上海天文台佘山观测站所用的1.56 m天文望远镜在工作过程中主要依靠液压系统支撑(共有东、西、北三个液压支撑点)，其液压系统的结构框图如图1所示。油泵运转后通过输油管道向上输油，在支撑点形成油膜层（油膜层的厚度体现了油压值的大小）。望远镜正常工作的前提是支撑点油压的稳定。液压系统周围环境温度的变化以及油泵启动后产生的热量会使系统中油的密度和粘滞度发生改变，导致支撑点压力变化，从而影响望远镜运行的灵敏性，最终影响天文望远镜的观测效果。目前，工作人员需要根据支撑点压力的变化来手动调整液压阀门，以保持油压在恒定的范围内。这样既影响了观测过程的连续性和精确性，同时也加重了工作人员的工作强度。因此需要设计一套稳定的液压支撑系统来保证天文望远镜的正常工作。

    随着微电子技术的快速发展，数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)以其强大的运算处理功能和较高的控制精度在控制系统中广泛使用。TMS320F2812作为TI公司的一款新型32 bit定点数字信号处理器，以其外设集成度高、A/D转换速度快、易于实现PWM控制等特点被广泛应用于工业控制中。
    传统的PID控制需要精确的数学模型，输油管道的流体力学模型以及环境温度对流体特性与参数的影响等都会使控制系统的设计异常繁杂。并且传统PID控制难以满足高精度、快响应的控制要求，通常不能有效克服负载、模型参数的变化以及非线性因素的影响。而模糊控制是一种典型的智能控制方法，广泛应用于众多领域，其最大特点是将专家的经验和知识表示为语言规则用于控制，它不依赖于被控对象的精确数学模型，能够克服非线性因素影响，对被调节对象的参数具有较强的鲁棒性[1]。因此该控制系统采用模糊控制算法来实现油压系统的稳定。
1 设计方案
    根据天文望远镜在使用过程中出现的问题，提出一套闭环反馈控制系统，使液压系统能够根据外界环境的温度变化自动调节，保持油压恒定。该控制系统主要由压力信号采样模块、控制模块和执行机构三部分组成。首先根据望远镜的工作需要设定油压的目标值；执行机构驱动油泵电机运转后，在望远镜支撑点形成油膜层(其厚度体现为油压值)，该油压信号经传感器采集后反馈至控制器；反馈信号与设定的目标值进行比较，产生一定的误差信号，误差信号由控制器经过相应的控制算法来驱动执行机构，从而调整油泵电机的转速，使输出的油压趋于目标值。
    设计的系统结构框图如图2所示。采样模块主要由压力传感器和DSP信号采样模块组成；控制模块主要由DSP及相应外围电路组成；驱动电路和油泵电机组成了系统的执行机构。此外，还可以对DSP进行键盘输入及显示模块的扩展，利用键盘直接设定需要的输入信号，通过显示模块可以实时显示压力信号的变化。

2 系统硬件设计
    硬件系统主要由TMS320F2812芯片、30 MHz有源晶振、电源电路以及电阻、电容与电感构成。要在调试工具和目标CPU之间实现硬件实时通信，需要在PC端和目标DSP端定义硬件接口，TI公司的DSP一般采用JTAG作为硬件调试接口[2]。

2.1 电源电路设计
    电源设计是DSP应用系统设计中的一个重要组成部分。TMS320F2812要求的内核供电电压为1.8 V，外部I/O和内部Flash烧写电压为3.3 V，且内核电压先上电，I/O电压后上电。由于DSP在系统中要承担大量的实时数据计算，CPU内部部件的频繁开关转换会使系统功耗大大增加，所以必须要有一个良好的供电系统来保证系统的稳定。
    DSP电源系统方案包括线性稳压器、开关电源控制器和开关电源模块。线性稳压器优点是简单、成本低；缺点是效率低。开关电源控制器优点是电流大，效率高；缺点是占用空间大。开关电源模块优点是效率高、使用方便；缺点是成本高[3]。因此设计中采用TI公司的双路低压差电源稳压器TPS767D301，它一路输出3.3 V供I/O电源，另一路输出1.8 V供内核电源。电源电路如图3所示。

