基于虛擬儀器的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王 波，王 濤，金 英

（北京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100081）

氣動(dòng)技術(shù)是以空氣壓縮機(jī)為動(dòng)力源、以壓縮空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞或信號(hào)傳遞的工程技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一[1－2]。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和控制理論的不斷完善，氣動(dòng)伺服技術(shù)特別是氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)，以其節(jié)能、無(wú)污染、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、系統(tǒng)安全可靠、適應(yīng)范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，滲透到工業(yè)領(lǐng)域各部門，在工業(yè)發(fā)展中占有十分重要的地位[3－5]。

北京理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)是以電為主，集機(jī)、電、液、氣控制為一體，軍民結(jié)合，突出實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的國(guó)家級(jí)特色專業(yè)[6]。為了更好地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)，與“流體傳動(dòng)與控制基礎(chǔ)”北京市精品課程相配套，設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)本科生、研究生開(kāi)設(shè)了一系列實(shí)驗(yàn)選修課程。

1 虛擬儀器簡(jiǎn)介

虛擬儀器技術(shù)是由美國(guó)國(guó)家儀器公司（National Instruments，NI）在1986年提出的一種構(gòu)成儀器系統(tǒng)的新概念，其基本思想是：用計(jì)算機(jī)資源取代傳統(tǒng)儀器中的輸入、處理和輸出等部分，實(shí)現(xiàn)儀器硬件核心部分的模塊化和最小化，用計(jì)算機(jī)軟件和儀器軟面板實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)量和控制功能[7]。虛擬儀器通過(guò)應(yīng)用軟件將計(jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來(lái)，將傳統(tǒng)儀器的功能模塊化和軟件化，以達(dá)到自動(dòng)測(cè)試分析的目的。用戶可以通過(guò)圖形化界面，輕松地完成儀器的啟動(dòng)、運(yùn)行和結(jié)束，以及對(duì)被測(cè)試對(duì)象的數(shù)據(jù)采集、分析、顯示、故障診斷、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)通信以及控制輸出等功能[8]。

2 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由氣動(dòng)回路和數(shù)據(jù)采集與控制回路兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖分別如圖1和圖2所示，主要元件的型號(hào)見(jiàn)表1。氣動(dòng)回路主要由氣源、電磁閥、比例閥、壓力傳感器、氣缸等組成；數(shù)據(jù)采集與控制回路以PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡為核心，由位移傳感器、力傳感器、加速度傳感器和相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路等組成。

圖2 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物圖

表1 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要元件組成

表1 （續(xù)）

PC機(jī)采用DELL的OptiPlex 780。數(shù)據(jù)采集卡采用美國(guó)NI公司的PCI6229多功能數(shù)據(jù)采集卡。PCI6229具有模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字I／O、計(jì)數(shù)器I／O等功能。模擬輸入通道有單端輸入32路、差分輸入16路，分辨率為16位，最大采樣率為250kS／s。模擬輸出通道有4路，數(shù)據(jù)更新率為每通道625kS／s。數(shù)字I／O有48路，有2個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器，分辨率為32位，內(nèi)部時(shí)鐘頻率為80MHz。該板卡的模擬輸入、模擬輸出電壓的最大范圍均為±10V[9]。

2.2 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

雷尼紹光柵尺的輸出信號(hào)為差分信號(hào)，而PCI6229計(jì)數(shù)器的輸入端只能接收單端信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路將光柵尺的輸出差分信號(hào)A＋、A－、B＋、B－、Z＋、Z－轉(zhuǎn)換為PCI6229計(jì)數(shù)器可以 接收的單端信號(hào)A、B、Z，所設(shè)計(jì)的電路如圖3所示。

3 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是運(yùn)行在Windows XP操作系統(tǒng)下的圖形化編程軟件LabVIEW。LabVIEW是美國(guó)NI公司推出的一種圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成環(huán)境，使用“所見(jiàn)即所得”的可視化技術(shù)建立人機(jī)界面，使用大多數(shù)工程師所熟悉的數(shù)據(jù)流程圖式的語(yǔ)言編寫(xiě)程序，是目前常用的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)[10]。

