基于網(wǎng)絡(luò)的EHA伺服教學(xué)實驗臺設(shè)計

王 博， 趙孟文， 樊澤明

(1.西安航空學(xué)院機械工程學(xué)院，陜西西安 710089；2.西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，陜西西安 710072)

引言

作為功率電傳作動系統(tǒng)中最為代表性的電動靜液作動器(EHA)[1]，兼有傳統(tǒng)電傳液壓作動系統(tǒng)較高的作動穩(wěn)定性，快速響應(yīng)等優(yōu)點，有效地減小了體積與質(zhì)量，實現(xiàn)了模塊化與集成化，改善了傳統(tǒng)作動系統(tǒng)油管遍布機身所產(chǎn)生的可靠性與可維護性的問題。基于EHA已成為未來飛機作動系統(tǒng)的主流，航空類院校EHA相關(guān)的理論課程也逐步開設(shè)，然而，一臺EHA伺服教學(xué)實驗臺的造價非常昂貴，如果采用傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，只有一臺實驗設(shè)備是很難保證學(xué)生實驗質(zhì)量的。設(shè)計實現(xiàn)一套基于互聯(lián)網(wǎng)的EHA伺服教學(xué)實驗臺[2-4]，可以改變以分離模式為主導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)模式，使做實驗不再受時空約束，教師上課時可通過網(wǎng)絡(luò)控制實驗臺，實驗臺的圖像及控制數(shù)據(jù)實時傳回課堂，為學(xué)生理解理論提供幫助，學(xué)生還可通過注冊排隊的方式實現(xiàn)有序?qū)嶒灒瑢W(xué)生在做網(wǎng)絡(luò)實驗的過程中不但能學(xué)到知識，還能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性[5-9]，真正實現(xiàn)了理論與實踐一體化同步教學(xué)，是一種將理論與實踐結(jié)合的全新教學(xué)模式。

1 EHA伺服教學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及組成

實驗裝置由帶負載模擬的EHA臺、操作控制柜、工業(yè)控制計算機、服務(wù)器、攝像機等主要設(shè)備組成。實驗臺中的控制操作柜由兩層柜體組成，上層柜體安裝液壓儀表、電氣儀表、液晶顯示器、液壓操作閥等，下層柜內(nèi)安裝有工業(yè)控制計算機、電源、EHA、接觸器、繼電器等，下層立面安裝按鈕、指示燈等，帶負載模擬的EHA臺安裝在上層柜體的臺面上。所有需要體現(xiàn)實驗內(nèi)容的實驗臺部件均清晰的展示給學(xué)生，保證通過攝像頭視頻，學(xué)生和教師在遠程能夠清晰看到整個實驗過程。操作柜臺面上帶負載模擬的EHA臺為該網(wǎng)絡(luò)遠程控制實驗的控制對象，負載模擬的EHA臺具有1個移動運動副，負載模擬由液壓泵站電機、伺服閥和模擬翼面液壓缸組成，1個做負載，1個做運動控制。操作臺布局如圖1所示。

實驗臺由三部分組成，分別是遠程測控部分、機電驅(qū)動部分、EHA液壓系統(tǒng)部分：

(1) 遠程測控部分由CVI本地測控軟件、Moxa卡、PCI8932數(shù)據(jù)采集卡組成，Web遠程控制界面主要由一臺工控機、一臺服務(wù)器及若干板卡實現(xiàn)，工控機將控制信號通過Moxa卡送出至電機驅(qū)動，工控機采用測控軟件LABWindows/CVI，該軟件通過編寫C語言程序依托其強大功能可實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的搭建。