3 模糊控制系统设计
3.1 模糊控制的基本原理
    鉴于油压变化的非线性与时滞性，以及二维模糊控制器能够反映控制过程的动态特性，系统选用二维模糊控制器[4]，其结构如图6所示。

    模糊控制系统由DSP设计实现，模糊控制算法的基本过程：DSP经过采样和A/D转换获得被控量(油压)的精确值，然后与给定值比较得到误差信号e和误差信号变化量ec，两者即为模糊控制器的输入信号。再把这两个输入量进行模糊化处理，转换成模糊控制器可识别的模糊量，并用相应的模糊语言表示。根据e、ec和模糊控制规则R(模糊关系)，按推理合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u(PWM波形占空比参数)。这个量是无法直接用于实际控制的，必须将其转换为精确量，即反模糊化，求得精确的数字控制量之后即可对被控对象进行控制[5]。
    油压误差e的基本论域为X=[-450，450]，误差变化量ec的基本论域为Y=[-300，300]，PWM波形占空比的基本论域为Z=[0.8，1]，与其对应的寄存器参数论域为[3 515，8 203]。根据3个语言变量的基本论域范围，描述输入变量和输出变量的语言值的模糊集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其中NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB分别表示模糊语言变量中的负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。
3.2 模糊控制器设计
    模糊控制器主要包括模糊化、模糊推理和反模糊化。
    模糊化主要是隶属函数的选取。隶属函数定义了如何将论域上的每一个点映射到0～1之间的隶属度，它是模糊控制中模糊量与精确量转换的桥梁。隶属函数的形状和它在模糊子集论域中的分布情况对模糊规则的完备性以及对模糊控制的相互作用性都将产生至关重要的影响，直接决定最终的控制效果。通常应用的隶属函数曲线一般为分段线性函数、高斯分布函数、S型曲线和三角隶属函数等。在该液压系统中，根据现场实验数据及工作人员实际经验，相应的语言变量选用S型隶属函数和三角隶属函数，3个变量的隶属函数曲线如图7所示。

    通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合，而在实际的控制中需要一个确定值，因此需要进行反模糊化。通常使用的方法包括平均值法、最大隶属函数法以及中心法等。该系统采用最大隶属度平均值法得到最终的控制量u，最后可以得到模糊控制查询表。将查询表存于存储单元，在实时控制中，用查表法获得PWM波形占空比的对应参数[7]。得到的三维输出控制曲面如图8所示。

4 系统软件设计
    系统软件采用模块化设计，主要包括主程序和各功能子程序，其流程图如图9所示。

    本文针对天文望远镜实际运行过程中油压系统存在的一些问题，设计了一套闭环调节系统，以DSP芯片TMS320F2812为核心搭建了控制油压电机的变频调速平台，包括具体硬件、软件的设计和调试。由于此油压系统结构复杂，其数学模型难以确定，传统的PID控制策略很难实现，本文首次将模糊控制策略应用于望远镜液压控制系统。通过现场的调试和运行可以看出，在存在外界干扰的情况下，该系统可以很好地保证油压的稳定性，并具有快速响应性能。
参考文献
[1] 单卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用[M].西安：西北工业大学出版社，1999.
[2] 顾卫钢.手把手教你学DSP-基于TMS320X281X[M].北京: 北京航空航天大学出版社，2011.
[3] 杜春洋，王宇超.零基础学TMS320F281X DSP C语言开发[M].北京：机械工业出版社，2010.
[4] 刘金琨.智能控制[M].北京：电子工业出版社，2005.
[5] 李建.基于单片机的电阻炉模糊控制[J].科技广场，2011(9)：159-161.
[6] 刘金星，李洪文.模糊控制对大型望远镜低速跟踪性能的改善[J].自动化仪表，2012，33(3)：63-69.
[7] 袁战军，石彩玲，薛卫东，等.基于DSP的电阻炉温模糊控制系统[J].国外电子测量技术，2010，29(10)：48-51，58.