楊 濤，楠 丁，侯守全

(1．內(nèi)蒙古工業(yè)大學機械學院，呼和浩特 010051；2．內(nèi)蒙古液壓技術研究所，呼和浩特 010051)

0 引言

液壓傳動主要是利用液體壓力能來傳遞能量[1]。液壓傳動系統(tǒng)一般具有結構輕巧、傳動比大、運行平穩(wěn)、易于實現(xiàn)無級調(diào)速及能實現(xiàn)自動控制等眾多優(yōu)點，而被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領域[2-3]。

文中研發(fā)了一套液壓試驗測控系統(tǒng)，通過電液比例閥控制管路流量，并通過3個氣動球閥控制3個工作管路的啟閉。試驗系統(tǒng)包括管路部分與測控部分，測控部分采用上位機—下位機控制模式，由上下位機共同構成測控部分?；谠摐y控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)如下具體功能：試驗數(shù)據(jù)的高速連續(xù)采集；液體流量的自動調(diào)節(jié)；數(shù)據(jù)文件自動創(chuàng)建與存儲，歷史數(shù)據(jù)的讀取與曲線的生成，一鍵生成歷史報表等。

測控系統(tǒng)選擇了LabVIEW作為其軟件載體。LabVIEW不僅可以作為一個開發(fā)平臺，應用于一般的數(shù)據(jù)管理、科學計算等方面應用程序的開發(fā)，其最大的優(yōu)勢還在于測控系統(tǒng)的開發(fā)。它不僅提供了幾乎所有經(jīng)典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級信號分析工具，而且LabVIEW程序還非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成，可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場總線通信以及與大多數(shù)通用標準的實時數(shù)據(jù)庫連接[4]。LabVIEW為先進的測試與儀器軟件提供了最佳的開發(fā)平臺，它已經(jīng)成為圖形化編程語言的工業(yè)標準[5]?；贚abVIEW開發(fā)的測控系統(tǒng)，在科研與工程的各領域得到廣泛應用。

1 測控系統(tǒng)的技術要求與設計思路

1．1硬件技術要求與配置

在信息科技高速發(fā)展的今天，通過采集硬件已能滿足并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)高速采集，并且相關功能的產(chǎn)品已經(jīng)大面積推廣到了市場上，用戶可以根據(jù)自己的需要方便地購買適合自己的產(chǎn)品。經(jīng)過仔細地篩選，選擇了PCI8603數(shù)據(jù)采集卡，承擔主要的測量控制任務。PCI8603數(shù)據(jù)采集卡是一款基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計算機內(nèi)的任一PCI插槽中，構成實驗室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等各種領域的數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)，也可構成工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。

該試驗中，共需要用到AD輸入、DA輸出、DI輸入以及DO輸出功能。由于采集卡只識別標準電壓信號，而傳感器輸出的信號通常是4～20 mA的小電流信號，所以，在傳感器與采集卡之間需要安裝一個信號調(diào)理設備，用以將小電流信號調(diào)理為標準電壓信號。該試驗選用了16路調(diào)理接線端子板AI-IV16A，與PCI8603數(shù)據(jù)采集卡配套使用。其輸入信號為4～20 mA電流，輸出信號為0～5 V電壓，并且具備有源低通濾波屬性。試驗系統(tǒng)硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 測控系統(tǒng)硬件結構框圖

1．2軟件設計思路

1．2．1 軟件框架的建立

基于測量控制系統(tǒng)的具體技術要求，首先要構建測控系統(tǒng)的軟件框架。試驗中，共需測量壓力、溫度、力、流量等參數(shù)，其中流量值要實現(xiàn)計算機自動調(diào)節(jié)，形成一個閉環(huán)回路。在試驗管路中需要放置3個氣動球閥，同時為防止誤操作，三氣動球閥要實現(xiàn)互鎖控制，而這種互鎖控制要通過軟件來實現(xiàn)。這樣的要求對軟件的框架結構產(chǎn)生了一定的影響。

