i l i t i e 找到w e b s e t i i p c x c 双击运行。然后找到c e p c b o o t 1 4 4 双击 运行，插入软盘，生成启动盘，如图3 3 所示。 图3 - 3 制作d o s 启动盘 使用w i n c e 启动盘启动目标机，在开机选项中选择通过e t h e m c t 启动，此时 p l a t f o 彻b u i l d c r 中的镜像文件n k b i n 将会下载到目标系统的内存中。 通过这种方式下载的w i n c e n c t 系统只能驻留在内存中，断电后n k b i n 就会 消失。为了将调试好的操作系统驻留在目标机的硬盘中，需要在在目标机w i n c e 系统中的r e l e a s e 文件夹中找到n k b i n 文件，将它复制到硬盘中，在下次开机时， 启动菜单中选择选项通过本地启动操作系统( c e p c - l 0 0 虬) 。同时，我们还要把 前面制作的w i n c e 启动盘中的所有文件全部复制到目标机的c 盘中，将c 盘制作 成启动盘。这样我们就成功的在目标w i n c e 设备中安装了自己定制的w i n c e n e t 系统。 至此，我们就完成了w i n c e n e t 系统的剪裁、搭建工作。生成的w j n c e n e t 操作系统如图3 - 4 所示。 图3 - 4w i n c e n c t 操作系统 w i n c e n e t 系统搭建完成后，还要生成软件开发包( s o 脚a r cd e v e l o p m e n tl 【i t ) 。 我们使用e m b e d d c d 鲫a l ( i + + 4 0 做为软件开发工具，它和s u a lc + + 6 0 最大的 区别就是需要特定的软件开发包( s o f t w a r cd e v e l o p m e n t 硒t ) 。软件开发包是连接 w i n c e 系统和应用程序的桥梁，它是由p l a t f o n nb u i l d c r 生成的一个可执行程序， 包含目标w i n c e 设备的硬件和软件信息。我们可以通过p l a t f 0 册b u i l d e r 中的s d k 生成工具来生成s d k 。 在p l a t f o 胁b u i l d e r 中，点击p l a t f o 册 c o n f i 鼬r es d k ，可以对s d k 的属性 ( 名称、所支持的编程工具等) 进行配置。配置s d k 属性完成后，选择p l a t f o 珊 b u i l ds d k ，p l a t f o 咖b u j l d e r 就会自动生成s d k 。 生成的s d k放置在路径 e ：w l n c e 4 2 0 p u b u c 、s v n c c o n t r o l s d y n c c 咖t m l s d k m s i 下，双击s y n c c o m r o ls d k m s i ，安装即可。这样我们 就成功的将p l a t f o r n lb u i l d e r 生成的s d k 安装在了e m b e d d e d s u a lc + “0 中。 在e v c 环境下编写应用程序，和在v c + + 6 0 下编写程序的步骤基本相同。 不同之处在于，在e v c 中创建工程( p r o j e c t ) 首先要选择目标机的c p u 类型( 本 例中选择w i n 3 2 ( w c ex 8 6 ) 和w i n 3 2 ( w c ee m u l a t o r ) ) 。 3 2 3 控制软件关键技术 对于实时控制系统而言，高速数据采集、处理和输出是实现快速响应的前提 条件，然而，友好的用户界面和智能的人机接口也显得越来越重要。 控制软件采用1 m s 软件定时中断。采用e m b e d d e d 印a lc + + 4 0 支持的多媒 体定时器方式。 首先要在相应的文件前加入：静i n d u d e “m m s v s t e m h ，并在e m b e d d e d s u a l c + + 集成开发环境的p r o j e d | s e t t i n gi “n kii n p u til i b m r ym o d u l e s 下加入w i n m m 1 i b 和衄t i m e f ，这样就做好了多媒体定时器相关函数的链接。