基于PXI的電液伺服作動器控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：針對某工程機械中的作動器裝置，利用其液壓系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了一種基于PXI的電液伺服作動器控制系統(tǒng)。在介紹作動器液壓回路工作原理的基礎(chǔ)上，簡述了控制系統(tǒng)的設(shè)計方案及其組成。該設(shè)計解決了該作動器開環(huán)控制誤差大的問題，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。
關(guān)鍵詞：電液伺服閥；伺服系統(tǒng)；作動器；PXI；LabVIEW

0 引言
    作動器是一種以液壓油為動力源的擺動機構(gòu)，在飛行器的升降翼、方向舵、水平襟翼以及坦克、船舶、火車等多種需要擺動機構(gòu)的場合得到了廣泛的應(yīng)用。本文的電液伺服作動器是某工程項目中驅(qū)動機械裝置動作的傳動設(shè)備，該作動器的主要作用是利用作動簡的動作驅(qū)動相應(yīng)裝置產(chǎn)生動作，從而實現(xiàn)對該機械裝置運動軌跡的控制。因此作動器的動作性能指標直接影響到該工程機械裝置的工作安全。
    然而，目前大多文獻及研究是以單片機或DSP為控制單元實現(xiàn)對電液伺服作動器的閉環(huán)控制，其控制策略復(fù)雜，復(fù)用性差等缺點使其在工程應(yīng)用中越來越不能適應(yīng)實際工況的要求。近幾年，隨著虛擬儀器測試平臺的快速發(fā)展，越來越多的工業(yè)控制開始利用該平臺進行相關(guān)技術(shù)的研究與開發(fā)。虛擬儀器測試平臺強大的控制、處理能力及標準化、模塊化等優(yōu)點使其成為當今控制領(lǐng)域的主流控制工具。
    本文根據(jù)電液伺服作動器的工作原理，結(jié)合作動器伺服機構(gòu)開環(huán)的工作特性，提出一種基于虛擬儀器測試平臺PXI架構(gòu)的電液伺服作動器的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于完成對該類作動器伺服機構(gòu)的閉環(huán)控制，實現(xiàn)作動筒及主控閥上位移傳感器所測量的參數(shù)可調(diào)可顯示，并且為作動器提供二次電源，達到高安全性的控制要求。系統(tǒng)通過作動筒上位移傳感器反饋的參數(shù)與操作界面上輸入?yún)?shù)進行比較，產(chǎn)生誤差信號控制伺服閥的開度，使作動筒達到?jīng)]定位置，實現(xiàn)機械裝置特定位置的動作，完成控制要求。

1 電液伺服作動器控制系統(tǒng)的組成及工作原理
    控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)由人機交互界面、控制級和伺服放大級組成，如圖1所示。人機交互界面主要是對作動器工作參數(shù)進行設(shè)置與顯示；控制級為控制系統(tǒng)的核心部分，主要完成對作動器伺服機構(gòu)的閉環(huán)控制；伺服放大級包括傳感器激勵、信號解調(diào)、電源輸入及電磁閥驅(qū)動等部分。

    為了更好地說明控制系統(tǒng)的工作機理，下面對作動器伺服機構(gòu)的工作原理給予簡單介紹。如圖2所示，在正常工作情況下，伺服機構(gòu)的液壓源正常，電磁閥SOV有電，電液伺服閥EHSV得電，它是通過電流信號控制主控閥的閥芯滑動，進而控制進入作動筒內(nèi)的油量，使作動簡的活塞桿產(chǎn)生相對位移，從而實現(xiàn)機械裝置的動作。當SOV失電或液壓源出現(xiàn)故障時，相應(yīng)旁通閥動作，將此油路對應(yīng)的作動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)生動作，觸碰微動開關(guān)，使其產(chǎn)生動作，該動作經(jīng)由相關(guān)電路調(diào)整為電信號，在操作界面上顯示。

