基于LabVIEW與PLC通信的電液伺服振動臺PDF控制

鄢華林，祁圣民，張鵬，李亞南

(江蘇科技大學，江蘇鎮(zhèn)江212003)

電液伺服振動臺是一種重要的實驗設備，它廣泛應用于航天、汽車、建筑等許多重要工業(yè)領域。將實驗對象固定在實驗臺上，通過模擬試件受載時的情況，來研究載荷對試件的影響、分析試件的可靠性或者研究減震系統(tǒng)的性能?？刂破髯鳛殡娨核欧駝优_的控制核心顯得非常重要。通過利用ActiveX 技術使PLC 與LabVIEW 通信來實現(xiàn)對電液伺服臺的控制，該控制系統(tǒng)的控制方式為PDF 控制，通過得出的試驗曲線，可突出PDF 控制方式在液壓伺服振動臺應用中的優(yōu)越性。

1 控制系統(tǒng)原理簡介

1.1 控制系統(tǒng)的構成

該試驗臺為一維單缸電液伺服振動臺，主要是實現(xiàn)對液壓缸的位置控制，如圖1所示是該系統(tǒng)的工作流程圖。

該系統(tǒng)主要由PC、編碼器、PLC、D/A 模塊、功率放大器、伺服閥、液壓缸等組成。使用ActiveX技術保證LabVIEW 與PLC 進行正常通信，將PC 中的LabVIEW 作為參考量輸入元件即指令元件，編碼器作為測量反饋元件，PLC 作為控制器即比較元件，D/A 模塊為數(shù)模轉換裝置。該控制系統(tǒng)將LabVIEW作為上位機與PLC 進行通信，從LabVIEW 中輸入設定值信號，經過編寫的PLC 程序進行邏輯運算，將處理后的數(shù)據(jù)送給D/A 模塊，經過功率放大器后將信號傳輸給伺服閥來控制液壓缸動作，液壓缸的實際位置由編碼器采集并將數(shù)據(jù)反饋給PLC。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

1.2 電液伺服振動臺PDF 控制原理

負載流量線性化方程:

式中:qL為負載流量;Kq為流量增益;xV為滑閥位移;Kc為流量壓力系數(shù);pL為負載壓力。

流量連續(xù)性方程:

式中:AP為液壓缸活塞有效面積;xP為活塞位移;CtP為液壓缸總泄漏系數(shù);Vt為總壓縮體積;βe 為有效體積彈性模量。

忽略閥腔和管道總容積和油液的壓縮性，將式(2)簡化為:

液壓缸活塞的動力學平衡方程:

式中:mt為活塞及負載折算到活塞上的總質量;BP為活塞及負載的黏性阻尼系數(shù);FL為作用在活塞上的任意外負載力。

缸輸出位移對伺服閥輸入電信號的傳遞函數(shù):

所以:

由式(6)可知此系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 微分反饋控制方框圖

圖3 偽微分反饋控制方框圖

從圖2 中可看出對輸出信號C 微分經過積分環(huán)節(jié)之后仍是C，這就說明沒有必要對輸出信號C 進行微分，可更改圖2 為圖3。

2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法

用PLC 編寫PDF 程序的原理與數(shù)字PID 的原理相似，積分實際上是偏差累積的過程即，積分原理圖如圖4所示。

圖4 PLC 積分編程原理

編程之前先用區(qū)間復位指令對D0 與D5 兩個寄存器進行復位操作，隨后將偏差值付給D0，再將D0與D5 相加，加完后的值再賦給D5，并用D5 的當前值與更新的偏差值相加，這樣便實現(xiàn)了偏差的累積。微分實際上是kd2×［C(k)－C(k－1)］，即是一個逐步相減的過程。原理與積分相類似，這里不再贅述。根據(jù)此原理編寫好PLC 程序后再編寫LabVIEW 程序，實現(xiàn)LabVIEW 與PLC 通信，該控制系統(tǒng)在通信時借助于ActiveX 技術，使用LabVIEW 中的ActiveX 容器調用與PLC 通信的MX component 插件來實現(xiàn)兩者之間的通信。利用LabVIEW 中的“調用節(jié)點”可以實現(xiàn)對PLC 中的寄存器進行賦值，同樣也可以用“調用節(jié)點”對PLC 中的輸入繼電器進行置位。該系統(tǒng)通信時，主要是為了能夠將值通過LabVIEW 輸入到對應的寄存器中，并且能夠將處理后的值讀出來并將其以圖表的形式反映在LabVIEW 前面板上，方便用戶實時觀察被控對象的運動情況。此外，設置在LabVIEW 前面板上的布爾控件能夠對PLC 中的繼電器實現(xiàn)控制，以保證程序的正常運轉。LabVIEW “調用節(jié)點”工作原理圖如圖5所示。

圖5 LabVIEW“調用節(jié)點”工作原理圖

如圖6所示為LabVIEW 程序，液壓伺服振動臺需要正弦激勵，此系統(tǒng)使用“Create Analog Signal”VI 來產生正弦信號，將信號換算成對應的位移值后把值傳給對應的寄存器中。LabVIEW 前面板如圖7所示。

圖6 LabVIEW 程序

圖7 LabVIEW 前面板

通過指示燈的閃爍來判斷LabVIEW 與PLC 是否通信成功，雙擊“Create Analog Signal”VI 設定好振幅與頻率后，將程序切換到前面板，將PLC 切換到“run”，點擊LabVIEW 前面板上的“按鈕”便可進行系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

3 實驗與總結

從該伺服控制系統(tǒng)的輸出微分方程可以看出，微分方程右邊只有一個強迫項，被控變量對參考輸入具有很好的跟蹤能力;因為微分運算會帶來“噪聲”問題，工程上應盡量避免對信號進行微分。該電液伺服振動臺控制系統(tǒng)在前向通道中雖然沒有對被控變量液壓缸的位移取微分，但在反饋回路中已實現(xiàn)對位移的微分運算。也就是說在控制過程中不僅實現(xiàn)了直線位移反饋，也實現(xiàn)了線速度反饋，因而伺服控制性能明顯提高。實驗測得曲線如圖8所示。

圖8 實驗效果圖

該控制系統(tǒng)使用的是工業(yè)領域常用的PC + PLC控制模式，它以PLC 為核心控制器，由PC 完成對PLC 上傳數(shù)據(jù)的顯示、保存、報警等任務，并能更改數(shù)據(jù)來控制PLC，既利用了PLC 控制精度好、可靠性高、抗干擾能力強的優(yōu)點，又充分使用了PC 強大的數(shù)據(jù)處理能力與良好的可視化界面。此系統(tǒng)適用于低頻液壓系統(tǒng)，具有控制方便、可靠、開放的特點。該系統(tǒng)已經在實驗中得到應用，性能可靠。

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