基于PXI的電液伺服作動(dòng)器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

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)簡(jiǎn)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?jīng)]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。

    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)簡(jiǎn)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。

    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。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。[!--empirenews.page--]
    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。
    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(mǎn)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。
    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(mǎn)足了性能需求。
    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。[!--empirenews.page--]

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。

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)。