特恩驰（南京）光纤有限公司210000
摘要：目前针对嵌入式气动伺服控制器的软件在某方面的功能存在一定的缺陷，基于此，本文对基于DSP的嵌入式气动伺服控制器进行了优化；希望能够构建比例方向阀控气缸系统的模型，并选择使用基于反步法设计的自适应控制策略，最终进一步提升稳态跟踪精度。然后选择使用基于模型的设计方法，在MATLAB/SiMuLink工具下开展算法仿真运算，把模型实施转化后能够使其自动的、高效的生产算法控制软件，最终与DSP硬件驱动、上位机监控软件开展实证分析，最终的实证分析结果表明：气动伺服DSP控制器轨迹跟踪误差处于5%范围之内，其控制周期＜1ms。
关键词：气动伺服；嵌入式控制器；自适应鲁棒控制；基于模型的设计；轨迹跟踪误差
气动系统在现代工业运动控制、食品包装机械、机器人、医疗器械等领域具有非常广泛的应用，且该系统具有成本低、清洁无污染、功率质量比大以及容易安装维护等优势特点。气动系统存在着气体的可压缩性大、系统的刚度低、气动元件流量特性和摩擦力特性非线性严重的特性，使得建模复杂，设计高精度气动伺服控制系统的控制策略困难，高性能气动伺服控制器发展受阻.传统简单的气动伺服控制算法，如PID等，取得的效果很一般，在此基础上提出改进的线性控制策略，如PID与模糊控制、神经网络等人工智能的结合，算法效果与设计人员经验密切；设计先进非线性控制策略，如自适应控制、滑模控制、自适应鲁棒控制等策略，设计较复杂，但充分利用模型信息，控制效果好.现阶段，气动伺服研究工作大多借助于PC机、DSPACE系统、NI-DAＱ/CRIO、XPC等通用实时工具实现控制系统原型，系统稳定，精度高，开发调试便利；不足之处在于控制系统的成本高、结构体积大，极不利于嵌入式应用。
商用嵌入式气动伺服控制器有德国FESTO公司推出了SPC系列控制器，配合公司提供的比例方向阀和气缸等部件能实现“点到点”精确定位，但轨迹跟踪性能不足；意大利ATOS公司推出了液压伺服系统控制器及解决方案。国内学者对嵌入式气动伺服控制器的硬件结构，提出采用ARM、DSP、FPGA等为核心的多种解决方案，集成的伺服控制算法软件简单，效果差，且几乎处于调试实验阶段，未推出成熟产品.研发集成先进控制策略、性能稳定、通信完善、接口标准、体积小的嵌入式气动伺服控制器具有实际意义。
RPS控制系统实现方案
该系统以4D影院的动感座椅为应用对象，在ShAng等设计的3-RPS结构平台基础上，提出气动伺服系统框架，如图1所示.DSP控制器和3-RPS。
图1基于DSP的气动位置伺服系统结构
气动平台组成一个工作节点，PC机连接UCB-CAN控制器与多节点DSP通信.在DSP内运行伺服控制策略，PC机作为监控中心，控制对象系统运行、发送运行控制指令、实时显示控制误差及内部状态参数.针对应用对象设计了一套动作采集子系统，结构是3-RPS平台的缩小版.采用手动拖拽方式进行示教编程，开发上位机软件连接NI-DAＱ设备采集跟踪位姿信号，处理后可以存储及在3-RPS平台复现，方便了对3-RPS平台的位姿轨迹编程。
3-RPS平台由运动平台、固定平台及连接两平台的3支双作用气缸组成，FESTO的五位三通比例方向阀MPＹE-5-1/4-010B控制执行机构气缸DNC-63-200-P，采用电阻式位移传感器构成位置闭环。考虑到该控制器运行算法复杂，运算性能要求较高，选用TI公司推出的TMS320F28335型DSP芯片，是专用于运动控制而推出的，主频高达150M，集成高性能浮点运算处理单元，具备CAN总线通信接口，适合该气动伺服系统的应用需求。
2基于模型设计的控制器软件
2.1控制策略仿真
在设计自适应鲁棒控制算法的同时，可以方便同步地在MATLAB/SiMuLink工具箱下实现与验证，联立系统模型进行仿真.在跟踪3RAD/S，幅值为90MM的正弦轨迹信号，同时加入噪声信号进行仿真，轨迹跟踪效果及跟踪误差如图4所示.图中，TRAｊ为实际轨迹，E为误差.稳态控制精度在1MM以下，具有较强的鲁棒性抵抗干扰，控制误差逐步减小，表明基于最小二乘法的在线参数估计和自适应干扰估计有效，算法能够较好地收敛，有效提高了系统的控制精度。
图3嵌入式代码的生成及应用过程
在MATLAB/SiMuLink下开发的算法不都能直接支持嵌入式代码生成，其中需要理解嵌入式代码自动生成的过程及原理，作出必要性的转换工作和说明，具体如下。
1）仿真模型离散化.离散模型取代系统中的连续模块，设置离散模块的采样率与实际嵌入式软件中运行的工作周期一致，该DSP控制器的期望实时性为0.001S.
