摘 要：針對(duì)某工程機(jī)械中的作動(dòng)器裝置，利用其液壓系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種基于PXI的電液伺服作動(dòng)器控制系統(tǒng)。在介紹作動(dòng)器液壓回路工作原理的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)述了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案及其組成。該設(shè)計(jì)解決了該作動(dòng)器開(kāi)環(huán)控制誤差大的問(wèn)題，具有控制精度高，靈敏度高，結(jié)構(gòu)緊湊，可復(fù)用性高等優(yōu)點(diǎn)。

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關(guān)鍵詞：電液伺服閥； 伺服系統(tǒng)； 作動(dòng)器； PXI； LabVIEW

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911.7-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0205-03

Design and implementation of EHSV actuator control system based on PXI

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HU Zhi-xin1， NIU Xiao-bo1， ZHAO Jian-chun2

(1.Chang’an University， Xi’an 710064， China; 2.Equipment Management Department， Qinghai Oil Field Company， Dunhuang 736202， China)

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Abstract：

An electro-hydraulic servo actuator control system based on PXI was designed for the actuator device of one construction machinery by using hydraulic system working principle. On the basis of introducing the principle of the actuator hydraulic circuit， the design of the control system and its component are outlined. This design has solved the problem of large errors in the actuator open-loop control， and has advantages of high control accuracy， high sensitivity， compact structure and reusability.

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Keywords： EHSV; servo system; actuator; PXI; LabVIEW

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收稿日期：2011-09-29

0 引 言

作動(dòng)器是一種以液壓油為動(dòng)力源的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，在飛行器的升降翼、方向舵、水平襟翼以及坦克、船舶、火車(chē)等多種需要擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。本文的電液伺服作動(dòng)器是某工程項(xiàng)目中驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置動(dòng)作的傳動(dòng)設(shè)備，該作動(dòng)器的主要作用是利用作動(dòng)筒的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)相應(yīng)裝置產(chǎn)生動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。因此作動(dòng)器的動(dòng)作性能指標(biāo)直接影響到該工程機(jī)械裝置的工作安全。

然而，目前大多文獻(xiàn)及研究是以單片機(jī)或DSP為控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)電液伺服作動(dòng)器的閉環(huán)控制，其控制策略復(fù)雜，復(fù)用性差等缺點(diǎn)使其在工程應(yīng)用中越來(lái)越不能適應(yīng)實(shí)際工況的要求。近幾年，隨著虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)控制開(kāi)始利用該平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)強(qiáng)大的控制、處理能力及標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化等優(yōu)點(diǎn)使其成為當(dāng)今控制領(lǐng)域的主流控制工具。

本文根據(jù)電液伺服作動(dòng)器的工作原理，結(jié)合作動(dòng)器伺服機(jī)構(gòu)開(kāi)環(huán)的工作特性，提出一種基于虛擬儀器測(cè)試平臺(tái)PXI架構(gòu)的電液伺服作動(dòng)器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于完成對(duì)該類(lèi)作動(dòng)器伺服機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)筒及主控閥上位移傳感器所測(cè)量的參數(shù)可調(diào)可顯示，并且為作動(dòng)器提供二次電源，達(dá)到高安全性的控制要求。系統(tǒng)通過(guò)作動(dòng)筒上位移傳感器反饋的參數(shù)與操作界面上輸入?yún)?shù)進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)控制伺服閥的開(kāi)度，使作動(dòng)筒達(dá)到設(shè)定位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置特定位置的動(dòng)作，完成控制要求。

1 電液伺服作動(dòng)器控制系統(tǒng)的組成及工作原理

控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由人機(jī)交互界面、控制級(jí)和伺服放大級(jí)組成，如圖1所示。人機(jī)交互界面主要是對(duì)作動(dòng)器工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與顯示;控制級(jí)為控制系統(tǒng)的核心部分，主要完成對(duì)作動(dòng)器伺服機(jī)構(gòu)的閉環(huán)控制;伺服放大級(jí)包括傳感器激勵(lì)、信號(hào)解調(diào)、電源輸入及電磁閥驅(qū)動(dòng)等部分。

