基于LabVIEW的液壓伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊帆　楊慧斌　林鏗　汪潔

摘要：研究利用LabVIEW作為開發(fā)工具以及帶有模擬量輸出功能的數(shù)據(jù)采集卡，對博世力士樂液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的伺服液壓缸進(jìn)行PID閉環(huán)控制，從而對液壓缸進(jìn)行精確定位。設(shè)計(jì)了液壓伺服系統(tǒng)的控制電路、液壓回路，在LabVIEW中編寫了PID算法，并利用波形圖表對系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；反饋；PID；液壓伺服

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.07.099

0 引言

液壓比例及伺服控制系統(tǒng)是液壓系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，廣泛應(yīng)用于用機(jī)器人、制造業(yè)、軍事等多領(lǐng)域。傳統(tǒng)的方法無法實(shí)現(xiàn)高精度的液壓位置伺服控制的問題，本文介紹的是利用博世液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的比例閥、液壓缸，使用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW軟件進(jìn)行閉環(huán)控制，從而對液壓缸進(jìn)行精確定位，在博世液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)基于LabVIEW的液壓伺服控制。

1 液壓伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 液壓伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

具有模擬量輸出功能的數(shù)據(jù)采集卡安裝到PC機(jī)中，使用LabVIEW軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集液壓伺服系統(tǒng)的相關(guān)信號，隨后使用LabVIEW的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真模塊開發(fā)的PID控制算法對液壓伺服系統(tǒng)進(jìn)行位置控制，得出的控制量通過模擬量輸出端口輸出控制比例閥，從而實(shí)現(xiàn)對位置的控制，如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

本文中的數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用NA-TIONAL INSTRUMENTS多功能I/O采集卡NIPXIe-6361，配備配有交流的8槽3UPXIExpress機(jī)箱。

1.3 液壓缸的選擇

液壓缸選用博世力士樂實(shí)驗(yàn)臺(tái)中帶位置反饋的伺服液壓缸，其主要參數(shù)，輸出參數(shù)：模擬；測量范圍25～7620mm；分辨率：0.1m；非線性度：滿量程的±0.02%或0.05；滯后：<0.02mm；電源：+13.5～26.4V；工作壓力：靜態(tài)：5000psi，峰值：10000psi。

1.4 控制元件的選擇

比例換向閥選用Rexroth公司的換向閥，型號MNR：R900954072，參數(shù)為：最大壓力P_max=12MPa=120bar，T=5MPa=50bar，信號范圍U_W=±10V，電壓為U=24VDC。

1.5 液壓伺服控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

首先對實(shí)物進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)，把開關(guān)、兩個(gè)數(shù)字表、滑動(dòng)變阻器等連接起來，用以控制液壓缸的移動(dòng)和油的壓力；其次設(shè)計(jì)液壓回路，把數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與比例換向閥和滑動(dòng)變阻器電源輸入端相連，再連接換向閥、泵和油箱。

電路圖連接說明：數(shù)據(jù)采集卡A01及AOGND輸出端口接到滑動(dòng)變阻器（位置傳感器）的兩端，A00及AOGND輸出端口接到換向閥C和D端口，A10輸入端口接到滑動(dòng)變阻器（位置傳感器）的輸出端口，如圖2所示。

1.6 液壓回路圖的搭建

液壓缸為執(zhí)行元件，壓力油量為輸入量，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度或位移是輸出量。與液壓缸相連的滑動(dòng)變阻器用于判定液壓缸的位置，構(gòu)成反饋控制。如上所述，可以得到如圖3中所示的液壓回路圖。2數(shù)據(jù)采集過程

對于本液壓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，電位器兩端電壓是一個(gè)固定值10V，由一個(gè)模擬量輸出口恒定給出，輸出端即可輸出0-10V電壓，代表了液壓缸的當(dāng)前位置，將系統(tǒng)液壓缸位移信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡所能識(shí)別的電壓信號，這樣就對系統(tǒng)中的信號進(jìn)行采集，如圖4所示。