    由此可見，機械裝置動作是由作動筒的動作驅(qū)動，而作動筒的動作是靠液壓油所產(chǎn)生的壓力推動作動筒的活塞實現(xiàn)。若要控制作動筒的活塞運動就必須控制液壓油。在伺服機構(gòu)工作原理敘述中可以看到，整個作動器的液壓油主要靠電液伺服閥來控制。
    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轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的運動，而閥的運動又可以控制液壓油流向液壓執(zhí)行機構(gòu)的流量與壓力，實現(xiàn)電液信號的轉(zhuǎn)換和放大，以及對液壓執(zhí)行機構(gòu)的控制。電液伺服閥的工作機理為輸入量是電流，輸出量則是和輸入量成正比的負載壓力或負載流量。
    因此，可以通過控制電液伺服閥的輸入電流來實現(xiàn)對液壓油壓力及流量的控制，從而使作動筒產(chǎn)生相應(yīng)位移，即完成對機械裝置動作的控制。簡單來說，控制系統(tǒng)主要依靠作動筒位移傳感器輸出參數(shù)與輸入?yún)?shù)之間的差值實現(xiàn)對作動筒位移的控制，最終達到機械裝置的動作要求，在功能上實現(xiàn)作動器的閉環(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
    由于該工程項目中的控制系統(tǒng)要求具有優(yōu)越的性能及廣泛的適用范圍，因此，根據(jù)伺服機構(gòu)的工作條件及工作原理，依據(jù)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、自動處理能力強的原則，利用NI公司的PXI測試平臺和LabVIEW圖形化編程環(huán)境設(shè)計了一個面向控制對象的實時數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)由上位機、下位機和測控單元組成，其中上位機是基于LabVIEW平臺的工業(yè)控制計算機，下位機是基于PXI的測試平臺，主要由PXI實時系統(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平臺的工控機用來顯示人機交互界面，界面上設(shè)置有操作面板，且前置有USB、開關(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，因此上位機采用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW，以使上位機與下位機具有良好的系統(tǒng)兼容性。
    根據(jù)系統(tǒng)的工作特點及技術(shù)要求，需研制體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、耐久性強等特點的控制系統(tǒng)?；赑XI平臺的硬件部分具有產(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，可升級性好，提供了較好的抗沖擊、抗震動、防高溫等方面的保護及使用壽命長等優(yōu)點。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)的開發(fā)效率，增強了系統(tǒng)的可擴展性，是控制該機械系統(tǒng)的新手段。
    圖4中所示的為PXI硬件的主機箱體，相當于個人計算機的主機箱，本系統(tǒng)的主機配置為基于PXI架構(gòu)的實時系統(tǒng)，該主機運行于工業(yè)控制計算機并通過操作界面進行系統(tǒng)配置，執(zhí)行控制工作，并管理報警與警告信息，運行于主機的實時系統(tǒng)為主機的核心部分，用以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和輸出的PID閉環(huán)控制，并對采集數(shù)據(jù)進行快速存儲，系統(tǒng)提供大的存儲容量且可以隨時進行數(shù)據(jù)的調(diào)用及分析，從而滿足了性能需求。
    本設(shè)計采用PXI硬件支持功能模塊的嵌入，設(shè)計中可將PXI單元嵌入基于PXI系統(tǒng)的主機箱中，達到作動器控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要求，由于PXI的實時系統(tǒng)可以實現(xiàn)所采集數(shù)據(jù)的實時處理和高級分析，因此工作性能較其他以PC單元實現(xiàn)的控制系統(tǒng)更為優(yōu)越。
