O 前言
随着现代化工业技术的迅速发展，对带钢的品种、规格、质量和产量的要求日益增高。这促使各大钢铁公司纷纷对原有生产线进行技术改造以满足用户需求。在技术改造的大潮中，嵌入式控制器以其响应快、可靠性高、功耗低等特点被广泛应用。
国内外的文献研究结果表明，液压伺服系统效果好的是模拟系统(响应快)，但由于参数调整非常难，自适应性差，以及参数漂移等问题使模拟系统难以保证长期可靠运行，用数字系统代替模拟系统时，只有当数字系统采样时间和响应(循环周期)时间达到1～2ms时基本上与模拟系一样，1ms时的效果更好，再高就没有必要了[1]。为了满足液压系统的实时性和稳定性要求，我们试验过工控机、PLC等多种控制平台，但是大多不能满足苛刻的实时性要求，最终我们选用响应快可靠性高的嵌入式系统设计了嵌入式控制器。控制器采用目前流行的开放式VME总线结构，以德国MEN公司的A12单板计算机作为控制器模块，并使用了嵌入式实时操作系统VxWorks。稳定可靠的硬件平台加上性能出色的操作系统组成了一个高性能的控制系统，该系统在实际应用中获得了良好的效果。
1 液压位置控制系统
液压位置伺服控制的基本原理就是液压流体动力的反馈控制，即利用反馈得到位置的偏差信号，将该信号伺服放大后去控制液压能源输入到系统的能量，使系统向着减小偏差的方向变化，从而使系统的实际输出与希望值相符[2]。在液压伺服控制系统中，输出量能够自动、快速而准确地再现输人量的变化规律，同时还对输入信号进行功率放大。轧机液压位置控制系统如图1所示，图中显示的只是轧机一侧的控制系统，对每个轧机而言，需要两个这样的系统。液压系统选用位置传感器返回液压缸位移的偏差信号，然后进行P1D控制计算，输出信号由电液伺服阀伺服放大后由液压泵驱动液压缸向减少偏差的方向移动。
2 液压系统的控制精度
如前所述，采用数字控制的液压系统控制精度要求达到1 ins左右，国外(如SMS)对此方面要求的解释如下。
伺服阀响应时间为6～8 ins是指给定满容量输出，即伺服阀从0% ～90%流量的时间，这种大流量操作只有初始摆辊缝和卸荷时使用，即对应轧线上未轧钢的动作。而当机架轧钢时，伺服阀和AGC系统进入伺服锁定状态，即“小信号”处理过程，此时控制器对伺服阀的给定不超过10% ，伺服阀在“小信号”时的响应时间几乎小于1 ms，再加上伺服阀到油缸的油路(应尽可能短)滞后，动作时间在1～2ins之间。因此，要求液压控制器采样时间和控制时间在1～2 ms。
SMS同时警告，如果控制器扫描周期长于伺服阀的响应时间，将造成控制器跟不上阀的动作而引起“小信号”震荡现象。
对此，我们运用Matlab对液压系统进行了仿真。当控制周期选为10ms时，响应曲线为图2(a)曲线;当控制周期选为1ms时，响应曲线为图2(b)冶金自动化2005年第2期曲线。从图2中，我们可以看出，控制周期为1 ins时系统响应快、稳定性好。
3 嵌入式系统VxWorks
VxWorks是美国Wind River System公司(简称风河公司)于1983年推出的一个嵌入式实时操作系统。其主要组成部分为：实时操作系统内核、I/，O系统、文件系统、板级支持包、网络设施、目标代理和实用库[3]。VxWorks 是一个优秀的操作系统，应用于嵌入式系统的主要优势包括：
(1)Vxworks具有一个高性能的操作系统内核Wind。VxWorks采用微内核结构，主要特点包括快速多任务切换、抢占式任务调度、任务间通信手段多样化等。
(2)VxWorks具有非常优秀的开发环境Tornado，便于操作、配置和应用程序的开发调试。
(3)VxwDrks具有较好的兼容性和良好的移植性，VxWorks支持包括X86系列、POWER PC系列、SPARC系列、ARM系列、MIPS系列等几乎所有流行的CPU，可适用于不同的硬件平台。
4 嵌入式控制器的设计
4.1 模糊PID控制
在液压伺服系统中系统开环增益的变化容易引起超调和震荡，使系统变得难以用常规的控制算法进行控制，用模糊PID控制就能找出比较合适的算法。其原理框图如图3所示。
P1D控制用比例系数进行调节，使系统动态响应较快，超调量小，而且整个响应过程具有较好的鲁棒性。控制器中加人积分器是为了克服被控对象中存在的恒值扰动的影响。把积分调节器引入控制器中，这无疑可以改善系统的稳态性能，但积分因子的引入，会使系统动态响应变慢，破坏典型PD控制系统所具有的响应快的特性，因此，系统响应开始时是PD控制，快进入稳态响应时积分因子起作用，相当于进行PID控制。于是系统在保证快速性和稳态精度的同时，大大降低了控制器的复杂性。
模糊PID控制器取系统实际位移输出l，与位移给定 的偏差E=R—Y及偏差变化率△E作
为输入语言变量，比例系数K。选作输出语言变量，这样所涉及的模糊控制器是双输入单输出的。模糊控制中最常用的是查表法，其做法是：首先通过事先的离线计算，得到一个模糊控制表，然后将其控制表存放到计算机内存中。于是在过程控制中，计算机只需要根据采样并从论域变换得来的以论域元素形式表现的E和△E，就可以由控制表的第i行和第. 列找到对应的同样以论域元素形式出现的控制量，把其乘以比例因子，即可用于被控对象过程，以达到预期的控制目的[4]。