在計(jì)算機(jī)中安裝數(shù)據(jù)采集卡，安裝完成后就可以在LabVIEW軟件中對數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。軟件編程后就可以在計(jì)算機(jī)機(jī)上讀出所采集的數(shù)據(jù)了。位移信號通過采集面板上的A10端口進(jìn)入到數(shù)據(jù)采集卡，通過程序在計(jì)算機(jī)機(jī)上顯示出來。

3 LabVIEW程序設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試

3.1 數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)

利用LabVIEW2012，新建一個(gè)空白VI，右鍵程序框圖面板，在輸入中選擇DAQ助手，在DAQ助手中選擇采集信號，再選擇模擬輸入單機(jī)電壓。由于將要采集的參數(shù)，是位置傳感器的電壓值，所以選擇一個(gè)接口A10。完成之后，在右側(cè)的輸入范圍中選擇模擬電壓的范圍，設(shè)定參數(shù)之后，單擊OK即可。隨后，在前面板上再添加一個(gè)波形圖表，用于監(jiān)控輸入信號（當(dāng)前值）、給定信號（給定值）以及輸出信號（控制量）。

3.2 數(shù)據(jù)輸出控制部分設(shè)計(jì)

同樣右鍵程序框圖面板，再次選擇DAQ助手，在DAQ助手中選擇生成信號，再選擇模擬輸出電壓。分別為接口AOO和A01，選擇模擬電壓的范圍，設(shè)定參數(shù)之后，單擊OK即可。

從程序框圖選擇PID，從控制設(shè)計(jì)與仿真中選擇PID.vi。在后面板雙擊PID，則前面板會(huì)顯示PID參數(shù)；再依次在dt（S）、reinitialize（F）、outputrange等各點(diǎn)設(shè)置參數(shù)。

把采集和生成的電壓信號和DAQ助手分別與PID連接起來，再將PID放入一個(gè)循環(huán)中，得到了整個(gè)系統(tǒng)的程序框圖，如圖5所示。

3.3 系統(tǒng)調(diào)試

以液壓缸位移（滑動(dòng)變阻器兩端電壓）的數(shù)據(jù)采集和控制為例，滑動(dòng)變阻器用數(shù)據(jù)采集卡A01端口輸出恒定為10V的電源，PID控制器輸出范圍outputrange設(shè)置為-10V-+10V與滑動(dòng)變阻器兩端電源電壓范圍相同。

先隨機(jī)設(shè)置PIDgains參數(shù)，比例增益（K_c）系數(shù)2，積分時(shí)間（T_i）為0.01，微分時(shí)間（T_d）為0，給定電壓AO0為5.14V，打開電源和開關(guān)，點(diǎn)擊運(yùn)行，進(jìn)行調(diào)試，液壓缸位置相對應(yīng)的滑動(dòng)變阻器電壓為5.36V，如圖6所示。

如圖6所示響應(yīng)曲線超調(diào)量太大，應(yīng)該減小比例系數(shù)使得響應(yīng)的超調(diào)量減小，所以減小比例增益（K_c）系數(shù)為1，給定電壓AO0為7.29V，液壓缸位置相對應(yīng)的滑動(dòng)變阻器電壓為7.2V，如圖7所示。

如圖7所示響應(yīng)曲線超調(diào)量太大，且積分時(shí)間太長導(dǎo)致響應(yīng)無法平穩(wěn)，應(yīng)該適當(dāng)減小比例系數(shù)使得響應(yīng)的超調(diào)量減小，以及減小積分時(shí)間。所以減小比例增益（K_c）系數(shù)為0.9，積分時(shí)間（T_i）為O.005，給定電壓A00為4.11V，液壓缸位置相對應(yīng)的滑動(dòng)阻器電壓為4.18V。如圖8所示，為較為理想的響應(yīng)曲線。

4 結(jié)束語

本文主要研究了基于LabVIEW和閉環(huán)控制的液壓伺服系統(tǒng)，并在博世力士樂液壓平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，利用LabVIEW平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)高精度液壓位置伺服控制，為將來的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。