吳軍輝，劉西釘，宋連旺

東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 2101184

0 引言

近年來，隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展，產(chǎn)品測(cè)試要求的提高，傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)由于本身所固有的諸多弊端變得越來越不適應(yīng)現(xiàn)代測(cè)試要求。所以，測(cè)試試件抗疲勞程度的液壓伺服壓力脈沖測(cè)控系統(tǒng)非常具有研究意義。

系統(tǒng)能夠按照控制指令向試件輸入不同類型的壓力波形，進(jìn)行壓力沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行故障檢測(cè)和報(bào)警，同時(shí)需要對(duì)當(dāng)前脈沖壓力值、溫度、波形以及試驗(yàn)周期數(shù)等數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)人機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示和記錄，并且能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)報(bào)表。上、下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸量大，實(shí)時(shí)性高，系統(tǒng)采用了以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。通過實(shí)踐證明，此系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

該液壓伺服測(cè)控系統(tǒng)主要由PC上位機(jī)、NI嵌入式測(cè)控系統(tǒng)compactRIO、電液伺服閥驅(qū)動(dòng)電路、繼電器控制回路、傳感器和外設(shè)控制對(duì)象。圖1為系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)上位機(jī)PC接收試驗(yàn)者要求的壓力脈沖波形、高壓、低壓、頻率、試驗(yàn)次數(shù)等等數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)送入cRIO-9073的嵌入式實(shí)時(shí)控制器, 根據(jù)要求產(chǎn)生虛擬壓力脈沖波形并離散化作為目標(biāo)值，模塊cRIO-9215接收的壓力傳感器信號(hào)作為反饋值，對(duì)目標(biāo)值和反饋值做PI控制算法產(chǎn)生的控制值經(jīng)過模塊cRIO-9263和信號(hào)處理電路驅(qū)動(dòng)電液伺服閥工作。并把壓力脈沖目標(biāo)波形和反饋波形通過以太網(wǎng)送到上位機(jī)人機(jī)界面做實(shí)時(shí)顯示和分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 NI嵌入式測(cè)控系統(tǒng)compactRIO

NI compactRIO 是一種小巧而堅(jiān)固的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，包含一個(gè)實(shí)時(shí)控制器，帶有可編程FPGA的4或8槽機(jī)箱，以及熱插拔工業(yè)I/O模塊，集成了以太網(wǎng)端口供上下位機(jī)通訊，這種低成本的嵌入式架構(gòu)具有開放性，用戶可訪問底層硬件資源，可以快速定制獨(dú)立的或分布式的控制和采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的cRIO-9073集成了實(shí)時(shí)控制器和可以配置的8槽機(jī)箱，插槽上配置了4個(gè)模塊：NI cRIO-9215模塊配置接收4路模擬信號(hào)，分別是壓力傳感器反饋的4mA～20mA電流、位移傳感器反饋的0V～5V電壓、環(huán)境溫度和介質(zhì)溫度的熱電偶反饋的2路4mA～20mA電流；NI cRIO-9263配置成輸出-10V～10V電壓模擬信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)電液伺服閥；NI-9477配置成32通道的0V或者24V的數(shù)字量輸出來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器和指示燈；NI-9426配置成32通道的0V或者24V的數(shù)字量接收布爾開關(guān)量。

2.2 電液伺服閥驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)NI cRIO-9263數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸出 -10V～10V的電壓信號(hào)，而電液伺服閥輸入-40mA～40mA的電流信號(hào)，此驅(qū)動(dòng)電路如圖2。

圖2 電液伺服閥驅(qū)動(dòng)電路圖

用Is表示流經(jīng)電液伺服閥控制線圈的電流，從圖2容易得出：

由式（4）可以得到，流經(jīng)電液伺服閥控制線圈的電流Is正比輸入電壓和調(diào)零電壓的綜合值，連接面板上的調(diào)零旋鈕，即可實(shí)現(xiàn)電氣調(diào)零。放大器的電流增益可由電位器R-ST1調(diào)節(jié)，事實(shí)上電阻R-S107的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于R-ST1，流經(jīng)電阻R-S107的電流可以忽略。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

cRIO-9073的嵌入式實(shí)時(shí)控制器采用的是LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用的是邏輯化結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)軟件邏輯流程先執(zhí)行液壓伺服回路排空模塊與溫度控制模塊程序，其次手動(dòng)執(zhí)行液壓伺服PI控制模塊程序，最后自動(dòng)執(zhí)行液壓PI控制模塊程序，其中液壓伺服系統(tǒng)PI控制模塊是本系統(tǒng)的核心控制。

圖3為液壓伺服PI控制原理圖，下位機(jī)接受上位機(jī)PC壓力脈沖波形數(shù)據(jù)（波形選擇、高壓、低壓、頻率），控制器根據(jù)接受的試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生虛擬壓力波形，其中正諧波和三角波

圖3 液壓伺服系統(tǒng)PI控制原理圖

虛擬波形可以直接調(diào)用LabVIEW各自的波形生成VI即可，梯形波可以通過斜坡信號(hào)和調(diào)用2個(gè)for循環(huán)實(shí)現(xiàn)。其中PI控制算法使用的是增量型如圖4。

