基于fpga的电液位置伺服控制器设计与研究

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2、基于FPGA的电液位置伺服控制器设计与研究作者姓名：黄明指导教师姓名、职称：谈宏华（教授）申请学位类别：专业型硕士学科专业名称：控制工程研究方向：机电控制论文提交日期：2016年12月1日论文答辩日期：2016年11月28日学位授予单位：武汉工程大学学位授予日期：年月日答辩委员会主席：王典洪教授DesignandResearchofElectro-hydraulicPositionServoControlBasedonFPGAAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterMajor：ControlEngineeringCandidate：HuangMingS

3、upervisor：Prof.TanHonghuaSNENGR.ZhangWenbinWuhanInstituteofTechnologyWuhan,Hubei430073,P.R.China摘要电液位置伺服控制系统具有能够准确、快速、自动地复现输入量变化规律的优良性能，被广泛应用于国防工业和民用工业等领域，在科学技术的发展过程中起着不可替代的作用。近年来，对系统的动态特性、稳态特性、频带宽度、准确性等性能提出了更高的要求，作为系统核心之一的控制器，其性能的优劣成为了设计的关键。FPGA（FieldProgrammableGateArray）因其具有设计周期短、片内资源丰富、能无限次

4、加载、现场编程等特点，被广泛应用于汽车导航、移动通信、军事雷达等领域，在工业自动化控制领域的应用也正在不间断的拓展深入。基于FPGA的控制系统可以克服PLC和单片机控制系统功能不足以及PC机控制系统非实时性的缺点，能满足电液位置伺服控制系统对可靠性、实时性、快速性等控制性能的要求，拥有良好的应用空间和发展前景。本文以某公司的电液位置伺服控制系统为对象，在全面分析伺服系统液压部分工作原理的同时，根据系统的控制要求，完成了液压部分各个模块的性能分析和器件选型，并提出以CycloneIVFPGA为核心的控制器方案。在系统控制器的开发设计中，以FPGA为中心，通过对AD/DA转换电路、DI/

5、DO接口电路以及串行接口电路等模块的扩展，使得系统控制器具有丰富的硬件资源，并设计了相应的信号调理电路，其能使被控对象、传感器等与控制器各相应模块之间的信号标准相匹配。此外，以QuartusII和Modelsim为开发环境和仿真平台，用VerilogHDL语言完成了AD/DA接口模块、DI/DO接口模块等的程序编写、编译、仿真以及调试等。在对控制系统数学建模和仿真分析验证中，为了使控制器具有良好的控制特性，采用了带动压反馈的PID控制策略，详细阐述了其在FPGA中的实现方法，并做了相应的仿真测试。最后，在现场实验过程中，上位机通过RS-232串口与控制器通信，实现数据的实时交互，并将

6、处理结果以曲线的形式展示，以供数据分析处理并进行参数调整。结果证明，该控制器能够满足控制系统提出的总体任务要求，达到了预I期的设计效果。关键词：电液位置伺服系统；CycloneIVFPGA；PID控制；信号调理IIAbstractTheoutputoftheelectro-hydraulicpositionservocontrolsystemhasexcellentaccuracyperformance,andhastheabilitytoquicklyandautomaticallyreproducethechanginglawsofinputquantity.Itiswidely

7、usedinthefieldsofnationaldefenseandcivilianindustry,andplaysanirreplaceableroleinthedevelopmentofscienceandtechnology.Inrecentyears,thedynamiccharacteristicsofthesystem,suchas,steady-statecharacteristics,bandwidth,accuaryandotherp