圖1 控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖

為了更好地說(shuō)明控制系統(tǒng)的工作機(jī)理，下面對(duì)作動(dòng)器伺服機(jī)構(gòu)的工作原理給予簡(jiǎn)單介紹。如圖2所示，在正常工作情況下，伺服機(jī)構(gòu)的液壓源正常，電磁閥SOV有電，電液伺服閥EHSV得電，它是通過(guò)電流信號(hào)控制主控閥的閥芯滑動(dòng)，進(jìn)而控制進(jìn)入作動(dòng)筒內(nèi)的油量，使作動(dòng)筒的活塞桿產(chǎn)生相對(duì)位移，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置的動(dòng)作。當(dāng)SOV失電或液壓源出現(xiàn)故障時(shí)，相應(yīng)旁通閥動(dòng)作，將此油路對(duì)應(yīng)的作動(dòng)筒兩腔溝通處于旁通狀態(tài)。功能轉(zhuǎn)換閥的閥芯由于SOV失電而產(chǎn)生動(dòng)作，觸碰微動(dòng)開(kāi)關(guān)，使其產(chǎn)生動(dòng)作，該動(dòng)作經(jīng)由相關(guān)電路調(diào)整為電信號(hào)，在操作界面上顯示。

圖2 作動(dòng)器工作原理圖

由此可見(jiàn)，機(jī)械裝置動(dòng)作是由作動(dòng)筒的動(dòng)作驅(qū)動(dòng)，而作動(dòng)筒的動(dòng)作是靠液壓油所產(chǎn)生的壓力推動(dòng)作動(dòng)筒的活塞實(shí)現(xiàn)。若要控制作動(dòng)筒的活塞運(yùn)動(dòng)就必須控制液壓油。在伺服機(jī)構(gòu)工作原理敘述中可以看到，整個(gè)作動(dòng)器的液壓油主要靠電液伺服閥來(lái)控制。

電液伺服閥是用于連接系統(tǒng)的電氣與液壓部分，將輸入的小功率電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的運(yùn)動(dòng)，而閥的運(yùn)動(dòng)又可以控制液壓油流向液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量與壓力，實(shí)現(xiàn)電液信號(hào)的轉(zhuǎn)換和放大，以及對(duì)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制[1]。電液伺服閥的工作機(jī)理為輸入量是電流，輸出量則是和輸入量成正比的負(fù)載壓力或負(fù)載流量。

因此，可以通過(guò)控制電液伺服閥的輸入電流來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油壓力及流量的控制，從而使作動(dòng)筒產(chǎn)生相應(yīng)位移，即完成對(duì)機(jī)械裝置動(dòng)作的控制。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，控制系統(tǒng)主要依靠作動(dòng)筒位移傳感器輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)之間的差值實(shí)現(xiàn)對(duì)作動(dòng)筒位移的控制，最終達(dá)到機(jī)械裝置的動(dòng)作要求，在功能上實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器的閉環(huán)控制，系統(tǒng)控制原理圖如圖3所示。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

由于該工程項(xiàng)目中的控制系統(tǒng)要求具有優(yōu)越的性能及廣泛的適用范圍，因此，根據(jù)伺服機(jī)構(gòu)的工作條件及工作原理，依據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、自動(dòng)處理能力強(qiáng)的原則，利用NI公司的PXI測(cè)試平臺(tái)和LabVIEW圖形化編程環(huán)境設(shè)計(jì)了一個(gè)面向控制對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)由上位機(jī)、下位機(jī)和測(cè)控單元組成，其中上位機(jī)是基于LabVIEW平臺(tái)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，下位機(jī)是基于PXI的測(cè)試平臺(tái)，主要由PXI實(shí)時(shí)系統(tǒng)與PXI模塊單元共同構(gòu)成。其系統(tǒng)硬件框圖如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)控制原理圖

