基于LabVIEW 液压伺服压力脉冲测控系统的研究

吴军辉，刘西钉，宋连旺

东华大学信息科学与技术学院，上海 2101184

0 引言

近年来，随着社会生产的发展，产品测试要求的提高，传统的测试系统由于本身所固有的诸多弊端变得越来越不适应现代测试要求。所以，测试试件抗疲劳程度的液压伺服压力脉冲测控系统非常具有研究意义。

系统能够按照控制指令向试件输入不同类型的压力波形，进行压力冲击试验。试验过程中，系统要对试验台进行故障检测和报警，同时需要对当前脉冲压力值、温度、波形以及试验周期数等数据在计算机人机界面上实时显示和记录，并且能够产生标准的试验报表。上、下位机数据传输量大，实时性高，系统采用了以太网进行数据通讯。通过实践证明，此系统具有良好的实时性和稳定性。

1 系统的组成及工作原理

该液压伺服测控系统主要由PC上位机、NI嵌入式测控系统compactRIO、电液伺服阀驱动电路、继电器控制回路、传感器和外设控制对象。图1为系统组成结构框图。

图1 系统组成结构图

系统上位机PC接收试验者要求的压力脉冲波形、高压、低压、频率、试验次数等等数据通过以太网送入cRIO-9073的嵌入式实时控制器, 根据要求产生虚拟压力脉冲波形并离散化作为目标值，模块cRIO-9215接收的压力传感器信号作为反馈值，对目标值和反馈值做PI控制算法产生的控制值经过模块cRIO-9263和信号处理电路驱动电液伺服阀工作。并把压力脉冲目标波形和反馈波形通过以太网送到上位机人机界面做实时显示和分析。

2 系统硬件设计

2.1 NI嵌入式测控系统compactRIO

NI compactRIO 是一种小巧而坚固的嵌入式测控系统，包含一个实时控制器，带有可编程FPGA的4或8槽机箱，以及热插拔工业I/O模块，集成了以太网端口供上下位机通讯，这种低成本的嵌入式架构具有开放性，用户可访问底层硬件资源，可以快速定制独立的或分布式的控制和采集系统。本系统采用的cRIO-9073集成了实时控制器和可以配置的8槽机箱，插槽上配置了4个模块：NI cRIO-9215模块配置接收4路模拟信号，分别是压力传感器反馈的4mA～20mA电流、位移传感器反馈的0V～5V电压、环境温度和介质温度的热电偶反馈的2路4mA～20mA电流；NI cRIO-9263配置成输出-10V～10V电压模拟信号通过驱动电路来驱动电液伺服阀；NI-9477配置成32通道的0V或者24V的数字量输出来驱动相应的继电器和指示灯；NI-9426配置成32通道的0V或者24V的数字量接收布尔开关量。

2.2 电液伺服阀驱动电路

本系统NI cRIO-9263数模转换模块输出 -10V～10V的电压信号，而电液伺服阀输入-40mA～40mA的电流信号，此驱动电路如图2。

图2 电液伺服阀驱动电路图

用Is表示流经电液伺服阀控制线圈的电流，从图2容易得出：

由式（4）可以得到，流经电液伺服阀控制线圈的电流Is正比输入电压和调零电压的综合值，连接面板上的调零旋钮，即可实现电气调零。放大器的电流增益可由电位器R-ST1调节，事实上电阻R-S107的大小远远小于R-ST1，流经电阻R-S107的电流可以忽略。

3 系统软件设计

3.1 下位机软件设计

cRIO-9073的嵌入式实时控制器采用的是LabVIEW图形化编程语言进行设计，采用的是逻辑化结合模块化设计思想。系统软件逻辑流程先执行液压伺服回路排空模块与温度控制模块程序，其次手动执行液压伺服PI控制模块程序，最后自动执行液压PI控制模块程序，其中液压伺服系统PI控制模块是本系统的核心控制。