在LabVIEW中，程序結構的靈活應用至關重要，程序框架的建立與結構的選擇密切相關。為此，LabVIEW提供了豐富的結構類型，例如：順序結構、條件結構、事件結構、循環(huán)結構、定時結構等。根據(jù)該試驗的具體操作流程，嘗試利用事件結構做框架，再嵌套入循環(huán)結構的思想來完成軟件框架的建立，但最后以失敗告終，原因是，當事件結構內(nèi)嵌套入循環(huán)結構時，循環(huán)結構無法跳出，會形成死循環(huán)，從而使采集過程無法停止，最終導致程序崩潰。因此，采用了平鋪式順序結構作為最外層結構，將while循環(huán)結構嵌套入其中。在while循環(huán)中，并列安排若干個條件結構，并利用布爾型按鈕分別控制其實現(xiàn)條件。在一號、二號、三號的“真”條件框圖中，分別建立3個布爾型按鈕的屬性節(jié)點?？蚣艿木唧w結構見圖2。

圖2 測控系統(tǒng)軟件框架示意圖

最外層平鋪式順序結構的第一幀內(nèi)容用來初始化各按鈕的狀態(tài)以及啟用情況。在第二幀中，將整個系統(tǒng)的程序框圖置于一個while循環(huán)中，其停止條件按鈕命名為“停止系統(tǒng)”，條件成立時跳出循環(huán)，整個系統(tǒng)停止工作。最上方3個條件結構分別由3個布爾開關控制其實現(xiàn)條件，“假”條件框圖內(nèi)沒有執(zhí)行程序，“真”條件框圖內(nèi)分別建立其余2個布爾開關的屬性節(jié)點，屬性節(jié)點類型為“禁用”。當其中一個按鈕按下時，條件結構內(nèi)的程序就會執(zhí)行，將另外2個按鈕“禁用并變灰”。同時建立一個“復位”條件結構，其“真”條件中，首先創(chuàng)建3個按鈕的屬性節(jié)點，節(jié)點類型分別為“值”和“禁用”。再將3個“值”屬性節(jié)點放入順序結構的第一幀中，3個“禁用”屬性節(jié)點放入第二幀。這樣便可以通過單擊復位按鈕解除其余兩個按鈕的禁用狀態(tài)，同時將其值回復到初始狀態(tài)。因為4個按鈕并列存在于循環(huán)結構中，所以CPU會循環(huán)地掃描按鈕的狀態(tài)，從而可以隨時執(zhí)行氣動球閥的開關命令，最終實現(xiàn)三按鈕互鎖的功能。

圖2僅是軟件框架的示意圖，圖中省略了大部分程序框圖的內(nèi)容，只保留了能夠闡明系統(tǒng)框架的部分。程序框架的設計思路對整個測量控制系統(tǒng)的建立起著至關重要的作用，并為其他各模塊功能的實現(xiàn)提供了有力地支撐，后續(xù)功能的實現(xiàn)只需要在框架中的對應位置分別填充進去即可。

1．2．2 其余部分的建立

測量控制系統(tǒng)其余部分要以軟件的框架為基礎，分別嵌入在框架的各部分中。其中包括以下內(nèi)容：

(1)為試驗系統(tǒng)設立急停按鈕，并將急停按鈕的操作權限設置為最高。

(2)創(chuàng)建試驗數(shù)據(jù)的連續(xù)采集與處理功能，并能夠自動創(chuàng)建數(shù)據(jù)記錄文件。

(3)設計試驗數(shù)據(jù)的讀取與回放功能。在試驗完成后，主要的工作是對試驗數(shù)據(jù)的分析與處理，并觀察試驗數(shù)據(jù)的圖形曲線。曲線以時間為橫軸，分別顯示整個試驗時間段內(nèi)的各項數(shù)據(jù)曲線。

(4)建立一鍵生成歷史報表功能。

2 數(shù)據(jù)連續(xù)采集與PID調(diào)節(jié)部分的程序設計

在測量控制系統(tǒng)中，測量控制任務的執(zhí)行者是若干硬件設備，但操作人員是通過操作計算機完成試驗過程的，因此，在計算機與硬件設備之間都有與之相對應的驅(qū)動程序存在，他們起著“橋梁”的作用，用來溝通計算機與硬件設備。在進行編程時，可以方便地調(diào)用這些驅(qū)動接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能。需要指出的是，PCI8603的驅(qū)動接口均屬于外掛式驅(qū)動接口，它是通過LabVIEW的Call Larbrary Function功能模塊實現(xiàn)的。他的特點是除了自身的語法略有不同以外，每一個基于LabVIEW的驅(qū)動圖標與Visual C++、Visual Basic、Delphi等語言中的每個驅(qū)動函數(shù)是一一對應的，其調(diào)用流程和功能是完全相同的。

