基于虛擬儀器的氣動伺服系統實驗平臺設計

王 波，王 濤，金 英

（北京理工大學 自動化學院，北京 100081）

氣動技術是以空氣壓縮機為動力源、以壓縮空氣為工作介質進行能量傳遞或信號傳遞的工程技術，是實現各種生產控制、自動控制的重要手段之一[1－2]。隨著微電子技術、計算機技術的迅猛發展和控制理論的不斷完善，氣動伺服技術特別是氣動位置伺服系統，以其節能、無污染、成本低廉、結構簡單、維修方便、系統安全可靠、適應范圍廣泛等優點，滲透到工業領域各部門，在工業發展中占有十分重要的地位[3－5]。

北京理工大學自動化專業是以電為主，集機、電、液、氣控制為一體，軍民結合，突出實踐能力和創新能力的國家級特色專業[6]。為了更好地提高學生的綜合素質、培養學生的實踐創新能力和工程素養，與“流體傳動與控制基礎”北京市精品課程相配套，設計了基于虛擬儀器的氣動伺服系統實驗平臺，針對本科生、研究生開設了一系列實驗選修課程。

1 虛擬儀器簡介

虛擬儀器技術是由美國國家儀器公司（National Instruments，NI）在1986年提出的一種構成儀器系統的新概念，其基本思想是：用計算機資源取代傳統儀器中的輸入、處理和輸出等部分，實現儀器硬件核心部分的模塊化和最小化，用計算機軟件和儀器軟面板實現儀器的測量和控制功能[7]。虛擬儀器通過應用軟件將計算機與儀器硬件結合起來，將傳統儀器的功能模塊化和軟件化，以達到自動測試分析的目的。用戶可以通過圖形化界面，輕松地完成儀器的啟動、運行和結束，以及對被測試對象的數據采集、分析、顯示、故障診斷、數據存儲、網絡通信以及控制輸出等功能[8]。

2 氣動伺服系統實驗平臺的硬件設計

2.1 實驗平臺結構設計

氣動伺服系統實驗平臺主要由氣動回路和數據采集與控制回路兩部分組成，系統結構圖和實物圖分別如圖1和圖2所示，主要元件的型號見表1。氣動回路主要由氣源、電磁閥、比例閥、壓力傳感器、氣缸等組成；數據采集與控制回路以PC機和數據采集卡為核心，由位移傳感器、力傳感器、加速度傳感器和相應的信號調理電路等組成。

圖2 氣動伺服系統實驗平臺的實物圖

表1 氣動伺服系統實驗平臺的主要元件組成

表1 （續）

PC機采用DELL的OptiPlex 780。數據采集卡采用美國NI公司的PCI6229多功能數據采集卡。PCI6229具有模擬輸入、模擬輸出、數字I／O、計數器I／O等功能。模擬輸入通道有單端輸入32路、差分輸入16路，分辨率為16位，最大采樣率為250kS／s。模擬輸出通道有4路，數據更新率為每通道625kS／s。數字I／O有48路，有2個定時／計數器，分辨率為32位，內部時鐘頻率為80MHz。該板卡的模擬輸入、模擬輸出電壓的最大范圍均為±10V[9]。

2.2 信號調理電路設計

雷尼紹光柵尺的輸出信號為差分信號，而PCI6229計數器的輸入端只能接收單端信號，因此需要設計信號調理電路將光柵尺的輸出差分信號A＋、A－、B＋、B－、Z＋、Z－轉換為PCI6229計數器可以 接收的單端信號A、B、Z，所設計的電路如圖3所示。

3 氣動伺服系統實驗平臺的軟件設計

3.1 軟件開發平臺

本系統軟件開發平臺是運行在Windows XP操作系統下的圖形化編程軟件LabVIEW。LabVIEW是美國NI公司推出的一種圖形化軟件開發集成環境，使用“所見即所得”的可視化技術建立人機界面，使用大多數工程師所熟悉的數據流程圖式的語言編寫程序，是目前常用的虛擬儀器開發平臺[10]。

NI公司開發了兩套NI-DAQ（data acquisition，數據采集）驅動程序：Traditional NI-DAQ 和 NIDAQmx。PCI6229數據采集卡是基于計算機PCI總線技術，屬于M系列卡，只支持NI-DAQmx的數據采集方法。與Traditional NI-DAQ相比，NI-DAQmx有許多突出的新特性，比如：能更輕松地添加DAQ應用程序編程接口（API）的新特性和新設備，更有效的多線程數據采集，提高了數據采集性能，提高了驅動性能和可靠性，更便利的使用方式等[11]。如圖4所示，DAQ Assistant是一個圖形化的界面，用于交互式地創建、編輯和運行 NI-DAQmx虛擬通道和任務[12]。一個NI-DAQmx任務是虛擬通道、定時和觸發信息，以及其他與采集或生成相關屬性的組合。