图3为液压伺服PI控制原理图，下位机接受上位机PC压力脉冲波形数据（波形选择、高压、低压、频率），控制器根据接受的试验数据产生虚拟压力波形，其中正谐波和三角波

图3 液压伺服系统PI控制原理图

虚拟波形可以直接调用LabVIEW各自的波形生成VI即可，梯形波可以通过斜坡信号和调用2个for循环实现。其中PI控制算法使用的是增量型如图4。

图4 增量型PI控制算法

3.2 上位机软件设计

上位机软件采用LabVIEW图形化编程语言来完成控制平台的设计。LabVIEW程序主要包括前面板（即人机界面）和方框图程序。前面板用于模拟真实仪器的面板操作，框图程序应用图形编程语言编写，其用于传送前面板输入的命令参数到下位机以执行相应的操作。此系统采用以太网传输方式，因cRIO-9073集成了以太网端口。所以不需要购买昂贵的数据采集卡就能简便稳定地实现数据传输与实时控制，满足了工业控制的一般要求。

LabVIEW前面板如图5所示，采用模块化设计思想，界面主要由以太网通讯模块、数据读取与转换模块、压力脉冲波形显示模块、统计与存储模块等组成。用户无需了解模块内部的程序框图便可直接通过鼠标在界面上操作，实现上位机数据采集、处理、显示、报警、控制等功能。

图5 液压伺服压力脉冲人机界面

3.2.1 以太网通讯模块

为了保证计算机与下位机能实现以太网通讯，首先应进行以太网通讯参数初始化。根据cRIO-9073下位机设定方式，在程序框图设置“打开TCP连接”VI的IP地址设置为192.168.0.110，远程端口号为1025，超时时间为5000毫秒。在数据通信函数库里面提供的节点不仅可以实现初始化配置，还可以对缓冲区数据进行读写控制。另外，在程序框图所有的功能子模块都需要在while循环内，同时用前面板的布尔量开关控制循环命令。同时在while循环内嵌入条件结构，分别为“连接”、“命令”、“结束”3种条件，其中“连接”条件为默认条件。只有“连接”条件由前面板的布尔开关量控制，“连接”条件结构无错误则执行“命令”条件。

3.2.2 数据读取与转换

系统试验数据的读写通过“队列操作”，在程序框图中使用“获取队列引用”VI建立了和下位机同名的队列。数据可以从“元素出队列”VI的元素端口读取下位机的数据，元素可以通过“有损耗元素入队列”VI写入下位机。TCP传输的数据是字符串类型，因此数据要通过“从字符串还原”VI转换为相应的数据类型在界面上实时显示。另外，数据的读取需要在以太网通讯建立的while循环内。

3.2.3 数据显示、统计与存储模块

LabVIEW是专为测量、分析数据并提交结果而设计，其强大的图表和图形组建体现出极大地优势。波形图表是记录实时产生的波形，本系统采用波形图表显示3条波形；压力设定值（压力脉冲目标波形）、压力反馈值、油缸位置（位移传感器），故对从下位机读取的数据进行簇解除捆绑，引用for循环实时的转换为3个采样浮点数。不仅如此，测试数据的快速写入通过函数面板中Write To Measurement File Express VI加以配置，指定如何格式化文件以及保存数据内容。通过在前面板上设置产生报表开关，可以对保存的数据产生试验报表。

4 结论

本文以cRIO-9073测控系统为控制中心，使用NI公司的LabVIEW为上、下位机为支持软件，完成液压伺服压力脉冲试验台测控系统的设计，采用LabVIEW程序开发系统，编程者不需要深究相关硬件的专业知识，也不需要考虑复杂的专门的驱动程序编写，只需合理使用LabVIEW提供的控件和函数，缩短了系统的开发周期。实践表明，该系统具有硬件电路设计简单、实时性好、测试稳定、功能可扩展的特点。

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