圖4 增量型PI控制算法

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言來完成控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)。LabVIEW程序主要包括前面板（即人機(jī)界面）和方框圖程序。前面板用于模擬真實(shí)儀器的面板操作，框圖程序應(yīng)用圖形編程語(yǔ)言編寫，其用于傳送前面板輸入的命令參數(shù)到下位機(jī)以執(zhí)行相應(yīng)的操作。此系統(tǒng)采用以太網(wǎng)傳輸方式，因cRIO-9073集成了以太網(wǎng)端口。所以不需要購(gòu)買昂貴的數(shù)據(jù)采集卡就能簡(jiǎn)便穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時(shí)控制，滿足了工業(yè)控制的一般要求。

LabVIEW前面板如圖5所示，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，界面主要由以太網(wǎng)通訊模塊、數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換模塊、壓力脈沖波形顯示模塊、統(tǒng)計(jì)與存儲(chǔ)模塊等組成。用戶無需了解模塊內(nèi)部的程序框圖便可直接通過鼠標(biāo)在界面上操作，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、報(bào)警、控制等功能。

圖5 液壓伺服壓力脈沖人機(jī)界面

3.2.1 以太網(wǎng)通訊模塊

為了保證計(jì)算機(jī)與下位機(jī)能實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通訊，首先應(yīng)進(jìn)行以太網(wǎng)通訊參數(shù)初始化。根據(jù)cRIO-9073下位機(jī)設(shè)定方式，在程序框圖設(shè)置“打開TCP連接”VI的IP地址設(shè)置為192.168.0.110，遠(yuǎn)程端口號(hào)為1025，超時(shí)時(shí)間為5000毫秒。在數(shù)據(jù)通信函數(shù)庫(kù)里面提供的節(jié)點(diǎn)不僅可以實(shí)現(xiàn)初始化配置，還可以對(duì)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫控制。另外，在程序框圖所有的功能子模塊都需要在while循環(huán)內(nèi)，同時(shí)用前面板的布爾量開關(guān)控制循環(huán)命令。同時(shí)在while循環(huán)內(nèi)嵌入條件結(jié)構(gòu)，分別為“連接”、“命令”、“結(jié)束”3種條件，其中“連接”條件為默認(rèn)條件。只有“連接”條件由前面板的布爾開關(guān)量控制，“連接”條件結(jié)構(gòu)無錯(cuò)誤則執(zhí)行“命令”條件。

3.2.2 數(shù)據(jù)讀取與轉(zhuǎn)換

系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀寫通過“隊(duì)列操作”，在程序框圖中使用“獲取隊(duì)列引用”VI建立了和下位機(jī)同名的隊(duì)列。數(shù)據(jù)可以從“元素出隊(duì)列”VI的元素端口讀取下位機(jī)的數(shù)據(jù)，元素可以通過“有損耗元素入隊(duì)列”VI寫入下位機(jī)。TCP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是字符串類型，因此數(shù)據(jù)要通過“從字符串還原”VI轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型在界面上實(shí)時(shí)顯示。另外，數(shù)據(jù)的讀取需要在以太網(wǎng)通訊建立的while循環(huán)內(nèi)。

3.2.3 數(shù)據(jù)顯示、統(tǒng)計(jì)與存儲(chǔ)模塊

LabVIEW是專為測(cè)量、分析數(shù)據(jù)并提交結(jié)果而設(shè)計(jì)，其強(qiáng)大的圖表和圖形組建體現(xiàn)出極大地優(yōu)勢(shì)。波形圖表是記錄實(shí)時(shí)產(chǎn)生的波形，本系統(tǒng)采用波形圖表顯示3條波形；壓力設(shè)定值（壓力脈沖目標(biāo)波形）、壓力反饋值、油缸位置（位移傳感器），故對(duì)從下位機(jī)讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行簇解除捆綁，引用for循環(huán)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)換為3個(gè)采樣浮點(diǎn)數(shù)。不僅如此，測(cè)試數(shù)據(jù)的快速寫入通過函數(shù)面板中Write To Measurement File Express VI加以配置，指定如何格式化文件以及保存數(shù)據(jù)內(nèi)容。通過在前面板上設(shè)置產(chǎn)生報(bào)表開關(guān)，可以對(duì)保存的數(shù)據(jù)產(chǎn)生試驗(yàn)報(bào)表。

4 結(jié)論

本文以cRIO-9073測(cè)控系統(tǒng)為控制中心，使用NI公司的LabVIEW為上、下位機(jī)為支持軟件，完成液壓伺服壓力脈沖試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用LabVIEW程序開發(fā)系統(tǒng)，編程者不需要深究相關(guān)硬件的專業(yè)知識(shí)，也不需要考慮復(fù)雜的專門的驅(qū)動(dòng)程序編寫，只需合理使用LabVIEW提供的控件和函數(shù)，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)具有硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、測(cè)試穩(wěn)定、功能可擴(kuò)展的特點(diǎn)。

[1]楊樂平.LabVIEW高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]李樂山.人機(jī)界面設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[3]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4]劉勝，張?zhí)m勇，劉剛.LabVIEW2009程序設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5]張凱，劉棟.LabVIEW虛擬儀器工程與開發(fā)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[6]黃友銳，曲立國(guó).PID控制器參數(shù)整定與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[7]徐小強(qiáng).基于虛擬儀器技術(shù)的壓力脈沖測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江：浙江大學(xué)，2004.

[8]陳小軍，吳向東.基于液壓比例位置控制的數(shù)字PID設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].四川：西南交通大學(xué)，2009.