圖1 操作臺EHA及負載模擬布局

平臺分為本地部分和遠程部分，本地部分有自己的測控界面，通過修改C語言代碼可實現(xiàn)各種控制算法的加入，本地測控界面完成的C語言代碼支持開環(huán)、單位反饋以及數(shù)字PID實驗，可將其運動曲線以及傳感器數(shù)據(jù)顯示在界面上，通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)遠程控制本地，遠程部分通過打開瀏覽器輸入實驗臺服務(wù)器網(wǎng)址，即可進入網(wǎng)絡(luò)遠程界面預(yù)約實驗，網(wǎng)絡(luò)實驗界面包括實時在線視頻和實時傳感器數(shù)據(jù)；

(2) 電機驅(qū)動系統(tǒng)由伺服電機、電機驅(qū)動器，電機尾部光電編碼器組成，電機型號為ecma-ca0604rs，該電機響應(yīng)速度及精度滿足系統(tǒng)要求；

(3) 液壓系統(tǒng)部分由微型泵、伺服閥、液壓缸及拉壓力、位移傳感器組成，其中微型泵選用PB33 HP 054560型號，轉(zhuǎn)速5000 r/min，流量為0.225 L/min，持續(xù)壓力90 MPa，工作溫度200 ℃，重量0.33 kg，可正方向轉(zhuǎn)動或者反方向轉(zhuǎn)動，吸油能力強。系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 遠程EHA控制系統(tǒng)組成

2 EHA伺服教學(xué)實驗臺設(shè)計

2.1 EHA液壓系統(tǒng)設(shè)計[10-11]

EHA液壓系統(tǒng)采用閥控缸式結(jié)構(gòu)，通過控制伺服閥輸入電流，進而控制液壓缸輸出位移，其系統(tǒng)具體原理如圖3所示。

圖3 EHA液壓系統(tǒng)原理圖

(1) 選定系統(tǒng)壓力：由于實驗臺為教學(xué)演示實驗臺，為保證實驗者安全，限定該系統(tǒng)最大負載力為900 N，EHA系統(tǒng)的設(shè)計壓力p=3 MPa。

(2) 液壓缸尺寸參數(shù)：由于該EHA系統(tǒng)具有高集成特性，這里主要計算液壓缸內(nèi)徑，計算公式為：

(1)

式中,D—— 缸筒內(nèi)徑，mm

F—— 負載(取最大負載)，N

p1—— 供液壓力，Pa

W—— 機械效率(初算取0.9～0.95，本系統(tǒng)取0.9)

經(jīng)圓整后取標(biāo)準(zhǔn)值D=20 mm。為保證剛性要求，活塞桿直徑為15 mm。

本研究EHA作動系統(tǒng)選用單活塞桿雙作用液壓缸，有桿腔與無桿腔通過輸入不相同的壓力和流量的油液，實現(xiàn)往復(fù)運動。液壓缸主要受推力，液壓缸筒的材質(zhì)為45號鋼；EHA殼體設(shè)計采用封閉集成設(shè)計思想，實現(xiàn)伺服閥板式連接，微型電機泵插裝連接，實現(xiàn)了全部液壓元件的集成連接設(shè)計，最大限度的減小EHA系統(tǒng)的體積和重量，圖4為實驗臺EHA裝配圖。

2.2 加載系統(tǒng)設(shè)計[12]

為了測試EHA系統(tǒng)各項性能，需要匹配加載系統(tǒng)，實驗臺加載系統(tǒng)液壓原理圖如圖5所示。一般加載系統(tǒng)采用閥開口控制系統(tǒng)載荷，無法達到需要的響應(yīng)速度以及調(diào)節(jié)精度，難以為EHA系統(tǒng)提供更豐富的負載加載波形。對于EHA系統(tǒng)加載系統(tǒng)，必須能為系統(tǒng)提供需要的載荷，同時為了驗證EHA系統(tǒng)是否具有足夠的剛度，需要加載系統(tǒng)能提供干擾作用，進而確定出系統(tǒng)的靜剛度是否滿足設(shè)計要求。加載系統(tǒng)的連接點只有1個，所以采用單活塞桿雙作用液壓缸，在液壓缸活塞的頂端安裝拉壓力傳感器，側(cè)面安裝有直線位移傳感器，實時采集系統(tǒng)輸出量。

