基于labview的壓力反饋和控制系統(tǒng)研究

秦永晉，付力揚(yáng)，郭亮

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽(yáng)，471003）

基于labview的壓力反饋和控制系統(tǒng)研究

秦永晉，付力揚(yáng)，郭亮

（洛陽(yáng)LYC軸承有限公司航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽(yáng)，471003）

在labview軟件環(huán)境下，本文設(shè)計(jì)了一種壓力反饋和控制系統(tǒng)。而該系統(tǒng)能夠利用模糊PID控制器實(shí)現(xiàn)氣缸壓力跟蹤和反饋，并通過(guò)控制氣動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)氣缸壓力精確調(diào)節(jié)，因此能夠滿足壓力反饋和控制要求。

labview；壓力反饋；壓力控制；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

在壓力反饋和調(diào)節(jié)控制方面，利用labview進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠提高壓力系統(tǒng)的壓力控制能力。作為由NI公司開(kāi)發(fā)的編程語(yǔ)言，labview可用于進(jìn)行虛擬儀器軟件的開(kāi)發(fā)。利用labview，不僅能夠使虛擬儀器的開(kāi)發(fā)周期得到縮短，也能使開(kāi)發(fā)得到產(chǎn)品質(zhì)量得到提高。而壓力的測(cè)量和控制有著較高的精度和響應(yīng)速度要求，應(yīng)用labview則能完成壓力反饋和控制程序的靈活編寫，從而滿足系統(tǒng)的測(cè)控要求。

1 系統(tǒng)原理分析

在研究壓力反饋和控制問(wèn)題時(shí)，可以空氣壓縮氣缸為控制對(duì)象，通過(guò)將壓力傳感器與氣缸進(jìn)氣口連接起來(lái)完成電壓信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，并利用PID算法進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。通過(guò)將運(yùn)算結(jié)果傳輸至比例方向控制閥，則能對(duì)進(jìn)入氣缸的空氣流量進(jìn)行控制，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)氣缸壓力達(dá)到要求的壓力值[1]。在建模的過(guò)程中，還要將工作介質(zhì)看成是理想氣體，并假設(shè)供氣壓力與溫度保持恒定，氣缸中氣體均勻分布且無(wú)泄漏。在此基礎(chǔ)上，才能得到理想的比例方向閥傳遞函數(shù)。而考慮到閥的特性可能受到放大器的影響，所以還要采用電流負(fù)反饋放大器，以確保閥的控制電壓與閥芯位移呈近似線性的關(guān)系[2]。結(jié)合氣缸活塞平衡關(guān)系，則能得到如下式（1）的壓力系統(tǒng)模型。在式中，Gs為系統(tǒng)傳遞函數(shù)，kn表示的是系統(tǒng)速度放大系數(shù)，wn和ξn分別為系統(tǒng)固有頻率和阻尼比。

在壓力控制上，還要采用模糊控制方式進(jìn)行系統(tǒng)操縱。如下表1所示，為系統(tǒng)模糊控制規(guī)則。根據(jù)模糊控制理論可知，E和EC分別代表誤差和誤差變化率，N和P分別代表負(fù)和正，B和S分別代表大和小，M代表中等，ZE代表的是零[3]。通過(guò)將這些元素采取不同的方式組合在一起，則能完成模糊集誤差、誤差變化率和輸出變量的狀態(tài)描述。采取該種方法，則能完成模糊控制器的設(shè)計(jì)，然后利用控制器完成壓力控制。

表1 系統(tǒng)模糊控制規(guī)則

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

利用labview進(jìn)行壓力反饋和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，可以利用軟件易學(xué)易用的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速開(kāi)發(fā)。在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以利用labview提供的多種工具完成系統(tǒng)模型的輕松創(chuàng)建，并進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用程度的輕松編寫。因此，應(yīng)用labview進(jìn)行壓力反饋和控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，能夠使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)速度提高4-10倍左右。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如下圖1所示，系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、比例伺服閥、壓力傳感器和彎曲氣缸等部分組成。系統(tǒng)的軟件平臺(tái)為labview2011，數(shù)據(jù)采集卡為阿爾泰USB-2833。從系統(tǒng)運(yùn)行角度來(lái)看，想要利用閉環(huán)反饋壓力控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)和控制，還要使氣缸預(yù)先達(dá)到定義的壓力值。在這一過(guò)程中，氣體會(huì)先從伺服閥進(jìn)入氣缸，從而促使氣缸產(chǎn)生壓力。在氣缸壓力推動(dòng)下，金屬管會(huì)發(fā)生彎曲，氣缸內(nèi)的壓力則會(huì)被壓力傳感器檢測(cè)得到[4]。通過(guò)將氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并將信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)采集模塊中，上位機(jī)則能完成實(shí)際壓力與目標(biāo)壓力的比較和分析，并將得到的偏差輸入到PID控制模塊。利用labview的PID工具包，模塊則能得到壓力控制量，并利用數(shù)據(jù)采集卡將控制量傳輸至伺服閥中，最終實(shí)現(xiàn)氣缸的壓力控制。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)上來(lái)看，系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)卡擁有12位采樣精度，能夠達(dá)到500ks/s的采樣速率。應(yīng)用該種數(shù)據(jù)采集卡，能夠?yàn)?6路模擬輸入提供支持，并擁有4路模擬輸出。此外，該種采集卡還擁有8個(gè)數(shù)字I/O端口，并配有16位計(jì)數(shù)器。系統(tǒng)采用的壓力傳感器擁有0-10V輸出電壓，本身具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。由于壓力傳感器輸出的信號(hào)為差分信號(hào)，即氣缸壓力與大氣壓的差值，容易受到其他因素的干擾，所以還要利用AD620進(jìn)行壓差信號(hào)的放大處理。而AD620由3個(gè)運(yùn)放組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度對(duì)稱，擁有較大的輸入阻抗和共模抑制比，所以能夠?qū)π盘?hào)的共模干擾進(jìn)行有效抑制。此外，系統(tǒng)采用的伺服閥為氣動(dòng)閥，輸入電壓在0-10V范圍內(nèi)，本身結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并且價(jià)格較低，可以通過(guò)控制介質(zhì)方向?qū)崿F(xiàn)閥門開(kāi)關(guān)控制。