    PXI單元包含有四個模塊：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)分為兩個液壓通道，因此將AI配置為雙通道，用來接收測控單元采集到的位移傳感器信號，并由PXI系統(tǒng)進行分析處理，最后將信號傳送給工控機用以在面板上顯示。同樣地，AO也采用兩個通道，將界面上由人工設(shè)置的參數(shù)信號通過AO輸出，經(jīng)由測控單元相應(yīng)硬件調(diào)理，輸入給伺服機構(gòu)一個控制電液伺服閥開度的電流信號，通過流經(jīng)伺服閥的流量來控制作動筒活塞的位移，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構(gòu)中開關(guān)閥、微動開關(guān)、報警器等其他狀態(tài)信息的輸入／輸出通道，其傳輸?shù)男盘柖紴殚_關(guān)量。  DI為數(shù)字輸入，用于微動開關(guān)的狀態(tài)傳輸。微動開關(guān)動作由相關(guān)電路調(diào)理后，產(chǎn)生的電信號由DI傳送給PXI的實時系統(tǒng)，最終由界面顯示。DO數(shù)字輸出，用于開關(guān)閥的狀態(tài)信息傳輸。
    本系統(tǒng)的測控單元采用自行設(shè)計的電路板形式實現(xiàn)對伺服機構(gòu)中信號的采集、調(diào)整、輸出等功能。該單元是連接下位機和伺服機構(gòu)的中介模塊。它接收伺服機構(gòu)中位移傳感器及其他設(shè)備的信號，經(jīng)過相應(yīng)的電壓／電流轉(zhuǎn)換及調(diào)理后，將信號輸入PXI的實時操作系統(tǒng)處理分析，最后傳送給工控機用以顯示。同時，測控單元也可接收由PXI單元通過工控機輸入的控制信號，經(jīng)過相應(yīng)信號的轉(zhuǎn)換及調(diào)理，對伺服機構(gòu)的各種狀態(tài)進行控制。
    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)計本控制系統(tǒng)時考慮到該裝置在應(yīng)用中的重要性，特別在測控單元配備有伺服機構(gòu)所需的二次電源，由測控單元里的驅(qū)動器提供，主要用來驅(qū)動機構(gòu)中電液伺服作動器的電磁開關(guān)。另外，測控單元為伺服機構(gòu)中的位移傳感器提供激磁電源，由單元中的激勵器提供。測控單元中的調(diào)理器是對位移信號及其他狀態(tài)信號進行調(diào)理以使信號能夠更加準確無擾動誤差地進行傳輸。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用虛擬儀器開發(fā)軟件LabVIEW，運用圖形化G語言作為編程形式。G語言是一種面向?qū)ο蟮哪K化編程語言，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，實時性好，具有良好的人機界面。
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計分為輸出人機交互界面與控制程序兩部分，都是在LabVIEW圖形化集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)的，將編寫之后的程序代碼下載到PXI實時操作系統(tǒng)中，有效地縮短了軟件的開發(fā)時間，同時提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率。
    實際工作狀態(tài)下，下位機與測控單元之間進行直接的信號傳輸，同時把相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到上位機，實現(xiàn)測控參數(shù)的顯示及控制。系統(tǒng)軟件所實現(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)置兩個通道，每個通道都可對主控閥和作動筒上位移傳感器所采集的位移信號進行顯示或調(diào)節(jié)。設(shè)置開關(guān)閥控件，可隨時對伺服系統(tǒng)進行開關(guān)操作，方便快捷，并且在各個通道上有兩個狀態(tài)顯示燈，若工作正常則狀態(tài)燈亮，若出現(xiàn)故障，此時液壓系統(tǒng)中的微動開關(guān)動作，經(jīng)DI輸入使面板上的故障燈亮，實時地顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，安全性高。
    在控制過程中，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對輸入?yún)?shù)的PID控制，根據(jù)已存的測試數(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)時更加穩(wěn)定，控制面板右方顯示PID調(diào)節(jié)過程波形圖，可實時顯示系統(tǒng)PID控制過程，使系統(tǒng)性能更加全面優(yōu)越。

4 結(jié)語
    本控制系統(tǒng)采用LabVIEW平臺及PXI測試平臺對機械系統(tǒng)的作動器進行監(jiān)測與控制，解決了作動器伺服機構(gòu)開環(huán)控制精度低，安全性差等問題。在LabVIEW集成環(huán)境下開發(fā)了系統(tǒng)軟件部分，可以實現(xiàn)靈活而持久的操作，用于確定性實時測量和控制，并且提出了基于PXI控制電液伺服作動器的新方法，具有操作簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、程序復(fù)用性高以及系統(tǒng)通用性強等優(yōu)點。