圖4 控制系統(tǒng)硬件框圖

基于LabVIEW平臺(tái)的工控機(jī)用來(lái)顯示人機(jī)交互界面，界面上設(shè)置有操作面板，且前置有USB、開(kāi)關(guān)和指示燈等配置，操作方便。該系統(tǒng)主要是基于PXI架構(gòu)的，因此上位機(jī)采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW，以使上位機(jī)與下位機(jī)具有良好的系統(tǒng)兼容性。

根據(jù)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)及技術(shù)要求，需研制體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)的控制系統(tǒng)?；赑XI平臺(tái)的硬件部分具有產(chǎn)品尺寸小、架構(gòu)穩(wěn)固等特性，并且可以提供滿足潛在需求的大量模塊，具有模塊化特征，易于重新配置，可升級(jí)性好，提供了較好的抗沖擊、抗震動(dòng)、防高溫等方面的保護(hù)及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，將PXI系統(tǒng)及LabVIEW應(yīng)用在安全性要求高的工程裝置上，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)成本。利用其模塊化特性，提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，是控制該機(jī)械系統(tǒng)的新手段[2]。

圖4中所示的為PXI硬件的主機(jī)箱體，相當(dāng)于個(gè)人計(jì)算機(jī)的主機(jī)箱，本系統(tǒng)的主機(jī)配置為基于PXI架構(gòu)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，該主機(jī)運(yùn)行于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)并通過(guò)操作界面進(jìn)行系統(tǒng)配置，執(zhí)行控制工作，并管理報(bào)警與警告信息，運(yùn)行于主機(jī)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)為主機(jī)的核心部分，用以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和輸出的PID閉環(huán)控制，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲(chǔ)，系統(tǒng)提供大的存儲(chǔ)容量且可以隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的調(diào)用及分析，從而滿足了性能需求[3]。

本設(shè)計(jì)采用PXI硬件支持功能模塊的嵌入，設(shè)計(jì)中可將PXI單元嵌入基于PXI系統(tǒng)的主機(jī)箱中，達(dá)到作動(dòng)器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求，由于PXI的實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)所采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和高級(jí)分析，因此工作性能較其他以PC單元實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)更為優(yōu)越。

PXI單元包含有四個(gè)模塊：模擬輸入AI，模擬輸出AO，數(shù)字輸入DI，數(shù)字輸出DO。由于伺服系統(tǒng)分為兩個(gè)液壓通道，因此將AI配置為雙通道，用來(lái)接收測(cè)控單元采集到的位移傳感器信號(hào)，并由PXI系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，最后將信號(hào)傳送給工控機(jī)用以在面板上顯示。同樣地，AO也采用兩個(gè)通道，將界面上由人工設(shè)置的參數(shù)信號(hào)通過(guò)AO輸出，經(jīng)由測(cè)控單元相應(yīng)硬件調(diào)理，輸入給伺服機(jī)構(gòu)一個(gè)控制電液伺服閥開(kāi)度的電流信號(hào)，通過(guò)流經(jīng)伺服閥的流量來(lái)控制作動(dòng)筒活塞的位移，完成輸入?yún)?shù)所指定的位置要求。

DI數(shù)字輸入/DO數(shù)字輸出模塊是伺服機(jī)構(gòu)中開(kāi)關(guān)閥、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、報(bào)警器等其他狀態(tài)信息的輸入/輸出通道，其傳輸?shù)男盘?hào)都為開(kāi)關(guān)量。DI為數(shù)字輸入，用于微動(dòng)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)傳輸。微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作由相關(guān)電路調(diào)理后，產(chǎn)生的電信號(hào)由DI傳送給PXI的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，最終由界面顯示。DO為數(shù)字輸出，用于開(kāi)關(guān)閥的狀態(tài)信息傳輸。

本系統(tǒng)的測(cè)控單元采用自行設(shè)計(jì)的電路板形式實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服機(jī)構(gòu)中信號(hào)的采集、調(diào)整、輸出等功能。該單元是連接下位機(jī)和伺服機(jī)構(gòu)的中介模塊。它接收伺服機(jī)構(gòu)中位移傳感器及其他設(shè)備的信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的電壓/電流轉(zhuǎn)換及調(diào)理后，將信號(hào)輸入PXI的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)處理分析，最后傳送給工控機(jī)用以顯示。同時(shí)，測(cè)控單元也可接收由PXI單元通過(guò)工控機(jī)輸入的控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換及調(diào)理，對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的各種狀態(tài)進(jìn)行控制。

