王 波，王 濤，金 英

（北京理工大學 自動化學院，北京 100081）

氣動技術是以空氣壓縮機為動力源、以壓縮空氣為工作介質進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術，是實現各種生產控制、自動控制的重要手段之一[1－2]。隨著微電子技術、計算機技術的迅猛發(fā)展和控制理論的不斷完善，氣動伺服技術特別是氣動位置伺服系統(tǒng)，以其節(jié)能、無污染、成本低廉、結構簡單、維修方便、系統(tǒng)安全可靠、適應范圍廣泛等優(yōu)點，滲透到工業(yè)領域各部門，在工業(yè)發(fā)展中占有十分重要的地位[3－5]。

北京理工大學自動化專業(yè)是以電為主，集機、電、液、氣控制為一體，軍民結合，突出實踐能力和創(chuàng)新能力的國家級特色專業(yè)[6]。為了更好地提高學生的綜合素質、培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)，與“流體傳動與控制基礎”北京市精品課程相配套，設計了基于虛擬儀器的氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺，針對本科生、研究生開設了一系列實驗選修課程。

1 虛擬儀器簡介

虛擬儀器技術是由美國國家儀器公司（National Instruments，NI）在1986年提出的一種構成儀器系統(tǒng)的新概念，其基本思想是：用計算機資源取代傳統(tǒng)儀器中的輸入、處理和輸出等部分，實現儀器硬件核心部分的模塊化和最小化，用計算機軟件和儀器軟面板實現儀器的測量和控制功能[7]。虛擬儀器通過應用軟件將計算機與儀器硬件結合起來，將傳統(tǒng)儀器的功能模塊化和軟件化，以達到自動測試分析的目的。用戶可以通過圖形化界面，輕松地完成儀器的啟動、運行和結束，以及對被測試對象的數據采集、分析、顯示、故障診斷、數據存儲、網絡通信以及控制輸出等功能[8]。

2 氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺的硬件設計

2.1 實驗平臺結構設計

氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺主要由氣動回路和數據采集與控制回路兩部分組成，系統(tǒng)結構圖和實物圖分別如圖1和圖2所示，主要元件的型號見表1。氣動回路主要由氣源、電磁閥、比例閥、壓力傳感器、氣缸等組成；數據采集與控制回路以PC機和數據采集卡為核心，由位移傳感器、力傳感器、加速度傳感器和相應的信號調理電路等組成。

圖2 氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺的實物圖

表1 氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺的主要元件組成

表1 （續(xù)）

PC機采用DELL的OptiPlex 780。數據采集卡采用美國NI公司的PCI6229多功能數據采集卡。PCI6229具有模擬輸入、模擬輸出、數字I／O、計數器I／O等功能。模擬輸入通道有單端輸入32路、差分輸入16路，分辨率為16位，最大采樣率為250kS／s。模擬輸出通道有4路，數據更新率為每通道625kS／s。數字I／O有48路，有2個定時／計數器，分辨率為32位，內部時鐘頻率為80MHz。該板卡的模擬輸入、模擬輸出電壓的最大范圍均為±10V[9]。

2.2 信號調理電路設計

雷尼紹光柵尺的輸出信號為差分信號，而PCI6229計數器的輸入端只能接收單端信號，因此需要設計信號調理電路將光柵尺的輸出差分信號A＋、A－、B＋、B－、Z＋、Z－轉換為PCI6229計數器可以 接收的單端信號A、B、Z，所設計的電路如圖3所示。

3 氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺的軟件設計

3.1 軟件開發(fā)平臺

本系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺是運行在Windows XP操作系統(tǒng)下的圖形化編程軟件LabVIEW。LabVIEW是美國NI公司推出的一種圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境，使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，使用大多數工程師所熟悉的數據流程圖式的語言編寫程序，是目前常用的虛擬儀器開發(fā)平臺[10]。

NI公司開發(fā)了兩套NI-DAQ（data acquisition，數據采集）驅動程序：Traditional NI-DAQ 和 NIDAQmx。PCI6229數據采集卡是基于計算機PCI總線技術，屬于M系列卡，只支持NI-DAQmx的數據采集方法。與Traditional NI-DAQ相比，NI-DAQmx有許多突出的新特性，比如：能更輕松地添加DAQ應用程序編程接口（API）的新特性和新設備，更有效的多線程數據采集，提高了數據采集性能，提高了驅動性能和可靠性，更便利的使用方式等[11]。如圖4所示，DAQ Assistant是一個圖形化的界面，用于交互式地創(chuàng)建、編輯和運行 NI-DAQmx虛擬通道和任務[12]。一個NI-DAQmx任務是虛擬通道、定時和觸發(fā)信息，以及其他與采集或生成相關屬性的組合。

