基于LabVIEW的液壓試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)

楊 濤，楠 丁，侯守全

(1．內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，呼和浩特 010051；2．內(nèi)蒙古液壓技術(shù)研究所，呼和浩特 010051)

0 引言

液壓傳動(dòng)主要是利用液體壓力能來傳遞能量[1]。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)一般具有結(jié)構(gòu)輕巧、傳動(dòng)比大、運(yùn)行平穩(wěn)、易于實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速及能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等眾多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域[2-3]。

文中研發(fā)了一套液壓試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)，通過電液比例閥控制管路流量，并通過3個(gè)氣動(dòng)球閥控制3個(gè)工作管路的啟閉。試驗(yàn)系統(tǒng)包括管路部分與測(cè)控部分，測(cè)控部分采用上位機(jī)—下位機(jī)控制模式，由上下位機(jī)共同構(gòu)成測(cè)控部分。基于該測(cè)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)如下具體功能：試驗(yàn)數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采集；液體流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)文件自動(dòng)創(chuàng)建與存儲(chǔ)，歷史數(shù)據(jù)的讀取與曲線的生成，一鍵生成歷史報(bào)表等。

測(cè)控系統(tǒng)選擇了LabVIEW作為其軟件載體。LabVIEW不僅可以作為一個(gè)開發(fā)平臺(tái)，應(yīng)用于一般的數(shù)據(jù)管理、科學(xué)計(jì)算等方面應(yīng)用程序的開發(fā)，其最大的優(yōu)勢(shì)還在于測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)。它不僅提供了幾乎所有經(jīng)典的信號(hào)處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級(jí)信號(hào)分析工具，而且LabVIEW程序還非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成，可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信以及與大多數(shù)通用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫連接[4]。LabVIEW為先進(jìn)的測(cè)試與儀器軟件提供了最佳的開發(fā)平臺(tái)，它已經(jīng)成為圖形化編程語言的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]?；贚abVIEW開發(fā)的測(cè)控系統(tǒng)，在科研與工程的各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 測(cè)控系統(tǒng)的技術(shù)要求與設(shè)計(jì)思路

1．1硬件技術(shù)要求與配置

在信息科技高速發(fā)展的今天，通過采集硬件已能滿足并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)高速采集，并且相關(guān)功能的產(chǎn)品已經(jīng)大面積推廣到了市場(chǎng)上，用戶可以根據(jù)自己的需要方便地購買適合自己的產(chǎn)品。經(jīng)過仔細(xì)地篩選，選擇了PCI8603數(shù)據(jù)采集卡，承擔(dān)主要的測(cè)量控制任務(wù)。PCI8603數(shù)據(jù)采集卡是一款基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)的任一PCI插槽中，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)，也可構(gòu)成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。

該試驗(yàn)中，共需要用到AD輸入、DA輸出、DI輸入以及DO輸出功能。由于采集卡只識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，而傳感器輸出的信號(hào)通常是4～20 mA的小電流信號(hào)，所以，在傳感器與采集卡之間需要安裝一個(gè)信號(hào)調(diào)理設(shè)備，用以將小電流信號(hào)調(diào)理為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。該試驗(yàn)選用了16路調(diào)理接線端子板AI-IV16A，與PCI8603數(shù)據(jù)采集卡配套使用。其輸入信號(hào)為4～20 mA電流，輸出信號(hào)為0～5 V電壓，并且具備有源低通濾波屬性。試驗(yàn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1．2軟件設(shè)計(jì)思路

1．2．1 軟件框架的建立

基于測(cè)量控制系統(tǒng)的具體技術(shù)要求，首先要構(gòu)建測(cè)控系統(tǒng)的軟件框架。試驗(yàn)中，共需測(cè)量壓力、溫度、力、流量等參數(shù)，其中流量值要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)，形成一個(gè)閉環(huán)回路。在試驗(yàn)管路中需要放置3個(gè)氣動(dòng)球閥，同時(shí)為防止誤操作，三氣動(dòng)球閥要實(shí)現(xiàn)互鎖控制，而這種互鎖控制要通過軟件來實(shí)現(xiàn)。這樣的要求對(duì)軟件的框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響。

