基于虛擬儀器的氣動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

葛耀崢　雷勇　陶國(guó)良

摘要 基于NI CompactRIO 控制系統(tǒng)作為主控單元的虛擬儀器的氣動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和高性能的模塊化硬件以及氣動(dòng)一體化技術(shù)，結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成各種機(jī)電信號(hào)測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)控制應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。以滿足控制工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器 氣動(dòng)控制 LabVIEW開發(fā)環(huán)境 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

0 引言

為了能新增機(jī)械電子工程專業(yè)本科高年級(jí)更高層次的研究性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生通過(guò)實(shí)踐能理解到如何去研究和解決科研問(wèn)題或工程問(wèn)題，急需開發(fā)一批既包括虛擬儀器在智能化程序、計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)又具有機(jī)電與測(cè)控制技術(shù)一體的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備供學(xué)生實(shí)踐使用。不僅有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而且對(duì)于本科生和研究生創(chuàng)新能力的提高或許是非常迫切需要的。

1 NI CompactRIO模塊

NI CompactRIO模塊是一款工業(yè)級(jí)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，集成了嵌入式實(shí)時(shí)控制器、可編程硬件邏輯（FPGA）和可重配置的I/O 模塊。帶有實(shí)時(shí)處理器和可重新配置FPGA功能，用于獨(dú)立的分布式應(yīng)用?；贜I可重新配置I/O技術(shù)，適于超高性能和自定義應(yīng)用。NI CompactRIO 可編程控制模塊實(shí)物圖與基本原理框圖如圖1所示。

2 NI LabVIEW開發(fā)環(huán)境

LabVIEW是一款圖形化開發(fā)環(huán)境，對(duì)于要求苛刻的工業(yè)級(jí)及嵌入式應(yīng)用具有靈活性和易用性等特點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)LABVIEW REAL-TIME模塊創(chuàng)建程序，并在CompactRIO控制模塊上實(shí)時(shí)地穩(wěn)定運(yùn)行。也可以通過(guò)LABVIEW為CompactRIO模塊快速創(chuàng)建HMI或用戶界面，并在聯(lián)網(wǎng)的PC或嵌入式觸摸板上運(yùn)行。

2.1 LabVIEW RT 開發(fā)環(huán)境

LabVIEW RT 開發(fā)環(huán)境借助LabVIEW 圖形化開發(fā)環(huán)境和硬件驅(qū)動(dòng)包，可輕松訪問(wèn)硬件底層，快速構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的軟件原型?？捎糜诙嗨俾蚀_定性的定時(shí)、觸發(fā)和控制循環(huán)結(jié)構(gòu)。提供豐富的信號(hào)處理IP 核，可完成逐點(diǎn)信號(hào)生成、時(shí)域/頻譜分析、濾波、曲線擬合、線性代數(shù)、數(shù)組/ 矢量操作等功能。提供二進(jìn)制和文本文件I/O，可進(jìn)行內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)存取。

2.2 LabVIEW FPGA 開發(fā)環(huán)境

LabVIEW FPGA 開發(fā)環(huán)境通過(guò)圖形化編程配置目標(biāo)FPGA邏輯映射，創(chuàng)建自定義硬件I/O 接口。通過(guò)LabVIEW FPGA 軟件接口，可實(shí)現(xiàn)與實(shí)時(shí)控制器或上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信、中斷同步、數(shù)據(jù)緩存和內(nèi)存讀寫。采用40 MHz FPGA 時(shí)基（25 ns 間隔）的執(zhí)行定時(shí)、觸發(fā)和自定義循環(huán)控制、實(shí)現(xiàn)確定可靠的硬件決策。

3 氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)方法

以虛擬儀器NI CompactRIO控制和采集模塊作為控制核心模塊的氣動(dòng)控制綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用了模塊式設(shè)計(jì)，學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)需要選擇氣動(dòng)元件和執(zhí)行元件，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行模塊組合并完成各種氣動(dòng)回路的搭建和控制，自主完成一系列實(shí)驗(yàn)。

3.1 氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理

氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)包括氣缸的換向回路、壓力元件的響應(yīng)時(shí)間特性關(guān)系等的研究性實(shí)驗(yàn)等。例如：“基于LabVIEW的帶位移傳感器的氣缸循環(huán)運(yùn)作控制程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)”的氣動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其硬件控制功能由虛擬儀器NI CompactRIO主控模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)壓力傳感器，運(yùn)用反饋過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，控制電磁氣閥的狀態(tài)對(duì)氣缸進(jìn)行充、放氣操作，進(jìn)而控制氣缸的壓力。而控制軟件是通過(guò)LabVIEW高級(jí)語(yǔ)言根據(jù)一定的控制算法進(jìn)行編程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，該程序設(shè)計(jì)的目的主要是控制氣缸在實(shí)際的運(yùn)作中能夠智能的來(lái)回循環(huán)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)控制氣缸中的壓力能夠穩(wěn)定在某一個(gè)理想的壓力值上，這個(gè)研究?jī)?nèi)容在目前氣動(dòng)控制領(lǐng)域中，仍是一個(gè)比較難解決的研究?jī)?nèi)容。而這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的好壞對(duì)氣動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如氣動(dòng)機(jī)器臂等）的工作穩(wěn)定性、精確度等有直接影響。具有十分重要的意義。

3.2 氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

與傳統(tǒng)的機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備相比，本系統(tǒng)平臺(tái)具有很多優(yōu)勢(shì)。首先，隨著現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改革，許多實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法越來(lái)越離不開計(jì)算機(jī)的參與。本系統(tǒng)平臺(tái)就是為了適應(yīng)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展的需要，同時(shí)選用了美國(guó)國(guó)家家儀器公司的虛擬儀器NI CompactRIO控制和采集模塊作為控制核心模塊而研制的。與傳統(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)的儀器設(shè)備相比，它更加緊湊、堅(jiān)固，而且工作溫度范圍大，以及非常低的功率消耗。這樣就擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)低效的劣勢(shì)，促進(jìn)了教學(xué)事業(yè)的發(fā)展。

例如，為了控制氣缸在實(shí)際的運(yùn)作中能夠智能的來(lái)回循環(huán)運(yùn)作，必須解決在電磁閥在什么時(shí)刻換向。為此，設(shè)計(jì)方法是采用程序定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)電磁閥的換向操作。即預(yù)先計(jì)算出氣缸的單行程時(shí)間，作為定時(shí)器的輸入，來(lái)控制電磁閥的定時(shí)開啟和關(guān)閉進(jìn)而控制氣缸的正反行程運(yùn)動(dòng)。

同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法還包括，在初始設(shè)置完畢之后，氣缸會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，在同奇次或同偶次定時(shí)次數(shù)的狀態(tài)下，電磁開關(guān)的狀態(tài)應(yīng)該是一樣的，因此，直接運(yùn)用了循環(huán)次數(shù)i除2取余的余數(shù)作為case結(jié)構(gòu)中的條件。 另外，為了減少程序的執(zhí)行量，提高效率，定時(shí)部分應(yīng)該放在while循環(huán)結(jié)構(gòu)的外面。

參考文獻(xiàn)

[1] 周燦豐，林順英.基于虛擬儀器平臺(tái)的全數(shù)字自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)儀器研制[J].北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004.12（2）：5-8.

[2] 馬志艷，閔華松.虛擬儀器平臺(tái)軟件開發(fā)中的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002.25（2）：138-141.

[3] 夏鍇，楊增寶.基于LabVIEW讀取串口數(shù)據(jù)技術(shù)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012.34（19）：21-22.