秦永晉，付力揚，郭亮

（洛陽LYC軸承有限公司航空精密軸承國家重點實驗室，河南洛陽，471003）

基于labview的壓力反饋和控制系統(tǒng)研究

秦永晉，付力揚，郭亮

（洛陽LYC軸承有限公司航空精密軸承國家重點實驗室，河南洛陽，471003）

在labview軟件環(huán)境下，本文設計了一種壓力反饋和控制系統(tǒng)。而該系統(tǒng)能夠利用模糊PID控制器實現(xiàn)氣缸壓力跟蹤和反饋，并通過控制氣動閥實現(xiàn)氣缸壓力精確調節(jié)，因此能夠滿足壓力反饋和控制要求。

labview；壓力反饋；壓力控制；系統(tǒng)設計

0 引言

在壓力反饋和調節(jié)控制方面，利用labview進行系統(tǒng)設計能夠提高壓力系統(tǒng)的壓力控制能力。作為由NI公司開發(fā)的編程語言，labview可用于進行虛擬儀器軟件的開發(fā)。利用labview，不僅能夠使虛擬儀器的開發(fā)周期得到縮短，也能使開發(fā)得到產(chǎn)品質量得到提高。而壓力的測量和控制有著較高的精度和響應速度要求，應用labview則能完成壓力反饋和控制程序的靈活編寫，從而滿足系統(tǒng)的測控要求。

1 系統(tǒng)原理分析

在研究壓力反饋和控制問題時，可以空氣壓縮氣缸為控制對象，通過將壓力傳感器與氣缸進氣口連接起來完成電壓信號的實時采集，并利用PID算法進行數(shù)據(jù)運算。通過將運算結果傳輸至比例方向控制閥，則能對進入氣缸的空氣流量進行控制，進而通過調節(jié)氣缸壓力達到要求的壓力值[1]。在建模的過程中，還要將工作介質看成是理想氣體，并假設供氣壓力與溫度保持恒定，氣缸中氣體均勻分布且無泄漏。在此基礎上，才能得到理想的比例方向閥傳遞函數(shù)。而考慮到閥的特性可能受到放大器的影響，所以還要采用電流負反饋放大器，以確保閥的控制電壓與閥芯位移呈近似線性的關系[2]。結合氣缸活塞平衡關系，則能得到如下式（1）的壓力系統(tǒng)模型。在式中，Gs為系統(tǒng)傳遞函數(shù)，kn表示的是系統(tǒng)速度放大系數(shù)，wn和ξn分別為系統(tǒng)固有頻率和阻尼比。

在壓力控制上，還要采用模糊控制方式進行系統(tǒng)操縱。如下表1所示，為系統(tǒng)模糊控制規(guī)則。根據(jù)模糊控制理論可知，E和EC分別代表誤差和誤差變化率，N和P分別代表負和正，B和S分別代表大和小，M代表中等，ZE代表的是零[3]。通過將這些元素采取不同的方式組合在一起，則能完成模糊集誤差、誤差變化率和輸出變量的狀態(tài)描述。采取該種方法，則能完成模糊控制器的設計，然后利用控制器完成壓力控制。

表1 系統(tǒng)模糊控制規(guī)則

2 系統(tǒng)設計研究

利用labview進行壓力反饋和控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)，可以利用軟件易學易用的特點實現(xiàn)系統(tǒng)快速開發(fā)。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，可以利用labview提供的多種工具完成系統(tǒng)模型的輕松創(chuàng)建，并進行系統(tǒng)應用程度的輕松編寫。因此，應用labview進行壓力反饋和控制系統(tǒng)開發(fā)，能夠使系統(tǒng)開發(fā)速度提高4-10倍左右。

2.1 系統(tǒng)結構設計

如下圖1所示，系統(tǒng)由計算機、數(shù)據(jù)采集卡、比例伺服閥、壓力傳感器和彎曲氣缸等部分組成。系統(tǒng)的軟件平臺為labview2011，數(shù)據(jù)采集卡為阿爾泰USB-2833。從系統(tǒng)運行角度來看，想要利用閉環(huán)反饋壓力控制系統(tǒng)實現(xiàn)壓力的調節(jié)和控制，還要使氣缸預先達到定義的壓力值。在這一過程中，氣體會先從伺服閥進入氣缸，從而促使氣缸產(chǎn)生壓力。在氣缸壓力推動下，金屬管會發(fā)生彎曲，氣缸內的壓力則會被壓力傳感器檢測得到[4]。通過將氣壓信號轉化為電壓信號，并將信號輸入到數(shù)據(jù)采集模塊中，上位機則能完成實際壓力與目標壓力的比較和分析，并將得到的偏差輸入到PID控制模塊。利用labview的PID工具包，模塊則能得到壓力控制量，并利用數(shù)據(jù)采集卡將控制量傳輸至伺服閥中，最終實現(xiàn)氣缸的壓力控制。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