在LabVIEW中，程序結(jié)構(gòu)的靈活應(yīng)用至關(guān)重要，程序框架的建立與結(jié)構(gòu)的選擇密切相關(guān)。為此，LabVIEW提供了豐富的結(jié)構(gòu)類型，例如：順序結(jié)構(gòu)、條件結(jié)構(gòu)、事件結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、定時(shí)結(jié)構(gòu)等。根據(jù)該試驗(yàn)的具體操作流程，嘗試?yán)檬录Y(jié)構(gòu)做框架，再嵌套入循環(huán)結(jié)構(gòu)的思想來完成軟件框架的建立，但最后以失敗告終，原因是，當(dāng)事件結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌套入循環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，循環(huán)結(jié)構(gòu)無法跳出，會(huì)形成死循環(huán)，從而使采集過程無法停止，最終導(dǎo)致程序崩潰。因此，采用了平鋪式順序結(jié)構(gòu)作為最外層結(jié)構(gòu)，將while循環(huán)結(jié)構(gòu)嵌套入其中。在while循環(huán)中，并列安排若干個(gè)條件結(jié)構(gòu)，并利用布爾型按鈕分別控制其實(shí)現(xiàn)條件。在一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)的“真”條件框圖中，分別建立3個(gè)布爾型按鈕的屬性節(jié)點(diǎn)?？蚣艿木唧w結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)軟件框架示意圖

最外層平鋪式順序結(jié)構(gòu)的第一幀內(nèi)容用來初始化各按鈕的狀態(tài)以及啟用情況。在第二幀中，將整個(gè)系統(tǒng)的程序框圖置于一個(gè)while循環(huán)中，其停止條件按鈕命名為“停止系統(tǒng)”，條件成立時(shí)跳出循環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)停止工作。最上方3個(gè)條件結(jié)構(gòu)分別由3個(gè)布爾開關(guān)控制其實(shí)現(xiàn)條件，“假”條件框圖內(nèi)沒有執(zhí)行程序，“真”條件框圖內(nèi)分別建立其余2個(gè)布爾開關(guān)的屬性節(jié)點(diǎn)，屬性節(jié)點(diǎn)類型為“禁用”。當(dāng)其中一個(gè)按鈕按下時(shí)，條件結(jié)構(gòu)內(nèi)的程序就會(huì)執(zhí)行，將另外2個(gè)按鈕“禁用并變灰”。同時(shí)建立一個(gè)“復(fù)位”條件結(jié)構(gòu)，其“真”條件中，首先創(chuàng)建3個(gè)按鈕的屬性節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)類型分別為“值”和“禁用”。再將3個(gè)“值”屬性節(jié)點(diǎn)放入順序結(jié)構(gòu)的第一幀中，3個(gè)“禁用”屬性節(jié)點(diǎn)放入第二幀。這樣便可以通過單擊復(fù)位按鈕解除其余兩個(gè)按鈕的禁用狀態(tài)，同時(shí)將其值回復(fù)到初始狀態(tài)。因?yàn)?個(gè)按鈕并列存在于循環(huán)結(jié)構(gòu)中，所以CPU會(huì)循環(huán)地掃描按鈕的狀態(tài)，從而可以隨時(shí)執(zhí)行氣動(dòng)球閥的開關(guān)命令，最終實(shí)現(xiàn)三按鈕互鎖的功能。

圖2僅是軟件框架的示意圖，圖中省略了大部分程序框圖的內(nèi)容，只保留了能夠闡明系統(tǒng)框架的部分。程序框架的設(shè)計(jì)思路對(duì)整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)的建立起著至關(guān)重要的作用，并為其他各模塊功能的實(shí)現(xiàn)提供了有力地支撐，后續(xù)功能的實(shí)現(xiàn)只需要在框架中的對(duì)應(yīng)位置分別填充進(jìn)去即可。

1．2．2 其余部分的建立

測(cè)量控制系統(tǒng)其余部分要以軟件的框架為基礎(chǔ)，分別嵌入在框架的各部分中。其中包括以下內(nèi)容：

(1)為試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)立急停按鈕，并將急停按鈕的操作權(quán)限設(shè)置為最高。

(2)創(chuàng)建試驗(yàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)采集與處理功能，并能夠自動(dòng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)記錄文件。

(3)設(shè)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的讀取與回放功能。在試驗(yàn)完成后，主要的工作是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，并觀察試驗(yàn)數(shù)據(jù)的圖形曲線。曲線以時(shí)間為橫軸，分別顯示整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間段內(nèi)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)曲線。

(4)建立一鍵生成歷史報(bào)表功能。

2 數(shù)據(jù)連續(xù)采集與PID調(diào)節(jié)部分的程序設(shè)計(jì)

在測(cè)量控制系統(tǒng)中，測(cè)量控制任務(wù)的執(zhí)行者是若干硬件設(shè)備，但操作人員是通過操作計(jì)算機(jī)完成試驗(yàn)過程的，因此，在計(jì)算機(jī)與硬件設(shè)備之間都有與之相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序存在，他們起著“橋梁”的作用，用來溝通計(jì)算機(jī)與硬件設(shè)備。在進(jìn)行編程時(shí)，可以方便地調(diào)用這些驅(qū)動(dòng)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。需要指出的是，PCI8603的驅(qū)動(dòng)接口均屬于外掛式驅(qū)動(dòng)接口，它是通過LabVIEW的Call Larbrary Function功能模塊實(shí)現(xiàn)的。他的特點(diǎn)是除了自身的語法略有不同以外，每一個(gè)基于LabVIEW的驅(qū)動(dòng)圖標(biāo)與Visual C++、Visual Basic、Delphi等語言中的每個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)是一一對(duì)應(yīng)的，其調(diào)用流程和功能是完全相同的。

