電動缸測控系統的仿真與通信

史成城 張宏立

(新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引言

電動缸是集伺服電機與絲杠于一體的模塊化產品，是一種提供直線運動及推力的執行元件。其工作原理是將電機的旋轉運動通過絲杠轉變為推桿的直線往返運動，并通過推桿帶動負載，利用伺服電機的控制特性，實現對推力、速度和位置的精密控制［1］。

在將電動缸作為執行機構的控制系統中，電動缸直接由伺服驅動器控制，不再需要油、氣等中間媒介傳遞動力，在性能上避免了受環境溫度、易污染的液壓閥和流體介質等因素影響。同時，省去了復雜的油泵、管路、冷卻系統以及其他附屬設施，減少了設施投入與設備維護。電動缸具有控制性能優越、安裝調試方便、維護簡單等優點，所以被廣泛應用于軍事設備、工業以及醫療等場合。目前，國內對電動缸的研究仍處于一個初級階段。研究電動缸的性能、測試和控制系統，既符合當前國內電動缸行業的發展需要，又可以為電動缸的進一步研究提供理論參考，同時也可以為電動缸企業提供相關的技術支持，具有一定的現實意義和經濟價值。

本文將現代化的微機仿真技術和傳統的電動傳統理論相結合，利用C語言編程實現先進的PID算法，并結合電動缸的數學模型，采用LabWindows/CVI軟件，設計開發了一款電動缸測控仿真軟件。該軟件具有定位時間短、穩定精度高等特點，增強了控制系統的靈活性。仿真結果表明，該軟件達到了較好的控制效果。

1 電動缸數學建模

電動缸一般由電機、同步傳送帶、絲桿和缸體等構成，電動缸通過絲桿將電機的旋轉運動轉換為推桿的直線運動。如果將電動缸視為由電機和負載兩者的等效傳動部件所組成的系統，則電動缸等效模型如圖1所示［2］。

圖1 電動缸等效模型示意圖Fig.1 The equivalent model of electric cylinder

電動缸的傳遞函數為:

其中:

根據電動缸的等效模型，搭建的電動缸出系統結構圖如圖2所示。

圖2 電動缸結構圖Fig.2 The structure of the electric cylinder

部分參數設置如表1所示。

表1 部分參數設置Tab.1 The setting of parameters

2 電動缸控制仿真

虛擬儀器軟件LabWindows/CVI運用交互式編程方法，具有集成化開發環境、豐富的函數面板、強大的接口功能以及基于C語言構建的可視化軟件開發環境［3］。該軟件能夠為開發人員提供儀器控制、數據采集、數據分析等軟件開發功能。本文采用LabWindows/CVI軟件對電動缸控制效果進行仿真，以期達到最好的控制效果。

當電動缸應用于仿真運動平臺、機械手等場合時，為完成特定的功能，需要研究開發高精度的電動缸控制器。對電動缸進行控制，實際上就是對電動缸所用的永磁同步電機進行控制，而目前同步電機大多使用PID控制［4］，因為傳統的PID控制策略具有結構簡單、易于實現、可靠性高等優點。本文通過對多種PID控制算法的程序編寫，實現電動缸的控制效果最優。

2.1 服務器端界面的實現

服務器端界面主要實現三部分內容:①控制算法的實現;②優化算法的實現;③數據通信的實現?？刂扑惴ú捎肞ID控制，而PID參數整定是PID控制中的一個關鍵問題，本文采用臨界比例度法和遺傳算法整定PID參數值。臨界比例度法通過Matlab軟件預先整定出參數值，并置為CVI中控件NUMERIC的初值;而遺傳算法是結合Matlab/GUI生成的exe程序，通過CVI調用，實現參數在線整定。

2.1.1 PID 參數值的整定

根據電動缸的傳遞函數，通過Matlab軟件整定PID參數值，獲取方法是采用臨界比例度法。與采用遺傳算法整定的控制效果進行對比，臨界比例度整定方法具有自己的優點。根據控制對象，預先已整定參數，且參數在程序中為一固定值，實時性較好。在控制要求不高的場合中，采用臨界比例度整定方法就可以達到目標。在Matlab中編寫程序，通過查表計算出參數值［5］。相關代碼如下所示:

根據計算得出 Kp、Ki、Kd參數值［6］，并將它們設為面板中NUMERIC的初始值。

2.1.2 控制算法的實現

本文分別通過增量式PID、步進式PID及其專家PID算法對電動缸的控制效果進行仿真。在進行仿真前，需要對控制對象離散化處理，因為計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量。因此，連續PID控制算法不能直接使用，需要采用離散化處理。離散化過程在Matlab中進行。

除了強夯以外翻壓也是處理濕陷性黃土的一種處理方案，在沒有確定擠密樁方案前，渠段（74+660～75+095）與之相鄰的上游渠段采用翻壓施工。翻壓施工時不會產生振動波和噪音污染，但施工時將處理深度內的土全部挖出再進行碾壓回填。本工程取土綜合運距4.5km，施工周期長、成本高，其沿線存在較多軟弱地基，換填、翻壓的處理方案非常普遍。

面對不同的控制要求和一些特殊的應用環境，采用合適的控制算法，不僅能很好地達到控制要求，而且節省了人力、物力。因此，本文根據不同的需求，編寫了三種不同的控制算法。當需要產生較大位移時，為了減小超調，可以采用步進式PID控制算法，使電動缸運行平穩。利用專家PID也同樣能使控制效果達到較好的效果，但響應速度很慢。

2.1.3 采用優化算法的PID控制仿真實現

利用遺傳算法的全局搜索能力，可以很方便地實現全局最優解的尋優。該算法不僅降低了PID參數整定的難度，而且從總體上提高系統的控制精度、動態性能和魯棒性［7－8］。

2.2 仿真結果比較

利用LabWindows/CVI具有調用外部程序的優點，可以跳過CVI與Matlab進行連接的復雜程序編寫和步驟，通過 Matlab/GUI實現遺傳算法，并利用deployment project工具生成程序［9］。在不轉化為C語言程序的前提下，完成了一些復雜的程序，方便實現控制對象參數的在線整定。通過調用運行按鈕的Callback程序［10］，實現遺傳算法PID參數的整定。仿真表明，基于先進算法的PID控制能達到很好的控制效果，但是，在實際的應用中考慮到各種因素，并不利于先進算法的實現。

遺傳算法不會陷入局部最優解的快速下降陷阱。利用遺傳算法的內在并行性，可以方便地進行分布式計算，加快求解速度［11］。但是遺傳算法的局部搜索能力較差，導致單純的遺傳算法比較費時，在進化后期搜索效率較低。在實際應用中，遺傳算法容易產生早熟收斂的問題［12］。采用一種既能使優良個體得以保留，又能維持群體的多樣性的方法是遺傳算法中較難解決的問題。但是結合電動缸的控制，實現在線的參數優化，不僅所需整定時間短，而且達到了較好的控制效果。將這種在線整定方法應用到現場控制，具有重要的現實意義［13－14］。

3 通信的實現

采用基于DataSocket技術的Polling Queue技術進行通信。DataSocket技術又是基于DCP/IP工業標準的編程技術，它對底層進行了高度封裝［14］，這樣，不用進行底層TCP/IP編程，就可以方便地在測量和控制系統中共享和傳輸現場數據。Polling Queue的另一個優點是不像基于Data Socket的事件驅動模式，而是將數據放入一個緩沖隊列中，使數據的發送和接收更加方便，而且可以使用Polling Queue的緩沖區來減少接收數據被覆蓋的可能性，具有很高的數據讀取操作安全性。

客戶端通過Polling Queue接收服務器端發送來的數據，并且在面板上實時地顯示發送的數據包數和字節數，以及所發送數據占總數據的比例。

4 結束語

計算機仿真技術是研究控制工程的有效手段之一，在實踐中結合計算機仿真，可以輔助工程設計、分析和研究。

本文利用LabWindows/CVI軟件實現對電動缸的控制仿真，為后續實踐起到重要的鋪墊和指導作用。從控制效果可以看出，階躍響應的PID控制動態過程基本滿足要求［15］，系統能平滑地達到目標，且速度快、穩態精度高;從仿真角度來說，PID控制對電動缸的控制是有效的。

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