從系統(tǒng)硬件設計上來看，系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)卡擁有12位采樣精度，能夠達到500ks/s的采樣速率。應用該種數(shù)據(jù)采集卡，能夠為16路模擬輸入提供支持，并擁有4路模擬輸出。此外，該種采集卡還擁有8個數(shù)字I/O端口，并配有16位計數(shù)器。系統(tǒng)采用的壓力傳感器擁有0-10V輸出電壓，本身具有結構簡單、通用性強和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。由于壓力傳感器輸出的信號為差分信號，即氣缸壓力與大氣壓的差值，容易受到其他因素的干擾，所以還要利用AD620進行壓差信號的放大處理。而AD620由3個運放組成，內部結構高度對稱，擁有較大的輸入阻抗和共模抑制比，所以能夠對信號的共模干擾進行有效抑制。此外，系統(tǒng)采用的伺服閥為氣動閥，輸入電壓在0-10V范圍內，本身結構較為簡單，并且價格較低，可以通過控制介質方向實現(xiàn)閥門開關控制。

2.3 Labview軟件設計

在軟件設計上，系統(tǒng)前面板由控制件和顯示件構成，前者由PID參數(shù)、轉換開關、采樣頻率和矯正變量補償?shù)葍热輼嫵?，后者由傳感器電壓和壓力值等內容構成。在系統(tǒng)應用時，首先需要完成采樣參數(shù)設置，然后在進行傳感器標定選擇。將氣源打開后，則可以進行目標壓力的設定，然后利用系統(tǒng)實現(xiàn)PID控制。應用labview提供的模糊控制器圖形化設計工具，則能實現(xiàn)模糊控制器的設計。而該種模糊控制器工具中包含模糊隸屬函數(shù)編輯器、輸入輸出性能測試和模糊規(guī)則庫編輯器三個部分，能夠進行人機友好界面的提供，所以能夠使用戶設計模糊PID控制器的需求得到滿足。從系統(tǒng)操作界面上來看，則包含主操作界面、歷史回放界面和數(shù)據(jù)存儲界面等多個模塊。在主操作界面上，可以顯示出壓力傳感器采集得到的壓力信號。在該界面，通過調用參數(shù)設置函數(shù)，則能完成伺服閥控制參數(shù)的設置。

為驗證系統(tǒng)軟件的有效性，可以使用FESTO實驗臺進行測試。在測試的過程中，需結合系統(tǒng)特點，并使用虛擬儀器技術，利用氣動流量閥和電氣轉換元件完成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的構建，進而實現(xiàn)高精度的壓力控制。在測試過程中，需要利用PID經(jīng)驗參數(shù)化法對控制器進行調試，即進行KP、KI、KD等參數(shù)的調試，以降低系統(tǒng)調節(jié)時間、穩(wěn)態(tài)偏差和過沖。通過調節(jié)測試，可確定系統(tǒng)控制參數(shù)KP、KI、KD分別為9、31和55。如下圖1，為利用模糊PID控制算法得到的正弦波跟蹤實驗結果。從實驗結果可以看出，采用PID控制器幾乎不存在跟蹤滯后和超調問題，能夠以較高的精度實現(xiàn)對正弦波的控制，因此能夠在氣體壓力控制系統(tǒng)中得到有效運用。

圖1 系統(tǒng)軟件測試結果

4 結論

利用Labview編程語言進行壓力反饋和控制系統(tǒng)的設計，能夠獲得操作簡便、編程容易、擴展性好的壓力控制系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)進行氣缸壓力控制，能夠精確達到目標壓力值，并在較短時間內實現(xiàn)氣缸壓力的調節(jié)。因此，相信隨著相關技術的發(fā)展，該種壓力反饋和控制系統(tǒng)也將獲得較好的應用前景。

[1]曾博才.基于Labview的壓力控制脈搏采集系統(tǒng)[J].電子設計工程,2012,11:57-60.

[2]段振霞,劉建國,楊勇明.基于LabVIEW的氣動比例壓力控制系統(tǒng)設計[J].計算機與數(shù)字工程,2015,03:442-445+461.

[3]陳華豪.LabVIEW設計的虛擬儀器在化工過程中對壓力和溫度控制的應用[J]. 化工管理,2016,02:12-13.

[4]盧青,付永忠,潘云峰等.基于LabVIEW的電子壓力機壓力位移測控系統(tǒng)設[J].機床與液壓,2016,11:125-127+137.

Research on pressure feedback and control system based on LabVIEW

Qin Yongjin,Fu Liyang,Guo Liang
(Luoyang LYC Bearing Co., Ltd. State Key Laboratory of precision bearing,Luoyang Henan,471003)

In this paper, a pressure feedback and control system is designed in the LabVIEW software environment. The system can make use of fuzzy PID controller to achieve the cylinder pressure tracking and feedback, and through the control of pneumatic valve to achieve accurate adjustment of cylinder pressure, so it can meet the requirements of pressure feedback and control

LabVIEW; pressure feedback; pressure control; system design

秦永晉（1987-）,男，助工，主要從事電氣自動化控制。