4.2 控制器的硬件配置
控制器的硬件基于美国VMIC公司的多CPU、VME总线的综合机箱，包括主CPU板、控制CPU板、内存映射网板和I/O板等。硬件结构图如图4所示。
主CPU采用VMIC公司的VMIVME 7589A，主要负责与大系统中心交换信息，读取系统的设定值、反馈值，并读写VME总线上的I/O板。其中DI板采用VM VME 1150，读液压系统中开关阀的状态等数字信号。DO板采用VMIVME 2210，控制APE回路中的换向阀、溢流阀等的开关。主CPU与控制CPU(A12)通过A12上的1 MB双口RAM交换设定值和反馈值，双口RAM起到VME总线与A12 CPU数据桥的作用。系统外部数据交换采用的是170 Mb/s的高速内存映射网(使用VMIVME5576板)，各站之间通信数据的刷新时间小于1 H峙，使得各站间的信息可以并行处理。液压控制CPU板采用德国MEN公司的A12板，可读取设定值和现场仪表的反馈值并据此进行模糊PID控制计算，可根据需要在A12上配置模拟量I/O子板。其中M36是16位8/16通道模拟量输入子板，读取阀芯位移信号等;M62是12位8/16通道模拟量输出子板，输出给图1中的电液伺服阀等，从而调整液压缸的位置;M47是4通道的SSI(Serial Synchronous Interface)接口子板，接收类似美国MTS公司生产的磁致伸缩型位移传感器的编码信号。A12板及其子板既可以在VME总线环境中使用，也可以在无总线下单独组成一个完整的控制系统。
4.3 控制器的软件设计
为了保证实时性要求，采用嵌入式实时操作系统VxWorks作为控制CPU板的运行平台。实时操作系统VxWorks提供了便捷、高效的交叉开发工具Tornado，采用C/C++语言作为开发语言，使得我们在开发应用程序时非常方便。
控制器软件设计中的关键技术包括任务的划分及任务优先级的设置、毫秒级时间周期的实现和模糊控制表的生成。
(1)任务的划分及任务优先级的设置。嵌入式实时系统中，任务的合理划分和优先级的合理设置，对系统的实时性至关重要。我们通过划分任务和设定任务优先级使各任务按不同的循环周期来完成。主要任务有：在控制CPU板上要求响应速度最快的1级循环任务(包括实时性数据的采集和输出、PID控制运算等)和2级循环任务 (AGC算法等)。最高优先级的1级循环按1 ms的循环周期执行;2级循环按10 ms循环周期执行。任务间通过优先级和信号量进行切换。
(2)毫秒级时间周期的实现。VxWorks系统提供的延时机制主要有taskDelay()、WatchDog和时间戳。但是上述机制都是基于时钟节拍中断的，一般时钟节拍设置为60～100次/s，这样得到的循环周期在10 ms左右，如果将时钟节拍设置为大于100次/s，则整个系统会因为不停地进行时钟中断切换而无法实时地处理任务，达不到系统的要求。要想得到精确的计时必须要借助POWER PC优良的硬件特性。POWER PC上一般有多个时钟，其中Timer2用于系统时钟，处理系统级任务，时钟频率一般不能太高;Timer2用于辅助时钟，平常一般不用，我们利用它得到了精确的延时。利用sysAux—ClkRateSet()函数将辅助时钟的时钟频率设定为1000次/s，可以得到1 ms的精确时间。
(3)模糊控制表的生成。模糊PID控制的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊控制规则表，得到对 整定的模糊控制表。选取控制量变化的原则是：当误差大或者较大时，选取的控制量以尽快消除误差为主;而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。这就是消除误差的二维模糊控制器的模糊控制规则。当误差、误差变化分别取模糊集A，B，模糊关系取R时，输出控制量的变化 根据模糊推理合成规则可以得到U=(A×B)·R。对论域E，△E中全部元素的所有组合计算出相应以论域 元素表示的控制量值，并写成矩阵形式，由该矩阵构成的相应表格即为模糊控制器的控制表。
5 结论
基于VxWorks的高性能嵌入式控制器完全符合工业控制系统对控制器在实时性、开放性和可靠性等方面的要求，在武钢等热连轧液压AGC系统的实际应用中发挥了出色的性能。使用表明，这种高性能控制器稳定可靠，能快速响应各种手动和自动的调节，可以在1ms的控制周期内完成轧机液压压下系统控制。
[参考文献]
[1]刘玢，孙一康.带钢热连轧计算机控制[M].北京：机械工业出版社，1997.
[2]王春行.液压控制系统[M].北京：机械工业出版社，1999.
[3]罗国庆.VxWorks与嵌入式软件开发[M].北京：机械工业出版社，2003.
[4]刘曙光.模糊控制技术[M].北京：中国纺织出版社，2001.