由于驅(qū)動(dòng)程序采用面向?qū)ο蟮木幊?，所以要使用設(shè)備的一切功能，就必須首先使用CreatDevice函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備對(duì)象句柄hDevice。有了這個(gè)句柄，就擁有了對(duì)該設(shè)備的絕對(duì)控制權(quán)，然后將此句柄作為參數(shù)傳遞給相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)即可。

試驗(yàn)中將要用到很多驅(qū)動(dòng)函數(shù)接口，現(xiàn)將其圖標(biāo)與功能列舉如下，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)函數(shù)圖標(biāo)示意圖

CreatDevice函數(shù)：該函數(shù)使用邏輯號(hào)創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象，并返回其設(shè)備對(duì)象的句柄hDevice。

InitDeviceAD函數(shù)：它負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對(duì)象中的AD部件，為設(shè)備的操作就緒做有關(guān)的準(zhǔn)備工作，如預(yù)置AD采集通道、采樣頻率等。

StartDeviceAD函數(shù)：?jiǎn)?dòng)AD設(shè)備。

InitDeviceDA函數(shù)：它負(fù)責(zé)初始化設(shè)備對(duì)象中的DA部件。

ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)：使用FIFO的非空標(biāo)志讀取AD數(shù)據(jù)到用戶緩沖區(qū)。

WriteDeviceOneDA函數(shù)：DA單點(diǎn)輸出函數(shù)，通過DA通道以單點(diǎn)的形式輸出指定的電壓值。

EnableDeviceDA函數(shù)：?jiǎn)?dòng)DA設(shè)備。

SetDeviceTrigDA函數(shù)：在指定通道被啟動(dòng)后，可由此函數(shù)以軟件產(chǎn)生觸發(fā)事件。

DisableDeviceDA函數(shù)：暫停DA設(shè)備。

ReleaseDeviceDA函數(shù)：釋放掉設(shè)備上的DA部件。

StopDeviceAD函數(shù)：暫停AD設(shè)備。

ReleaseDeviceAD函數(shù)：釋放設(shè)備上的AD部件。

ReleaseDevice函數(shù)：釋放設(shè)備對(duì)象所占有的系統(tǒng)資源及設(shè)備對(duì)象自身。

應(yīng)該注意的是，CreatDevice函數(shù)必須和ReleaseDevice函數(shù)一一對(duì)應(yīng)，即當(dāng)執(zhí)行了一次CreatDevice函數(shù)后，再一次執(zhí)行這些函數(shù)前，必須執(zhí)行一次ReleaseDevice函數(shù)，以釋放掉CreatDevice函數(shù)占用的系統(tǒng)軟硬件資源。只有這樣，當(dāng)再次調(diào)用CreatDevice函數(shù)時(shí)，那些軟硬件資源才可被再次使用。

在利用LabVIEW編程時(shí)，最大的難點(diǎn)在于流量的閉環(huán)控制，比例流量閥流量輸出公式如下：

(1)

式中：q為通過閥口的流量值；Cd為閥口的流量系數(shù)，紊流時(shí)近似為常數(shù)；ω為矩形節(jié)流閥口的面積梯度；Xv(i)為滑閥閥口的開度；ρ為流體的密度；Δp為閥口兩端的壓力差。

式中可見流量受滑閥的閥口開度、流體的密度以及閥口兩端的壓力差這3個(gè)參數(shù)的影響。3個(gè)參數(shù)中任意一個(gè)發(fā)生變化，都會(huì)帶來流量值的波動(dòng)。因此，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)比例流量閥的開度就顯得十分重要。

在工業(yè)過程控制中，PID控制的特點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性強(qiáng)。而且其應(yīng)用時(shí)期較長(zhǎng)，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)[6-8]。其輸入與輸出的關(guān)系如下：

(2)

式中：u為調(diào)節(jié)器輸出；e為誤差；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間；TD為微分時(shí)間。

將PID控制應(yīng)用到本試驗(yàn)的比例流量控制中，利用計(jì)算機(jī)程序處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的智能控制儀進(jìn)行PID計(jì)算，計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)后，通過輸出板卡和放大器輸送到執(zhí)行設(shè)備中，省去了智能控制儀，簡(jiǎn)化了設(shè)備，增強(qiáng)了設(shè)備的操作性，提高了控制的可靠性，也降低了成本[9]。