NI公司開(kāi)發(fā)了兩套NI-DAQ（data acquisition，數(shù)據(jù)采集）驅(qū)動(dòng)程序：Traditional NI-DAQ 和 NIDAQmx。PCI6229數(shù)據(jù)采集卡是基于計(jì)算機(jī)PCI總線技術(shù)，屬于M系列卡，只支持NI-DAQmx的數(shù)據(jù)采集方法。與Traditional NI-DAQ相比，NI-DAQmx有許多突出的新特性，比如：能更輕松地添加DAQ應(yīng)用程序編程接口（API）的新特性和新設(shè)備，更有效的多線程數(shù)據(jù)采集，提高了數(shù)據(jù)采集性能，提高了驅(qū)動(dòng)性能和可靠性，更便利的使用方式等[11]。如圖4所示，DAQ Assistant是一個(gè)圖形化的界面，用于交互式地創(chuàng)建、編輯和運(yùn)行 NI-DAQmx虛擬通道和任務(wù)[12]。一個(gè)NI-DAQmx任務(wù)是虛擬通道、定時(shí)和觸發(fā)信息，以及其他與采集或生成相關(guān)屬性的組合。

3.2 系統(tǒng)軟件功能框圖

系統(tǒng)軟件的編寫(xiě)采用模塊化的編程思想，系統(tǒng)軟件功能框圖見(jiàn)圖5。

圖5 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件功能框圖

（1）數(shù)據(jù)采集子模塊。包括氣缸輸出力、氣缸運(yùn)動(dòng)加速度、氣缸左右兩腔的壓力值4路模擬輸入信號(hào)和氣缸位置1路計(jì)數(shù)器輸入信號(hào)。

（2）參考信號(hào)生成子模塊。用于產(chǎn)生任意的給定參考信號(hào)。

（3）信號(hào)輸出子模塊。包括用于控制2個(gè)電氣比例閥的2路模擬輸出信號(hào)和用于控制2個(gè)電磁閥的2路數(shù)字輸出信號(hào)。

（4）信號(hào)處理子模塊。通過(guò)采樣得到的數(shù)值，結(jié)合給定參考信號(hào)，通過(guò)一定的控制算法，得到所需要的控制量的值。

（5）圖形化操作與顯示子模塊。利用LabVIEW豐富的界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，主要包括：測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示，給定參考信號(hào)參數(shù)的設(shè)定，控制算法中參數(shù)的設(shè)定等。

（6）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子模塊。實(shí)現(xiàn)將測(cè)量的數(shù)據(jù)保存為文件。

3.3 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

4 氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能介紹

4.1 基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要面向大學(xué)三年級(jí)的學(xué)生開(kāi)設(shè)選修實(shí)驗(yàn)課，也可作為本科畢業(yè)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。主要的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)如下：

（1）氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)PID控制器的設(shè)計(jì)；

（2）氣動(dòng)位置伺服系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)；

（3）氣動(dòng)力伺服系統(tǒng)PID控制器的設(shè)計(jì)；

（4）氣動(dòng)力伺服系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計(jì)。

主要是讓學(xué)生在熟悉氣動(dòng)伺服系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW軟件中提供的PID工具包和模糊邏輯工具包進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，使學(xué)生對(duì)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的理解和掌握。

4.2 綜合研究性實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要面對(duì)碩士研究生、博士研究生開(kāi)設(shè)的“控制科學(xué)實(shí)踐”選修實(shí)驗(yàn)課，也可作為研究生的研究課題進(jìn)行深入研究。主要的綜合研究實(shí)驗(yàn)如下：

（1）氣動(dòng)伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究；

（2）氣動(dòng)伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的研究；

（3）氣動(dòng)力／位置復(fù)合伺服系統(tǒng)的研究。

主要是讓研究生在熟悉氣動(dòng)伺服系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行氣動(dòng)伺服系統(tǒng)復(fù)雜控制理論與先進(jìn)控制算法的實(shí)驗(yàn)研究，使學(xué)生對(duì)氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有較深入的理解和掌握。

5 結(jié)束語(yǔ)

氣動(dòng)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用模塊化結(jié)構(gòu)，針對(duì)性強(qiáng)，具有可擴(kuò)展性和開(kāi)放性，可以完成基礎(chǔ)教學(xué)、應(yīng)用和科研等多個(gè)方面的研究。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于學(xué)生全面了解氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的工作原理及其應(yīng)用技術(shù)，不僅增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，使學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的基本理論、基本技能得到綜合訓(xùn)練和提高，而且有利于學(xué)生拓展視野，學(xué)習(xí)新技術(shù)、新手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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