2）CMEXS-funCTion的自动代码生成.该模块直接支持C语言开发，很方便实现非常复杂的仿真模型编写.通过MEX后生成.MEXw32或.MEXw64文件，能够加快仿真速度，但该模块没有如M-funCTion模块直接支持代码生成功能.将开发中应用的该模块分为功能型CMEXS-funCTion和驱动型CMEXS-funCTion.针对前者，通过按S-funCTion指定的执行步骤将其转换成M-funCTion，涉及到的工作空间变量当作全局变量处理，转换编程简便；后者采用实现内嵌功能，即为该模块编写同名的模块级TLC文件，读取模型编译过程中的RTw中间文件中的模型信息，对生成.C和.h文件流进行控制，指定代码的生成段及空间位置.采用该方式生成的驱动有较高的执行效率且可控，但实现过程较复杂，是在MATLAB下编写硬件驱动的首选，在本课题用于编写外扩A/D器件和D/A器件和CAN通信的驱动。
3）对生成软件代码的接口、质量、模型中间文件、编码风格等需要在MATLAB/SiMuLink环境中进行配置，实现过程均是原理性知识，须参考配合经验使用。
该系统设计采用基于模型的设计思想，在MATLAB/SiMuLink平台工具下实现将控制策略仿真模型直接生成嵌入式软件，在CCS开发环境中集成嵌入式软件和器件驱动下载到DSP芯片.生成软件的正确性、可靠性及效率需要进一步实验验证，联合上位机监控软件进行系统测试验证。
3结语
本文设计并实现了比例方向阀控有杆气缸的单缸自适应鲁棒控制策略，采用对比例方向阀实验建模、简化的气缸模型与在线参数辨识相结合的方式来较准确描述控制系统模型.实验表明，在线参数估计算法收敛，有效抵抗了系统参数不确定性和未建模干扰的影响，提高了稳态跟踪精度，实现了当跟踪轨迹峰峰值小于180MM，频率小于0.5Hz时，控制误差在5%以内，是同类型嵌入式气动伺服控制器中的高精度研究成果.
此外，课题采用基于模型的设计方法生成DSP控制器嵌入式软件有效快速，效率较高，达到了控制策略运算周期小于1MS的实时性；配合开发的功能较完善上位机监控软件及示教器编程设备，方便了控制器的编程和监控，扩宽了DSP控制器应用.总体来看，控制器稳态控制精度较高，但自适应估计的参数收敛时间稍长，参数估计算法可以进一步改进；针对3-RPS平台多缸协同工作，考虑轴间的动力学耦合关系，有望进一步提高轨迹跟踪精度.
参考文献
[1]王飞，段振霞，刘建国，etal.气动位置伺服控制系统设计与研究[J].现代制造工程，2017（7）.
[2]廖龙杰，蒋亮亮.基于PLC的模糊PID控制在气动伺服系统的应用[J].轻型汽车技术，2017（Z1）：43-46.
[3]赵苓，张斌.线性自抗扰气缸位置伺服控制研究[J].液压与气动，2017（2）.