基于虛擬仿真技術(shù)的氣動實驗平臺開發(fā)與應(yīng)用

劉銀華，段振霞，劉建國

（上海理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，上海 200093）

隨著近年來測試控制技術(shù)的發(fā)展及氣動技術(shù)的進步，氣動控制在企業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，然而高校針對工科學(xué)生開設(shè)的相關(guān)實驗課程往往是分開的，對學(xué)過《液壓與氣動技術(shù)》的學(xué)生單獨開設(shè)一個關(guān)于氣動回路的實驗課程，在氣路實驗中只專注于氣路系統(tǒng)的設(shè)計與使用，很少會涉及到控制技術(shù)。對于學(xué)過《控制基礎(chǔ)》的學(xué)生又會專門開設(shè)一門測試控制類的實驗課程，在測試控制實驗中只讓學(xué)生專注于編程，很少會涉及到執(zhí)行機構(gòu)的氣路系統(tǒng)。這種針對性較強的實驗課程可以培養(yǎng)學(xué)生解決某一領(lǐng)域問題的能力，但是無法培養(yǎng)學(xué)生解決綜合性、復(fù)雜性問題的能力。針對這一情況，開發(fā)了一個基于LabVIEW 虛擬仿真技術(shù)的FESTO 氣動實驗平臺。整個平臺由氣動回路系統(tǒng)、LabVIEW 測試控制系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成。氣動回路系統(tǒng)是根據(jù)儲氣罐充氣系統(tǒng)的工作原理進行設(shè)計與模擬，氣動壓力傳感器采用與實際控制系統(tǒng)類似的元器件，使用2 位3 通的電磁換向閥來模擬儲氣罐充氣回路中的空壓機，使用2 位3 通的手動換向閥來模擬儲氣罐充氣回路中的人工氣動工具。LabVIEW 測試控制系統(tǒng)根據(jù)儲氣罐充氣系統(tǒng)的氣壓控制原理進行設(shè)計與模擬，通過LabVIEW 編寫控制程序作為虛擬控制器。電路控制系統(tǒng)中繼電器采用與實際控制系統(tǒng)一樣的繼電器。該實驗平臺已經(jīng)使用多個學(xué)期，實踐證明，該實驗平臺搭建方便，操作步驟與知識點易于理解與掌握，適用于機械類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)，通過編程控制氣動設(shè)備，增加了實驗的趣味性創(chuàng)新性，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運用專業(yè)知識解決復(fù)雜問題的能力。

1 氣動實驗平臺總體設(shè)計方案

本實驗課程主要針對全校工科類本科學(xué)生，通過設(shè)計和連接氣動回路鍛煉了學(xué)生的動手能力，通過編寫LabVIEW 控制程序鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

實驗平臺主要包括FESTO 氣動系統(tǒng)、LabVIEW 控制系統(tǒng)，電路控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)中采用的是FESTO 公司生產(chǎn)的氣動元器件，包括過濾調(diào)壓閥、2 位3 通電磁換向閥、單向節(jié)流閥、儲氣罐、氣動壓力表、氣動壓力傳感器、2 位3通按鍵式手動換向閥?？刂葡到y(tǒng)采用LabVIEW 進行編程，LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境。電路控制系統(tǒng)中采用固態(tài)繼電器作為開關(guān)量控制電磁換向閥的通電和斷電。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用阿爾泰USB2833 數(shù)據(jù)采集卡，通過采集壓力傳感器電壓信號作為LabVIEW 程序的輸入信號。

為了使實驗操作更為方便，將數(shù)據(jù)采集卡中的模擬量輸入輸出管腳和數(shù)字量輸入輸出管腳引出到面板中，并對每個管腳的號碼做好標(biāo)示，這樣看到每個管腳就知道其功能，引腳接頭采用香蕉插頭母頭，便于與香蕉插頭公頭配合。繼電器的引腳也引到操作面板中，使得電路連接非常安全方便。