3.2 系統軟件功能框圖

系統軟件的編寫采用模塊化的編程思想，系統軟件功能框圖見圖5。

圖5 氣動伺服系統實驗臺軟件功能框圖

（1）數據采集子模塊。包括氣缸輸出力、氣缸運動加速度、氣缸左右兩腔的壓力值4路模擬輸入信號和氣缸位置1路計數器輸入信號。

（2）參考信號生成子模塊。用于產生任意的給定參考信號。

（3）信號輸出子模塊。包括用于控制2個電氣比例閥的2路模擬輸出信號和用于控制2個電磁閥的2路數字輸出信號。

（4）信號處理子模塊。通過采樣得到的數值，結合給定參考信號，通過一定的控制算法，得到所需要的控制量的值。

（5）圖形化操作與顯示子模塊。利用LabVIEW豐富的界面實現人機交互功能，主要包括：測量數據的顯示，給定參考信號參數的設定，控制算法中參數的設定等。

（6）數據存儲子模塊。實現將測量的數據保存為文件。

3.3 系統軟件流程圖

系統軟件流程圖如圖6所示。

4 氣動伺服系統實驗平臺的功能介紹

4.1 基礎性實驗

本實驗主要面向大學三年級的學生開設選修實驗課，也可作為本科畢業生的畢業設計課題。主要的基礎實驗如下：

（1）氣動位置伺服系統PID控制器的設計；

（2）氣動位置伺服系統模糊控制器的設計；

（3）氣動力伺服系統PID控制器的設計；

（4）氣動力伺服系統模糊控制器的設計。

主要是讓學生在熟悉氣動伺服系統工作原理的基礎上，利用LabVIEW軟件中提供的PID工具包和模糊邏輯工具包進行控制器的設計，使學生對氣動伺服系統的設計有一定的理解和掌握。

4.2 綜合研究性實驗

本實驗主要面對碩士研究生、博士研究生開設的“控制科學實踐”選修實驗課，也可作為研究生的研究課題進行深入研究。主要的綜合研究實驗如下：

（1）氣動伺服系統數學模型的研究；

（2）氣動伺服系統運動控制的研究；

（3）氣動力／位置復合伺服系統的研究。

主要是讓研究生在熟悉氣動伺服系統工作原理的基礎上，利用該實驗平臺進行氣動伺服系統復雜控制理論與先進控制算法的實驗研究，使學生對氣動伺服系統的設計和實現有較深入的理解和掌握。

5 結束語

氣動伺服系統實驗平臺采用模塊化結構，針對性強，具有可擴展性和開放性，可以完成基礎教學、應用和科研等多個方面的研究。該實驗平臺有助于學生全面了解氣動伺服系統的工作原理及其應用技術，不僅增加了學生的實驗操作技能，使學生對所學習的基本理論、基本技能得到綜合訓練和提高，而且有利于學生拓展視野，學習新技術、新手段，提高學生的學習興趣，為學生今后的學習和工作打下堅實的基礎。

（References）

[1]SMC（中國）有限公司.現代實用氣動技術[M].3版.北京：機械工業出版社，2008.

[2]吳振順.氣壓傳動與控制[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1995.

[3]王永昌，潘先耀.氣動伺服控制系統及閥的應用形式[J].燕山大學學報，2002，26（3）：206-208.

[4]彭太江，楊志剛，闞君武，等.電－氣比例／伺服技術現狀及其發展[J].農業機械學報，2005，36（6）：126-130.

[5]王雪松，程玉虎，易建強.電－氣位置伺服控制系統的研究進展[J].控制與決策，2007，22（6）：601-607.

[6]彭熙偉，陳金兵，范偉，等.《流體傳動與控制基礎》精品課程的建設與實踐[J].液壓與氣動，2012（5）：108-110.

[7]李江全.虛擬儀器設計測控應用典型實例[M].北京：電子工業出版社，2010.

[8]王立強，盧琴芬，葉云岳，等.基于虛擬儀器的三相直線感應電機靜態測試系統[C]／／Proceedings of the 26thChinese Control Conference，Zhangjiajie，Hunan，China，2007：281-285.

[9]林朝陽，葉曉慧，姚祖文.基于PCI-6229的數據采集方法[J].艦船電子工程，2007（6）：148-150.

[10]基于LabVIEW的氣動比例伺服系統模型辨識研究[J].實驗技術與管理，2009，26（6）：76-79.

[11]劉勝，張蘭勇，章佳榮，等.LabVIEW 2009程序設計[M].北京：電子工業出版社，2010.

[12]三維書屋工作室，胡仁喜，高海賓.LabVIEW 2010中文版虛擬儀器從入門到精通[M].北京：機械工業出版社，2012.