由于驅(qū)動程序采用面向?qū)ο蟮木幊?，所以要使用設備的一切功能，就必須首先使用CreatDevice函數(shù)創(chuàng)建一個設備對象句柄hDevice。有了這個句柄，就擁有了對該設備的絕對控制權，然后將此句柄作為參數(shù)傳遞給相應的驅(qū)動函數(shù)即可。

試驗中將要用到很多驅(qū)動函數(shù)接口，現(xiàn)將其圖標與功能列舉如下，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動函數(shù)圖標示意圖

CreatDevice函數(shù)：該函數(shù)使用邏輯號創(chuàng)建設備對象，并返回其設備對象的句柄hDevice。

InitDeviceAD函數(shù)：它負責初始化設備對象中的AD部件，為設備的操作就緒做有關的準備工作，如預置AD采集通道、采樣頻率等。

StartDeviceAD函數(shù)：啟動AD設備。

InitDeviceDA函數(shù)：它負責初始化設備對象中的DA部件。

ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)：使用FIFO的非空標志讀取AD數(shù)據(jù)到用戶緩沖區(qū)。

WriteDeviceOneDA函數(shù)：DA單點輸出函數(shù)，通過DA通道以單點的形式輸出指定的電壓值。

EnableDeviceDA函數(shù)：啟動DA設備。

SetDeviceTrigDA函數(shù)：在指定通道被啟動后，可由此函數(shù)以軟件產(chǎn)生觸發(fā)事件。

DisableDeviceDA函數(shù)：暫停DA設備。

ReleaseDeviceDA函數(shù)：釋放掉設備上的DA部件。

StopDeviceAD函數(shù)：暫停AD設備。

ReleaseDeviceAD函數(shù)：釋放設備上的AD部件。

ReleaseDevice函數(shù)：釋放設備對象所占有的系統(tǒng)資源及設備對象自身。

應該注意的是，CreatDevice函數(shù)必須和ReleaseDevice函數(shù)一一對應，即當執(zhí)行了一次CreatDevice函數(shù)后，再一次執(zhí)行這些函數(shù)前，必須執(zhí)行一次ReleaseDevice函數(shù)，以釋放掉CreatDevice函數(shù)占用的系統(tǒng)軟硬件資源。只有這樣，當再次調(diào)用CreatDevice函數(shù)時，那些軟硬件資源才可被再次使用。

在利用LabVIEW編程時，最大的難點在于流量的閉環(huán)控制，比例流量閥流量輸出公式如下：

(1)

式中：q為通過閥口的流量值；Cd為閥口的流量系數(shù)，紊流時近似為常數(shù)；ω為矩形節(jié)流閥口的面積梯度；Xv(i)為滑閥閥口的開度；ρ為流體的密度；Δp為閥口兩端的壓力差。

式中可見流量受滑閥的閥口開度、流體的密度以及閥口兩端的壓力差這3個參數(shù)的影響。3個參數(shù)中任意一個發(fā)生變化，都會帶來流量值的波動。因此，動態(tài)調(diào)節(jié)比例流量閥的開度就顯得十分重要。

在工業(yè)過程控制中，PID控制的特點是原理簡單，適應性強，魯棒性強。而且其應用時期較長，控制工程師們已經(jīng)積累了大量的PID控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)經(jīng)驗[6-8]。其輸入與輸出的關系如下：

(2)

式中：u為調(diào)節(jié)器輸出；e為誤差；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時間；TD為微分時間。

將PID控制應用到本試驗的比例流量控制中，利用計算機程序處理代替?zhèn)鹘y(tǒng)的智能控制儀進行PID計算，計算結果轉(zhuǎn)換成控制信號后，通過輸出板卡和放大器輸送到執(zhí)行設備中，省去了智能控制儀，簡化了設備，增強了設備的操作性，提高了控制的可靠性，也降低了成本[9]。

由于軟件框架已建立起來，數(shù)據(jù)連續(xù)高速采集模塊的程序框圖只需要嵌入到框架中的相應位置中去即可。其對應的位置就在框架中“開始采集”條件成立后的while循環(huán)里。