3.2 系統(tǒng)軟件功能框圖

系統(tǒng)軟件的編寫采用模塊化的編程思想，系統(tǒng)軟件功能框圖見圖5。

圖5 氣動伺服系統(tǒng)實驗臺軟件功能框圖

（1）數據采集子模塊。包括氣缸輸出力、氣缸運動加速度、氣缸左右兩腔的壓力值4路模擬輸入信號和氣缸位置1路計數器輸入信號。

（2）參考信號生成子模塊。用于產生任意的給定參考信號。

（3）信號輸出子模塊。包括用于控制2個電氣比例閥的2路模擬輸出信號和用于控制2個電磁閥的2路數字輸出信號。

（4）信號處理子模塊。通過采樣得到的數值，結合給定參考信號，通過一定的控制算法，得到所需要的控制量的值。

（5）圖形化操作與顯示子模塊。利用LabVIEW豐富的界面實現人機交互功能，主要包括：測量數據的顯示，給定參考信號參數的設定，控制算法中參數的設定等。

（6）數據存儲子模塊。實現將測量的數據保存為文件。

3.3 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

4 氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺的功能介紹

4.1 基礎性實驗

本實驗主要面向大學三年級的學生開設選修實驗課，也可作為本科畢業(yè)生的畢業(yè)設計課題。主要的基礎實驗如下：

（1）氣動位置伺服系統(tǒng)PID控制器的設計；

（2）氣動位置伺服系統(tǒng)模糊控制器的設計；

（3）氣動力伺服系統(tǒng)PID控制器的設計；

（4）氣動力伺服系統(tǒng)模糊控制器的設計。

主要是讓學生在熟悉氣動伺服系統(tǒng)工作原理的基礎上，利用LabVIEW軟件中提供的PID工具包和模糊邏輯工具包進行控制器的設計，使學生對氣動伺服系統(tǒng)的設計有一定的理解和掌握。

4.2 綜合研究性實驗

本實驗主要面對碩士研究生、博士研究生開設的“控制科學實踐”選修實驗課，也可作為研究生的研究課題進行深入研究。主要的綜合研究實驗如下：

（1）氣動伺服系統(tǒng)數學模型的研究；

（2）氣動伺服系統(tǒng)運動控制的研究；

（3）氣動力／位置復合伺服系統(tǒng)的研究。

主要是讓研究生在熟悉氣動伺服系統(tǒng)工作原理的基礎上，利用該實驗平臺進行氣動伺服系統(tǒng)復雜控制理論與先進控制算法的實驗研究，使學生對氣動伺服系統(tǒng)的設計和實現有較深入的理解和掌握。

5 結束語

氣動伺服系統(tǒng)實驗平臺采用模塊化結構，針對性強，具有可擴展性和開放性，可以完成基礎教學、應用和科研等多個方面的研究。該實驗平臺有助于學生全面了解氣動伺服系統(tǒng)的工作原理及其應用技術，不僅增加了學生的實驗操作技能，使學生對所學習的基本理論、基本技能得到綜合訓練和提高，而且有利于學生拓展視野，學習新技術、新手段，提高學生的學習興趣，為學生今后的學習和工作打下堅實的基礎。

（References）

[1]SMC（中國）有限公司.現代實用氣動技術[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]吳振順.氣壓傳動與控制[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995.

[3]王永昌，潘先耀.氣動伺服控制系統(tǒng)及閥的應用形式[J].燕山大學學報，2002，26（3）：206-208.

[4]彭太江，楊志剛，闞君武，等.電－氣比例／伺服技術現狀及其發(fā)展[J].農業(yè)機械學報，2005，36（6）：126-130.

[5]王雪松，程玉虎，易建強.電－氣位置伺服控制系統(tǒng)的研究進展[J].控制與決策，2007，22（6）：601-607.

[6]彭熙偉，陳金兵，范偉，等.《流體傳動與控制基礎》精品課程的建設與實踐[J].液壓與氣動，2012（5）：108-110.

[7]李江全.虛擬儀器設計測控應用典型實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[8]王立強，盧琴芬，葉云岳，等.基于虛擬儀器的三相直線感應電機靜態(tài)測試系統(tǒng)[C]／／Proceedings of the 26thChinese Control Conference，Zhangjiajie，Hunan，China，2007：281-285.

[9]林朝陽，葉曉慧，姚祖文.基于PCI-6229的數據采集方法[J].艦船電子工程，2007（6）：148-150.

[10]基于LabVIEW的氣動比例伺服系統(tǒng)模型辨識研究[J].實驗技術與管理，2009，26（6）：76-79.

[11]劉勝，張?zhí)m勇，章佳榮，等.LabVIEW 2009程序設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[12]三維書屋工作室，胡仁喜，高海賓.LabVIEW 2010中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.