2.3 Labview軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)前面板由控制件和顯示件構(gòu)成，前者由PID參數(shù)、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、采樣頻率和矯正變量補(bǔ)償?shù)葍?nèi)容構(gòu)成，后者由傳感器電壓和壓力值等內(nèi)容構(gòu)成。在系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，首先需要完成采樣參數(shù)設(shè)置，然后在進(jìn)行傳感器標(biāo)定選擇。將氣源打開(kāi)后，則可以進(jìn)行目標(biāo)壓力的設(shè)定，然后利用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PID控制。應(yīng)用labview提供的模糊控制器圖形化設(shè)計(jì)工具，則能實(shí)現(xiàn)模糊控制器的設(shè)計(jì)。而該種模糊控制器工具中包含模糊隸屬函數(shù)編輯器、輸入輸出性能測(cè)試和模糊規(guī)則庫(kù)編輯器三個(gè)部分，能夠進(jìn)行人機(jī)友好界面的提供，所以能夠使用戶設(shè)計(jì)模糊PID控制器的需求得到滿足。從系統(tǒng)操作界面上來(lái)看，則包含主操作界面、歷史回放界面和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)界面等多個(gè)模塊。在主操作界面上，可以顯示出壓力傳感器采集得到的壓力信號(hào)。在該界面，通過(guò)調(diào)用參數(shù)設(shè)置函數(shù)，則能完成伺服閥控制參數(shù)的設(shè)置。

為驗(yàn)證系統(tǒng)軟件的有效性，可以使用FESTO實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試的過(guò)程中，需結(jié)合系統(tǒng)特點(diǎn)，并使用虛擬儀器技術(shù)，利用氣動(dòng)流量閥和電氣轉(zhuǎn)換元件完成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的構(gòu)建，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的壓力控制。在測(cè)試過(guò)程中，需要利用PID經(jīng)驗(yàn)參數(shù)化法對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)試，即進(jìn)行KP、KI、KD等參數(shù)的調(diào)試，以降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)態(tài)偏差和過(guò)沖。通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)試，可確定系統(tǒng)控制參數(shù)KP、KI、KD分別為9、31和55。如下圖1，為利用模糊PID控制算法得到的正弦波跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用PID控制器幾乎不存在跟蹤滯后和超調(diào)問(wèn)題，能夠以較高的精度實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦波的控制，因此能夠在氣體壓力控制系統(tǒng)中得到有效運(yùn)用。

圖1 系統(tǒng)軟件測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

利用Labview編程語(yǔ)言進(jìn)行壓力反饋和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠獲得操作簡(jiǎn)便、編程容易、擴(kuò)展性好的壓力控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)進(jìn)行氣缸壓力控制，能夠精確達(dá)到目標(biāo)壓力值，并在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣缸壓力的調(diào)節(jié)。因此，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，該種壓力反饋和控制系統(tǒng)也將獲得較好的應(yīng)用前景。

[1]曾博才.基于Labview的壓力控制脈搏采集系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2012,11:57-60.

[2]段振霞,劉建國(guó),楊勇明.基于LabVIEW的氣動(dòng)比例壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程,2015,03:442-445+461.

[3]陳華豪.LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器在化工過(guò)程中對(duì)壓力和溫度控制的應(yīng)用[J]. 化工管理,2016,02:12-13.

[4]盧青,付永忠,潘云峰等.基于LabVIEW的電子壓力機(jī)壓力位移測(cè)控系統(tǒng)設(shè)[J].機(jī)床與液壓,2016,11:125-127+137.

Research on pressure feedback and control system based on LabVIEW

Qin Yongjin,Fu Liyang,Guo Liang
(Luoyang LYC Bearing Co., Ltd. State Key Laboratory of precision bearing,Luoyang Henan,471003)

In this paper, a pressure feedback and control system is designed in the LabVIEW software environment. The system can make use of fuzzy PID controller to achieve the cylinder pressure tracking and feedback, and through the control of pneumatic valve to achieve accurate adjustment of cylinder pressure, so it can meet the requirements of pressure feedback and control

LabVIEW; pressure feedback; pressure control; system design

秦永晉（1987-）,男，助工，主要從事電氣自動(dòng)化控制。