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(biāo)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(xiàn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化等優(yōu)點使其成為當(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(dá)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(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號控制伺服閥的開度，使作動筒達(dá)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(jìn)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(jìn)而控制進(jìn)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(dāng)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(fù)載壓力或負(fù)載流量。[!--empirenews.page--]
    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(dá)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(hù)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(dāng)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(jìn)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(jìn)行快速存儲，系統(tǒng)提供大的存儲容量且可以隨時進(jìn)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(dá)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(jìn)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(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(jìn)行調(diào)理以使信號能夠更加準(zhǔn)確無擾動誤差地進(jìn)行傳輸。[!--empirenews.page--]

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(jìn)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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。