首先確定選用平鋪式順序結構作為循環(huán)內(nèi)部的基本框架，根據(jù)不同函數(shù)接口的不同功能，分別在每一幀中添加對應的驅(qū)動函數(shù)。添加第一幀，將CreatDevice函數(shù)置于其中，創(chuàng)建設備對象的句柄hDevice。添加第二幀，放置InitDeviceAD函數(shù)與StartDeviceAD函數(shù)，用于初始化設備的各項參數(shù)并啟動AD設備。在第二幀中還需要添加一個LabVIEW本身的“初始化數(shù)組”函數(shù)。這是因為采集過程需要在內(nèi)存中開辟出一定大小的空間作為用戶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用來存放從板卡中讀入的數(shù)據(jù)。其大小不能小于ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)一次讀入數(shù)據(jù)的大小。在內(nèi)存中開辟的空間將作為參數(shù)輸入到ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)的參數(shù)入口中。添加第三幀，放置InitDeviceDA函數(shù)，初始化DA設備。添加第四幀，放置ReadDeviceProAD_Npt函數(shù)，這一幀作為采集動作執(zhí)行的關鍵一幀。添加第五幀，放置PID控制器與WriteDeviceOneDA函數(shù)，將PID控制器的輸出口與單點輸出函數(shù)的輸入口相連，這樣就可以實現(xiàn)流量值的自動調(diào)節(jié)。其程序框圖見圖4。

圖4 PID控制器與單點輸出函數(shù)

后面的程序框圖，則按照流程順序分別放置EnableDeviceDA函數(shù)、SetDeviceTrigDA函數(shù)、DisableDeviceDA函數(shù)、ReleaseDeviceDA函數(shù)。到此處，循環(huán)內(nèi)的程序框圖已經(jīng)創(chuàng)建完畢，之后系統(tǒng)會循環(huán)執(zhí)行其中的程序，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的連續(xù)高速采集與流量的自動調(diào)節(jié)。在循環(huán)之外，再分別放置StopDeviceAD函數(shù)、ReleaseDeviceAD函數(shù)，最后放置ReleaseDevice函數(shù)，釋放系統(tǒng)軟硬件資源，完成整個試驗過程，停止系統(tǒng)。

3 測控實例

在壓力源壓力恒定，前端負載無變化的條件下，對該系統(tǒng)進行了試驗。試驗的流體介質(zhì)選擇了煤油，將流量控制目標值設定為40 L/min，測控系統(tǒng)采集時間設定為12 s，即在12 s內(nèi)對管路流量進行閉環(huán)控制，并且使流量值穩(wěn)定在40 L/min上下，實時監(jiān)測流量值。經(jīng)過PID參數(shù)整定，選取了一組合適的PID參數(shù)，得到了如圖5所示的測量控制效果：

圖5 系統(tǒng)試運行的測量控制效果

圖5中的曲線是試驗之后，在歷史數(shù)據(jù)讀取前面板上得到的。因為流量計有一個最小測量值，當實際流量小于最小測量值時，流量計讀數(shù)始終為零，因此曲線前一小段讀數(shù)為零?？梢钥吹搅髁恐祷痉€(wěn)定在目標值上下，并在目標值上下小幅調(diào)整。

4 結束語

在調(diào)試運行的過程中，該系統(tǒng)運行順暢，具有良好的數(shù)據(jù)采集與處理能力?？刂乒δ苤?，氣動球閥動作可靠，比例流量閥的自動調(diào)節(jié)準確快速，為試驗人員完成試驗任務提供了有力的支持。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

(1)具備三按鈕互鎖功能，使試驗管路的球閥無法同時打開，防止誤操作，提高了系統(tǒng)安全性。

(2)對流量進行了閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的自動化水平。

(3)創(chuàng)建了歷史數(shù)據(jù)讀取與曲線生成功能，方便試驗人員隨時觀測試驗數(shù)據(jù)曲線。

(4)一鍵生成歷史報表，減少了不必要的重復勞動。

參考文獻：

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作者簡介：楊濤(1960—)，教授，主要研究領域為機電液一體化裝備設計與開發(fā)。E-mail：mcyys@imut．edu．cn