接下来通过如下步 骤来对多媒体定时器进行编程i ( 1 ) 利用函数t i m c g “d e v c a p s 函数取出系统分辨率的取值范围； ( 2 ) 调用t 曲e b c g i n p e r i o d 函数设置定时器的不能超出系统取值范围的分辨 率； ( 3 ) 使用t i m c s e t e v e n t 函数初始化和启动定时器事件，此时应给出定时器事 件发生的周期、使用精度及回调函数的入口地址。 图3 5 多媒体定时器实现流程 ( 4 ) 回调函数是一个中断服务程序，它必须驻留在动态链接库d u 。中，但 由我们自己来编写。回调函数可以定义成相应类的成员函数，也可以为全局函数， 但要注意，因为c + + 编译器为类成员函数准备了一个隐藏参数t h i s ，这使得当回调 函数定义成类的普通成员函数时函数类型与w i n d o ，sc a i l b a c k 函数的预设类型不 符，此时必须定义成静态类型，以消除隐含的t h i s 指针。我们知道，静态成员函 数只能访问静态成员，所以实际上操作起来并不方便，因此多数情况下，回调函 数定义成全局函数比较合适，并将相关类的指针作为参数( t i m e s e t e v e m 函数中的 d w u s e r 参数) 传给回调函数，用该指针来实现相应的操作，更易实现数据的处理和 显示。 ( 5 ) 使用t i m e l ( i l i e v e n t 函数删除定时器以释放系统资源，然后调用函数 t i m e e n d p e r i o d 函数来删除应用程序建立的最小定时器精度。 控制软件界面如图3 6 所示。 3 3 小结 图3 - 6 控皋8 软件界面 本章完成了硬件的选型，着重阐述控制系统软硬件组成。 硬件部分包括工控机、信号调理电路，伺服放大器，数据采集卡。着重阐述 了伺服放大器的构成和工作原理以及传感器的标定方法。 为了实现控制器的小型化，同时增强稳定性和实时控制能力，采用w i n c e n e t 嵌入式操作系统作为控制软件平台。阐述了搭建w i n c e n c t 操作系统的流程和软件 开发包( s d k ) 的生成过程，以及使用e m b e d d e dv c + + 4 0 编写控制软件的关键技 术。 2 s 4 位置位置闭环控制策略及试验研究 对于由两个电液伺服系统同时驱动同一机械构件的系统来说，一般的同步控 制是以两个伺服系统输出的位移相等，即同步，作为控制的目标，因此同步控制 一般有两种基本形式，即“等同方式”和“主从方式”。 等同方式是指需要同步的两个执行元件都同时跟踪理想输出而同时受到控制 并达到同步驱动的控制形式；主从方式是指需同步的两个执行元件以其中的一个 执行元件作为另一个执行元件的跟踪对象而进行控制并达到同步驱动的控制形 式。 针对本对顶同步试验台，我们分别实现了这两种控制策略。一种是两个子系 统均为位置位置闭环控制的控制策略，即对同步子系统i ( 液压缸1 ) 和同步予系 统i l ( 液压缸1 ) 均做位置闭环控制( 如做正弦波或方波运动) ，如图4 1 所示；一 种是位置闭环控制力跟随的控制策略，即对同步子系统i ( 液压缸1 ) 做位置闭环 控制( 比如做正弦波或方波运动) ，而同步子系统i i ( 液压缸1 1 ) 做力闭环控制， 闭环控制信号就是液压缸i i 对所夹持的物体的压力。 伺服 子 图舢1 位置位置同步控制系统结构 4 1 位置一位置闭环控制策略 服阀l l 在这一章中，我们具体研究第一种控制策略，从这两个通道的输入信号的形 式来看，位置一位置闭环控制属于“等同方式”。 如图禾1 所示，位置位置闭环控制策略中伺服阀l 控制的液压缸l 和伺服阀i i 控 制的液压缸i i 都用位置闭环控制，输入信号是相同的位置信号( 阶跃、正弦或是方 波信号) 。由于是对顶同步运动，两液压缸的输入信号的相位相差1 8 0 。，这样当 液压缸i 的活塞杆向右运动时，液压缸i i 的活塞杆的活塞杆向左运动，恰好形成同 步。 位置闭环控制是位置位置闭环控制策略实现的基础。试验的准备部分就是两 液压缸的活塞杆运动到指定位置，夹住试件。没有同步精度很高的位置闭环阶跃 响应，位置位置闭环控制也无从谈起。所以试验的第一部分是两液压缸的同步阶 跃响应试验，即同时给两个缸一个位置输入信号，通过调节p d 参数，得至n 满意 的同步精度，衡量阶跃响应同步精度的主要指标为稳定时间和超调量。 第二步是两液压缸的活塞杆运动到指定位置，夹住试件。为了完成这一步骤， 需要分别给液压缸i 和i i 一个阶跃位置信号： ( 4 1 ) 经过测量，液压缸i 和i i 的活塞杆都缩到底( 两位置传感器的值均为o v ) 时， 两活塞杆挡板相距3 0 0 | i i l m 。