根據(jù)電路控制原理圖將電路接好后，再根據(jù)氣動原理圖將氣路用氣管接好。然后根據(jù)儲氣罐充氣系統(tǒng)的控制原理編寫LabVIEW 控制程序，LabVIEW 控制程序通過USB 接口與數(shù)據(jù)采集卡通訊，數(shù)據(jù)采集卡通過AI 模擬量輸入管腳采集氣動壓力傳感器的電壓值，通過DO 管腳輸出數(shù)字量信號控制繼電器，實驗中采用的是常開型繼電器，當(dāng)給繼電器輸入高電平信號時候，常開繼電器的常開觸點閉合，當(dāng)給繼電器輸入低電平信號時，繼電器的常開觸點斷開。繼電器的常開觸點與2 位3 通電磁換向閥電源和24V 電源串聯(lián)形成一個閉環(huán)的控制電路，控制電磁換向閥的通電和斷電。完整的系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 儲氣罐充氣系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖

2 FESTO 氣動系統(tǒng)搭建

儲氣罐充氣回路是閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)的主要作用是保證儲氣罐的供氣壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)。壓縮機與電源相連，當(dāng)電源開關(guān)打開，壓縮機通電進行工作為儲氣罐進行充氣。當(dāng)儲氣罐的壓力上升到設(shè)備出廠時設(shè)定的最大值，壓縮機與電源斷開不再工作，儲氣罐的壓力也不會再持續(xù)增加。當(dāng)儲氣罐的壓力下降到設(shè)備出廠時設(shè)定的最低壓力值，壓縮機與電源連接繼續(xù)工作，為儲氣罐充氣。儲氣罐充氣回路的示意圖如圖2 所示。

圖2 儲氣罐充氣系統(tǒng)示意圖

在儲氣罐充氣回路中，儲氣罐的壓力表示被控變量，氣動壓力傳感器采集儲氣罐的壓力值作為反饋信號。壓縮機相當(dāng)于一個2 位3 通電磁換向閥，“壓縮機關(guān)閉”對應(yīng)于閥的閉合位置（不給儲氣罐進行充氣），“壓縮機打開”對應(yīng)于閥的開口位置（給儲氣罐進行充氣）。人工氣動工具就相當(dāng)于一個2 位3 通按鍵式手動換向閥，作為干擾變量，給儲氣罐進行排氣，影響儲氣罐的壓力變化。在儲氣罐充氣回路中，為了保證儲氣罐的壓力保持穩(wěn)定可靠，添加一個單向節(jié)流閥1V3 進行限流，不至于出現(xiàn)儲氣罐壓力過低的現(xiàn)象。單向節(jié)流閥（1V2） 的作用是防止電磁閥斷電時儲氣罐的壓縮空氣泄漏。所以這個單向節(jié)流閥應(yīng)該是全閉狀態(tài)。壓力傳感器安裝在氣壓波動較小的位置比較合適，所以選擇安裝在儲氣罐的后面。根據(jù)以上所有內(nèi)容設(shè)計儲氣罐充氣回路的氣路圖，如圖3 所示。

圖3 儲氣罐充氣系統(tǒng)氣路圖

3 LabVIEW 測試控制系統(tǒng)搭建

儲氣罐充氣系統(tǒng)主要是為了控制儲氣罐的壓力在允許的壓力范圍內(nèi)波動，當(dāng)儲氣罐壓力大于儲氣罐允許的最大壓力值時，控制壓縮機關(guān)閉停止給儲氣罐充氣，當(dāng)儲氣罐壓力小于儲氣罐允許的最小壓力值時，控制壓縮機打開開始給儲氣罐充氣。為了完成控制，儲氣罐充氣系統(tǒng)中需要通過壓力傳感采集儲氣罐的壓力值，然后用采集到的壓力值跟儲氣罐允許的最大壓力值和最小壓力值進行比較，這時就會用到比較器。比較器是用來對兩個模擬電壓信號進行比較，一個電壓形成一個定點，并與輸入電壓進行比較，根據(jù)比較結(jié)果得到輸出量1 或者0。

