上海天文臺佘山觀測站所用的1.56 m天文望遠鏡在工作過程中主要依靠液壓系統支撐(共有東、西、北三個液壓支撐點)，其液壓系統的結構框圖如圖1所示。油泵運轉后通過輸油管道向上輸油，在支撐點形成油膜層（油膜層的厚度體現了油壓值的大小）。望遠鏡正常工作的前提是支撐點油壓的穩定。液壓系統周圍環境溫度的變化以及油泵啟動后產生的熱量會使系統中油的密度和粘滯度發生改變，導致支撐點壓力變化，從而影響望遠鏡運行的靈敏性，最終影響天文望遠鏡的觀測效果。目前，工作人員需要根據支撐點壓力的變化來手動調整液壓閥門，以保持油壓在恒定的范圍內。這樣既影響了觀測過程的連續性和精確性，同時也加重了工作人員的工作強度。因此需要設計一套穩定的液壓支撐系統來保證天文望遠鏡的正常工作。

    隨著微電子技術的快速發展，數字信號處理器DSP(Digital Signal Processor)以其強大的運算處理功能和較高的控制精度在控制系統中廣泛使用。TMS320F2812作為TI公司的一款新型32 bit定點數字信號處理器，以其外設集成度高、A/D轉換速度快、易于實現PWM控制等特點被廣泛應用于工業控制中。
    傳統的PID控制需要精確的數學模型，輸油管道的流體力學模型以及環境溫度對流體特性與參數的影響等都會使控制系統的設計異常繁雜。并且傳統PID控制難以滿足高精度、快響應的控制要求，通常不能有效克服負載、模型參數的變化以及非線性因素的影響。而模糊控制是一種典型的智能控制方法，廣泛應用于眾多領域，其最大特點是將專家的經驗和知識表示為語言規則用于控制，它不依賴于被控對象的精確數學模型，能夠克服非線性因素影響，對被調節對象的參數具有較強的魯棒性[1]。因此該控制系統采用模糊控制算法來實現油壓系統的穩定。
1 設計方案
    根據天文望遠鏡在使用過程中出現的問題，提出一套閉環反饋控制系統，使液壓系統能夠根據外界環境的溫度變化自動調節，保持油壓恒定。該控制系統主要由壓力信號采樣模塊、控制模塊和執行機構三部分組成。首先根據望遠鏡的工作需要設定油壓的目標值；執行機構驅動油泵電機運轉后，在望遠鏡支撐點形成油膜層(其厚度體現為油壓值)，該油壓信號經傳感器采集后反饋至控制器；反饋信號與設定的目標值進行比較，產生一定的誤差信號，誤差信號由控制器經過相應的控制算法來驅動執行機構，從而調整油泵電機的轉速，使輸出的油壓趨于目標值。
    設計的系統結構框圖如圖2所示。采樣模塊主要由壓力傳感器和DSP信號采樣模塊組成；控制模塊主要由DSP及相應外圍電路組成；驅動電路和油泵電機組成了系統的執行機構。此外，還可以對DSP進行鍵盤輸入及顯示模塊的擴展，利用鍵盤直接設定需要的輸入信號，通過顯示模塊可以實時顯示壓力信號的變化。

2 系統硬件設計
    硬件系統主要由TMS320F2812芯片、30 MHz有源晶振、電源電路以及電阻、電容與電感構成。要在調試工具和目標CPU之間實現硬件實時通信，需要在PC端和目標DSP端定義硬件接口，TI公司的DSP一般采用JTAG作為硬件調試接口[2]。

2.1 電源電路設計
    電源設計是DSP應用系統設計中的一個重要組成部分。TMS320F2812要求的內核供電電壓為1.8 V，外部I/O和內部Flash燒寫電壓為3.3 V，且內核電壓先上電，I/O電壓后上電。由于DSP在系統中要承擔大量的實時數據計算，CPU內部部件的頻繁開關轉換會使系統功耗大大增加，所以必須要有一個良好的供電系統來保證系統的穩定。
    DSP電源系統方案包括線性穩壓器、開關電源控制器和開關電源模塊。線性穩壓器優點是簡單、成本低；缺點是效率低。開關電源控制器優點是電流大，效率高；缺點是占用空間大。開關電源模塊優點是效率高、使用方便；缺點是成本高[3]。因此設計中采用TI公司的雙路低壓差電源穩壓器TPS767D301，它一路輸出3.3 V供I/O電源，另一路輸出1.8 V供內核電源。電源電路如圖3所示。