液压缸i 和i i 上装载的位置传感器输出范围均为 o _ - 5 v ，对应的量程为o - - 2 0 0 m m 。同步夹持试验所用的试件为一个圆环形铁环， 铁环厚度为2 0 m m 。如图4 - 2 所示。所以在做夹持同步试验时，减去铁环厚度，两 缸伸出的总长为2 8 0 m m 。根据位置传感器数值换算，当反一4 ( 相当于缸i 的活塞 杆挡板伸出至1 6 0 m m 处) ，以。3 ( 相当于缸i i 的活塞杆挡板伸出至1 2 0 m m 处) ， 总长正好为2 8 0 m m ，两液压缸挡板目好能夹住试件。这在下面的试验中将得到验 证。 幽4 2 试件外形 第三步是两液压缸同时进行正弦或方波运动，同时保证所夹持的试件不在运 动过程中掉下来。 对于等同方式的同步控制策略，输入信号是相同的位置信号( 阶跃、正弦或 是方波信号) 。但是对于本试验台，输入信号应当在此基础上进行一定的调整。 要实现对顶同步控制，缸i 的活塞杆向右运动时，缸l i 的活塞杆必须向左运 动，反之亦然。所以给定的正弦位置输入信号应为： 乃i6 l + 爿 s i n ( 2 厢吐蜡) ) ，2 - 如一月s i n ( 勘肋r ) ( 4 2 ) 其中，6 1 和6 2 表示液压缸l 和i i 做正弦运动时的相对零点。6 i 和6 2 的值在第二 步中已经给出。式5 1 中，爿表示液压缸i 和l l 做正弦运动时的振幅，为了保证同 步，两液压缸的振幅必须保证一致。表示正弦运动的频率，它与系统的频带有 关，必须小于系统的固有频率。 图钙和4 _ 4 分别表示位置位置闭环控制策略的实现步骤和夹持试件时的正 弦同步试验步骤。 缸i 活塞杆位置闭环运 动到指定位置 缸活塞杆位置闭环运 动到指定位置，与缸i 一起夹紧试件 缸i 和缸同时做位置 闭环正弦运动，保证夹 紧试件 图4 _ 3 位置位置闭环控制策略的实现步骤 图4 - 4 夹持试件时的正弦同步试验步骤 4 2 同步子系统的位置阶跃响应研究 两同步子系统的位置闭环控制是同步控制的基础，没有同步精度很高的位置 闭环，特别是阶跃响应，任何同步控制都无从谈起。所以，我们首先对系统阶跃 响应的同步性进行研究。 在供油压力为5 m p a 时，同时给两套系统一个2 5 v 的阶跃输入信号，对两个 子系统进行p i d 调节，当只有比例调节，且比例系数k = 1 0 、七。：= 1 0 时，阶跃响 应如图4 5 所示。图中粗实线表示子系统i ，细实线表示子系统i i ，纵坐标“p o s ” 表示位置传感器的采集值，横坐标为时问，下同。从图中可以看出子系统i 和i i 均有稳态误差，子系统i 为0 1 1 v ，予系统i i 稳定时位置传感器值为0 0 5 v 。为了 消除稳态误差，分别给两个系统加入积分环节，七 】= l ，k = o 4 5 。此时，系统的阶 跃响应曲线如图4 6 。 图禾5 两子系统的阶跃响应 图4 6 加入积分环节后的两子系统阶跃响应 从图中可以得出，两个子系统的稳态误差均得到了抑制，予系统i 稳定误差 o 0 7 v ，子系统l i 稳定时的稳定误差为0 0 6 7 v 。同时，子系统i 的超调量明显比子 3 l j e 塞銮煎太堂亟堂焦硷毫位置= 位置团叠控剑筮整及试验鲤究 系统i i 大，所以应适当降低子系统i 的比例系数七，。当0 ，= 8 ，：= l o 时，系 统的阶跃响应如图4 - 7 所示。 m l m 1 图籼7p i 调节后的两子系统阶跃响应 七，t = 8 ，量，2 = 1 0 r 毛：= 1 ，毛：= o 4 5 时，两子系统阶跃响应性畿如表4 1 所示。 表4 1 系统阶跃响应性能指标 子系统t j np 萄 io ，89 _ 53 0 2 1 - 4 1 3 o 9 3 42 6 8 1 2 7 5 注：( 1 ) t 表示系统阶跃响应的上升时间( 1 0 9 0 ) ( 2 ) 尸表示系统阶跃响应的超调量 ( 3 ) 表示系统阶跃响应的调节时间 4 3 空载状态下的位置同步试验 在实现位置位置闭环控制的夹持试件试验之前，首先要进行空载试验，即给 两子系统相同的位置输入信号( 比如正弦波) ，通过调节p i d 参数，实现空载时所 要达到的同步精度。然后才能进行夹持试件试验，否则很容易由于两缸位置的不 同步造成试 牛的损坏，严重时还可能造成试验台的损坏。 在试验时，同时给两子系统相同的位置控制信号hay ，。1 5 + 0 5 s i n ( 幼耐) ， 其中为0 5 h z ，l h z 。为了消除系统静差