比較器用來設(shè)定儲氣罐允許的最大壓力和最小壓力，作為整個系統(tǒng)的控制器。在LabVIEW 程序中創(chuàng)建一個波形圖表作為虛擬示波器，用來顯示采集到的信號和控制器輸出的校正變量。校正變量輸出給繼電器來控制2 位3 通電磁換向閥的通電和斷電，進而控制儲氣罐的壓力值，2 位3 通手動換向閥作為干擾變量影響儲氣罐的壓力值。儲氣罐充氣回路控制結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，電路連接圖如圖5 所示。

圖4 儲氣罐充氣系統(tǒng)閉環(huán)控制回路結(jié)構(gòu)圖

圖5 儲氣罐充氣系統(tǒng)電路圖

圖6 中下面的方波曲線表示輸出的校正變量值，上面的鋸齒波曲線表示的是儲氣罐的壓力變化值，在儲氣罐允許的最大壓力和最小壓力范圍內(nèi)進行波動。

圖6 虛擬示波器

4 實驗結(jié)果與分析

開發(fā)的基于虛擬仿真技術(shù)的FESTO 氣動實驗平臺如圖7 所示，由氣動元器件、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、繼電器模塊和LabVIEW 程序組成。通過在電腦中的LabVIEW 軟件中編寫控制程序，控制儲氣罐的壓力變化，使得儲氣罐的壓力在允許的范圍內(nèi)。

圖7 基于虛擬仿真技術(shù)的FESTO 氣動實驗平臺

在教學(xué)實踐中，需要通過完成儲氣罐氣路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)及Lab－VIEW 控制測試系統(tǒng)的搭建，鍛煉學(xué)生的動手能力，考查學(xué)生對儲氣罐充氣回路控制原理的理解及靈活應(yīng)用能力。

學(xué)生2 到3 人一組進行實驗，在實驗中學(xué)生需要互相配合完成實驗，一個同學(xué)主要負責(zé)設(shè)計和搭建氣動系統(tǒng)，一個同學(xué)主要負責(zé)設(shè)計和搭建電路系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)和電路系統(tǒng)搭建完畢，所有同學(xué)一起編寫LabVIEW 控制程序，然后調(diào)試和分析。

實驗中通過分析LabVIEW 程序中虛擬示波器的曲線變化來理解儲氣罐充氣回路的控制原理。當(dāng)儲氣罐的壓力大于允許的最大壓力值時，LabVIEW程序會輸出低電平控制電磁換向閥斷電不再給儲氣罐充氣，操作2 位3 通按鍵式手動換向閥影響儲氣罐的壓力變低，當(dāng)壓力值小于允許的最小值時，LabVIEW 程序會輸出高電平控制2 位3 通電磁換向閥通電給儲氣罐充氣。

5 結(jié)束語

在以學(xué)生為中心的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)下，將人才培養(yǎng)的模式從“獲得知識”改變?yōu)椤芭囵B(yǎng)能力”。根據(jù)儲氣罐充氣系統(tǒng)的工作原理，開發(fā)了基于虛擬仿真技術(shù)的FESTO 氣動實驗平臺。該平臺很好的將氣動知識與控制知識融合在一起，形成了一個綜合性的氣動測試控制實驗。目前該實驗平臺已應(yīng)用于學(xué)校機械類相關(guān)專業(yè)，根據(jù)學(xué)生反饋，該實驗課程可以有效調(diào)動學(xué)生的積極性，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新性思維和解決復(fù)雜工程問題的能力，使學(xué)生從被動簡單的實驗驗證轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，深入思考與探索新知識，提高了實驗課的授課質(zhì)量。