3 模糊控制系統設計
3.1 模糊控制的基本原理
    鑒于油壓變化的非線性與時滯性，以及二維模糊控制器能夠反映控制過程的動態特性，系統選用二維模糊控制器[4]，其結構如圖6所示。

    模糊控制系統由DSP設計實現，模糊控制算法的基本過程：DSP經過采樣和A/D轉換獲得被控量(油壓)的精確值，然后與給定值比較得到誤差信號e和誤差信號變化量ec，兩者即為模糊控制器的輸入信號。再把這兩個輸入量進行模糊化處理，轉換成模糊控制器可識別的模糊量，并用相應的模糊語言表示。根據e、ec和模糊控制規則R(模糊關系)，按推理合成規則進行模糊決策，得到模糊控制量u(PWM波形占空比參數)。這個量是無法直接用于實際控制的，必須將其轉換為精確量，即反模糊化，求得精確的數字控制量之后即可對被控對象進行控制[5]。
    油壓誤差e的基本論域為X=[-450，450]，誤差變化量ec的基本論域為Y=[-300，300]，PWM波形占空比的基本論域為Z=[0.8，1]，與其對應的寄存器參數論域為[3 515，8 203]。根據3個語言變量的基本論域范圍，描述輸入變量和輸出變量的語言值的模糊集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分別表示模糊語言變量中的負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。
3.2 模糊控制器設計
    模糊控制器主要包括模糊化、模糊推理和反模糊化。
    模糊化主要是隸屬函數的選取。隸屬函數定義了如何將論域上的每一個點映射到0～1之間的隸屬度，它是模糊控制中模糊量與精確量轉換的橋梁。隸屬函數的形狀和它在模糊子集論域中的分布情況對模糊規則的完備性以及對模糊控制的相互作用性都將產生至關重要的影響，直接決定最終的控制效果。通常應用的隸屬函數曲線一般為分段線性函數、高斯分布函數、S型曲線和三角隸屬函數等。在該液壓系統中，根據現場實驗數據及工作人員實際經驗，相應的語言變量選用S型隸屬函數和三角隸屬函數，3個變量的隸屬函數曲線如圖7所示。

    通過模糊推理得到的結果是一個模糊集合，而在實際的控制中需要一個確定值，因此需要進行反模糊化。通常使用的方法包括平均值法、最大隸屬函數法以及中心法等。該系統采用最大隸屬度平均值法得到最終的控制量u，最后可以得到模糊控制查詢表。將查詢表存于存儲單元，在實時控制中，用查表法獲得PWM波形占空比的對應參數[7]。得到的三維輸出控制曲面如圖8所示。

4 系統軟件設計
    系統軟件采用模塊化設計，主要包括主程序和各功能子程序，其流程圖如圖9所示。

    本文針對天文望遠鏡實際運行過程中油壓系統存在的一些問題，設計了一套閉環調節系統，以DSP芯片TMS320F2812為核心搭建了控制油壓電機的變頻調速平臺，包括具體硬件、軟件的設計和調試。由于此油壓系統結構復雜，其數學模型難以確定，傳統的PID控制策略很難實現，本文首次將模糊控制策略應用于望遠鏡液壓控制系統。通過現場的調試和運行可以看出，在存在外界干擾的情況下，該系統可以很好地保證油壓的穩定性，并具有快速響應性能。
參考文獻
[1] 單衛國，楊向忠.模糊控制理論與應用[M].西安：西北工業大學出版社，1999.
[2] 顧衛鋼.手把手教你學DSP-基于TMS320X281X[M].北京: 北京航空航天大學出版社，2011.
[3] 杜春洋，王宇超.零基礎學TMS320F281X DSP C語言開發[M].北京：機械工業出版社，2010.
[4] 劉金琨.智能控制[M].北京：電子工業出版社，2005.
[5] 李建.基于單片機的電阻爐模糊控制[J].科技廣場，2011(9)：159-161.
[6] 劉金星，李洪文.模糊控制對大型望遠鏡低速跟蹤性能的改善[J].自動化儀表，2012，33(3)：63-69.
[7] 袁戰軍，石彩玲，薛衛東，等.基于DSP的電阻爐溫模糊控制系統[J].國外電子測量技術，2010，29(10)：48-51，58.