一、控制系统结构设计
设计的全数字式电动执行器控制系统以总线型分散控制系统的形式进行设计。各个节点完成对各自节点的有关信息的采集.过程控制等任务。上位计算机则监控各个节点的状态，并且对各节点的历史数据进行存储，同时也可通过上位机实现对每一个节点的设置及其他操作。各节点也可以单独地在每一个控制回路中实现其执行器的功能。整个控制系统的结构图如图1所示。
在图1中，上位机可以使用工控机或者普通的PC机，并插入1块型号为HK-CAN30B的CAN总线通信卡。上位机的主要功能是：对各下位机数据的采集；过程监控，包括参数显示、事故报警；对下位机各参数的设定；数据库的管理；与下位机通信；故障处理与报警。系统的上位机控制软件采用Delphi 5编写。
下位机是实现实时控制的主体，要求完成的功能有数据采集、数据处理、控制计算、控制输出、参数显示、故障判断与保护、跟上位机或其他节点通信等功能。因此控制系统下位机以80C196KC单片机为核心，并按功能划分为以下几个模块：CPU模块、通信模块（CAN）、A/D模块、D/A模块、存储模块、电源模块、显示模块、遥控接收/发送模块、电机驱动模块等。
1、CAN通信模块
如图2所示，在通信模块中以80C196KC的AD15端口作为SJA1000的片选信号，故CAN控制器SJA1000所占用的地址为8000H-80FFH。使用CAN总线收发器PCA82C250目的是进一步提高CAN总线的驱动能力，它的工作模式由RS控制引脚来提供，取决于斜率电阻（200kΩ可调电阻）的阻值。
2、红外遥控接收/发送模块
电动执行器是常用的工业设备，它可能安装在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，其安装位置也可能在不便于操作人员站立的地方，所以系统增加遥控接收/发送模块，从而在调试的时候使用遥控器可以很方便地看到阀位的状态，方便实现操作。遥控接收/发送可以采用红外数据通信，也可以采用无线数据通信，该系统采用红外数据通信的方法。值得注意的是，系统中遥控器只是电动执行器在现场调试的时候才会使用，且设定的操作优先级低于上位机操作方式，从而避免使用中的误操作。
红外遥控是用波长为0.76~1.50μm之间的近红外线（又称红外光）来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制，遥控距离一般为几m至几十m或更远一点。遥控模块由接收和发送两大部分组成。发射部分包括键盘矩阵、编码发送及其外围电路；接收部分包括光电转换放大器、接收解码及执行，红外遥控接收/发送系统的方框图如图3所示。
当按下摇控器的某个键时，MSP430就按一定的编码在输出端输出串行编码的脉冲，该脉冲经38kH的载频调制，再经驱动由红外发光二极管发射到空间；控制器上的接收端（TSOP1838，该芯片是VIAHAY公司推出的一体化红外线接收器）接收到光信号然后进行解调、光电放大送到80C196KC单片机，由单片机进行解码之后产生控制信号到驱动执行电路。
系统要求遥控器也要能够接收到控制器发送的阀位状态信号，所以80C196KC单片机还要在遥控的时候定时地发送数据，经调制后用红外LED发送出来；遥控器上同样用TSOP1838芯片接收、解调和放大，然后用MSP430单片机解码后显示。
3、驱动电路设计
设计的电机驱动电路如图4所示。用±12V的开关量信号的时间长短来控制电机的正反转，并且实现了电动执行器的制动与停车功能。
图4中Ukp和Ukn分别为80C196KC的两个高速输出引脚，T2-1/T2-2，T3-1/T3-2，T4-1/T4-2，T5-1/T5-2，T6-1/T6-2，T7-1/T7-2分别为6个光电隔离器。当Uk为+12V高电平时，T2-1/T2-2导通，从而T6-1/T6-2导通使电机正转；当Uk由高电平到低电平的瞬间，T4-1/T4-2瞬间导通，使得T7-1/T7-2瞬间导通，电机瞬间反转，电容放电结束后电机停止。同理，当Uk为-12V低电平的时候，电机反转。这样便实现了电机的正反向控制。系统输出与驱动电路之间完全实现了光电隔离，这样可提高系统的抗干扰能力和可靠性。
二、QFT控制器设计
定量反馈理论是一种基于频域的鲁棒控制设计方法，可用于带有很大对象不确定性的单变量、多变量及非线性等系统的鲁棒设计。QFT方法提出较早，但直到近10年来才逐渐引起工程控制界重视。使用QFT方法不需像H∞方法那样很深的数学基础，因此被称为是现场工程师的鲁棒设计方法[1-4]。QFT设计下的控制系统结构是一种二自由度控制结构，如图5所示。图中P（s）是存在较大不确定性的受控对象模型，一般该模型不确定性的范围是已知的。d1，d2是外部干扰输入，r，y分别为系统的输入和输出。
在整个控制系统中，反馈控制器C（s）和前向控制器F（S）是定常的，这也是QFT控制的一个特点。经合理设计的QFT控制器能使闭环控制系统在输入信号r和干扰输入d1，d2作用下，系统输出y位于各种给定的性能指标范围内。QFT设计方法的基本步骤是[1]：
（1）构造不确定对象的频率响应模板（Template）；
（2）根据各种性能指标要求构造复合Horowitz边界；
（3）通过回路整型（Loop Shaping）设计QFT控制器C（S）和F（S）；
（4）设计过程结果分析。
由于机械结构及功率大小差异，某类积分式电动执行机构的模型参数变化较大。可采用传递函数集来描述受控对象的不确定性模型：
（1）
式中系统不确定参数k=K/T，K，T分别是积分式电动执行器的传递系数和时间常数[5]，这里取k=0.015作为QFT设计中的基准模型参数。
根据电动执行器控制系统的动态响应特性要求，确定闭环系统基于频域的稳定裕度指标为
（2）
无超调跟踪性能指标的上下边界条件设为
（3）
其中
（4）
取ω=0.1，0.5，1，8，50作为选样频率，利用Matlab的QFT工具箱，计算各选样频率处不确定对象模型（1）的稳定性能和跟踪性能指标Homwitz复合边界，如图6所示。显然，未经控制器校正的闭环系统不能满足式（2）、式（3）要求。通过对系统进行分析与综合，设计了QFT二自由度控制器；反馈控制器C（s）和前向滤波器F（s）
（5）
从图6可以看出，用C（s）和F（s）校正的受控系统频域响应完全满足Homwitz边界要求，同时经分析知系统满足性能指标（2）、（3）要求。分别取k=0.015，0.028，0.04，对闭环系统进行无超调阶跃响应仿真实验（图7）。从仿真结果可知，设计的QFT二自由度控制器具有很强的鲁棒稳定性。另外由于控制器（5）本身是最小相位系统且维数很低，因此在物理上很容易实现。
三、结论
设计了一种适应工业控制系统向分散化、网络化、智能化方向发展的新型数字式电动执行器控制系统。详细分析了系统硬件结构中的通信模块、红外遥控接收/发送模块和驱动电路设计。考虑受控对象模型不确定性及对输出无超调的性能要求，提出采用QFT方法设计鲁棒控制器。硬件调试和控制算法仿真结果证明控制系统是可行的。