為了使控制系統(tǒng)能夠更好地工作，具備優(yōu)越的工作性能，在設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)時(shí)考慮到該裝置在應(yīng)用中的重要性，特別在測(cè)控單元配備有伺服機(jī)構(gòu)所需的二次電源，由測(cè)控單元里的驅(qū)動(dòng)器提供，主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中電液伺服作動(dòng)器的電磁開(kāi)關(guān)。另外，測(cè)控單元為伺服機(jī)構(gòu)中的位移傳感器提供激磁電源，由單元中的激勵(lì)器提供。測(cè)控單元中的調(diào)理器是對(duì)位移信號(hào)及其他狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以使信號(hào)能夠更加準(zhǔn)確無(wú)擾動(dòng)誤差地進(jìn)行傳輸。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW，運(yùn)用圖形化G語(yǔ)言作為編程形式。G語(yǔ)言是一種面向?qū)ο蟮哪K化編程語(yǔ)言，可以顯著提高程序的復(fù)用性。由于該控制系統(tǒng)應(yīng)用的工程裝置的工況特殊，所以要求系統(tǒng)處理速度快，實(shí)時(shí)性好，具有良好的人機(jī)界面。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為輸出人機(jī)交互界面與控制程序兩部分，都是在LabVIEW圖形化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)的， 將編寫(xiě)之后的程序代碼下載到PXI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，有效地縮短了軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)提高了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。

實(shí)際工作狀態(tài)下，下位機(jī)與測(cè)控單元之間進(jìn)行直接的信號(hào)傳輸，同時(shí)把相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)測(cè)控參數(shù)的顯示及控制。系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能在操作面板上有相應(yīng)的設(shè)置，操作面板如圖5所示。由于伺服機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)分為正常模態(tài)和失壓模態(tài)，因此在面板上設(shè)置有模態(tài)選擇控件，使系統(tǒng)可在兩種模態(tài)下進(jìn)行切換。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，系統(tǒng)分為通道1和通道2，因此在界面上設(shè)置兩個(gè)通道，每個(gè)通道都可對(duì)主控閥和作動(dòng)筒上位移傳感器所采集的位移信號(hào)進(jìn)行顯示或調(diào)節(jié)。設(shè)置開(kāi)關(guān)閥控件，可隨時(shí)對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，方便快捷，并且在各個(gè)通道上有兩個(gè)狀態(tài)顯示燈，若工作正常則狀態(tài)燈亮，若出現(xiàn)故障，此時(shí)液壓系統(tǒng)中的微動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，經(jīng)DI輸入使面板上的故障燈亮，實(shí)時(shí)地顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，安全性高。

在控制過(guò)程中，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入?yún)?shù)的PID控制，根據(jù)已存的測(cè)試數(shù)據(jù)生成PID優(yōu)化參數(shù)，以使系統(tǒng)在參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)更加穩(wěn)定，控制面板右方顯示PID調(diào)節(jié)過(guò)程波形圖，可實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)PID控制過(guò)程，使系統(tǒng)性能更加全面優(yōu)越。

圖5 系統(tǒng)控制界面

4 結(jié) 語(yǔ)

本控制系統(tǒng)采用LabVIEW平臺(tái)及PXI測(cè)試平臺(tái)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的作動(dòng)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，解決了作動(dòng)器伺服機(jī)構(gòu)開(kāi)環(huán)控制精度低，安全性差等問(wèn)題。在LabVIEW集成環(huán)境下開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)軟件部分，可以實(shí)現(xiàn)靈活而持久的操作，用于確定性實(shí)時(shí)測(cè)量和控制，并且提出了基于PXI控制電液伺服作動(dòng)器的新方法，具有操作簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、程序復(fù)用性高以及系統(tǒng)通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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