由于軟件框架已建立起來，數(shù)據(jù)連續(xù)高速采集模塊的程序框圖只需要嵌入到框架中的相應(yīng)位置中去即可。其對(duì)應(yīng)的位置就在框架中“開始采集”條件成立后的while循環(huán)里。

首先確定選用平鋪式順序結(jié)構(gòu)作為循環(huán)內(nèi)部的基本框架，根據(jù)不同函數(shù)接口的不同功能，分別在每一幀中添加對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。添加第一幀，將CreatDevice函數(shù)置于其中，創(chuàng)建設(shè)備對(duì)象的句柄hDevice。添加第二幀，放置InitDeviceAD函數(shù)與StartDeviceAD函數(shù)，用于初始化設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)并啟動(dòng)AD設(shè)備。在第二幀中還需要添加一個(gè)LabVIEW本身的“初始化數(shù)組”函數(shù)。這是因?yàn)椴杉^程需要在內(nèi)存中開辟出一定大小的空間作為用戶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來存放從板卡中讀入的數(shù)據(jù)。其大小不能小于ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)一次讀入數(shù)據(jù)的大小。在內(nèi)存中開辟的空間將作為參數(shù)輸入到ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)的參數(shù)入口中。添加第三幀，放置InitDeviceDA函數(shù)，初始化DA設(shè)備。添加第四幀，放置ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)，這一幀作為采集動(dòng)作執(zhí)行的關(guān)鍵一幀。添加第五幀，放置PID控制器與WriteDeviceOneDA函數(shù)，將PID控制器的輸出口與單點(diǎn)輸出函數(shù)的輸入口相連，這樣就可以實(shí)現(xiàn)流量值的自動(dòng)調(diào)節(jié)。其程序框圖見圖4。

圖4 PID控制器與單點(diǎn)輸出函數(shù)

后面的程序框圖，則按照流程順序分別放置EnableDeviceDA函數(shù)、SetDeviceTrigDA函數(shù)、DisableDeviceDA函數(shù)、ReleaseDeviceDA函數(shù)。到此處，循環(huán)內(nèi)的程序框圖已經(jīng)創(chuàng)建完畢，之后系統(tǒng)會(huì)循環(huán)執(zhí)行其中的程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)高速采集與流量的自動(dòng)調(diào)節(jié)。在循環(huán)之外，再分別放置StopDeviceAD函數(shù)、ReleaseDeviceAD函數(shù)，最后放置ReleaseDevice函數(shù)，釋放系統(tǒng)軟硬件資源，完成整個(gè)試驗(yàn)過程，停止系統(tǒng)。

3 測(cè)控實(shí)例

在壓力源壓力恒定，前端負(fù)載無變化的條件下，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)的流體介質(zhì)選擇了煤油，將流量控制目標(biāo)值設(shè)定為40 L/min，測(cè)控系統(tǒng)采集時(shí)間設(shè)定為12 s，即在12 s內(nèi)對(duì)管路流量進(jìn)行閉環(huán)控制，并且使流量值穩(wěn)定在40 L/min上下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量值。經(jīng)過PID參數(shù)整定，選取了一組合適的PID參數(shù)，得到了如圖5所示的測(cè)量控制效果：

圖5 系統(tǒng)試運(yùn)行的測(cè)量控制效果

圖5中的曲線是試驗(yàn)之后，在歷史數(shù)據(jù)讀取前面板上得到的。因?yàn)榱髁坑?jì)有一個(gè)最小測(cè)量值，當(dāng)實(shí)際流量小于最小測(cè)量值時(shí)，流量計(jì)讀數(shù)始終為零，因此曲線前一小段讀數(shù)為零?？梢钥吹搅髁恐祷痉€(wěn)定在目標(biāo)值上下，并在目標(biāo)值上下小幅調(diào)整。

4 結(jié)束語

在調(diào)試運(yùn)行的過程中，該系統(tǒng)運(yùn)行順暢，具有良好的數(shù)據(jù)采集與處理能力?？刂乒δ苤?，氣動(dòng)球閥動(dòng)作可靠，比例流量閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)準(zhǔn)確快速，為試驗(yàn)人員完成試驗(yàn)任務(wù)提供了有力的支持。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)具備三按鈕互鎖功能，使試驗(yàn)管路的球閥無法同時(shí)打開，防止誤操作，提高了系統(tǒng)安全性。

(2)對(duì)流量進(jìn)行了閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

(3)創(chuàng)建了歷史數(shù)據(jù)讀取與曲線生成功能，方便試驗(yàn)人員隨時(shí)觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。

(4)一鍵生成歷史報(bào)表，減少了不必要的重復(fù)勞動(dòng)。

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作者簡(jiǎn)介：楊濤(1960—)，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)電液一體化裝備設(shè)計(jì)與開發(fā)。E-mail：mcyys@imut．edu．cn