圖4 EHA裝配圖

圖5 加載系統(tǒng)液壓原理圖

3 實驗臺硬件測控系統(tǒng)設(shè)計

實驗臺測試部分(反饋通道)主要采用PCI8932數(shù)據(jù)采集卡，通過PCI卡槽與工控機通信，通過數(shù)據(jù)線連接外置端子板，與拉壓力傳感器和位移傳感器連接，如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)方塊圖

實驗臺控制系統(tǒng)前向通道主要采用串口Moxa卡與電機驅(qū)動器通信，用于發(fā)送實時指令，電機驅(qū)動具有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。加載系統(tǒng)伺服閥控制采用PCI8932模擬量輸出功能，為伺服放大器提供±10 V直流電壓，該部分如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)前向通道方塊圖

4 實驗臺軟件設(shè)計

4.1 本地軟件設(shè)計

實驗臺軟件本地測控程序采用LABWindows/CVI進行編寫，本地軟件測控設(shè)計[13-15]采用模塊化設(shè)計思想，具有較強的可移植性，主要考慮學(xué)生在實驗臺練習(xí)本地測控軟件編程時，能對模塊隨意組合，提高學(xué)生編程效率，實驗臺本地軟件總體架構(gòu)如圖8所示。

圖8 實驗臺本地軟件總體架構(gòu)圖

界面設(shè)計劃分為3個區(qū)，分別為EHA伺服加載控制區(qū)(如圖9所示)、實驗管理綜合控制區(qū)(如圖10所示)、記錄數(shù)據(jù)區(qū)。在EHA伺服加載控制區(qū)可以對EHA及加載系統(tǒng)進行PID閉環(huán)控制；實驗管理綜合控制區(qū)主要控制本地模式還是遠程模式，如果選擇控件處于本地模式將只能進行本地實驗，該區(qū)還可以控制系統(tǒng)液壓油路并顯示油路壓力信息及位移信息；記錄數(shù)據(jù)區(qū)主要作用是顯示實時數(shù)據(jù)，并將所用數(shù)據(jù)點導(dǎo)出用于曲線后期辨識研究。

圖9 EHA伺服加載控制

圖10 實驗管理控制

4.2 Web遠程控制界面設(shè)計

如圖11所示，該遠程控制界面采用了樊澤明教授的發(fā)明專利“一種理論與實驗一體化同步教學(xué)系統(tǒng)”，由現(xiàn)場視頻、采集顯示和操作界面3部分構(gòu)成。現(xiàn)場視頻負責(zé)實時監(jiān)測實驗室內(nèi)設(shè)備的運行狀態(tài)；采集顯示負責(zé)將傳回的傳感器采集量以曲線的形式在頁面顯示；操作界面提供實驗排隊、控制參數(shù)設(shè)定等操作功能。開始實驗前，學(xué)生需要先“點擊排隊”，若此時設(shè)備空閑，則直接進入實驗，否則等待隊列之前的學(xué)生完成實驗后，方可進入實驗。系統(tǒng)為學(xué)生權(quán)限分配的實驗時間為5 min，教師為45 min。若計時結(jié)束前未“退出實驗”，系統(tǒng)會自動移除當(dāng)前實驗用戶，將隊列中的用戶按順序推入實驗。

圖11 Web遠程控制界面

該實驗界面有默認與自定義兩種操作模式。默認操作模式下，只需要在操作界面選擇被控對象的控制模式，設(shè)置對應(yīng)被控對象的控制參數(shù)(運動方式與幅值)；設(shè)置完成后，點擊“啟動連接”按鍵，與實驗室工控機建立遠程連接；連接成功后點擊“發(fā)送數(shù)據(jù)”，此時，可以在頁面的視頻窗口實時監(jiān)測被控對象的運行情況，同時右邊的采集窗口顯示被控對象的反饋曲線(位置)；選擇不同運動方式與控制參數(shù)值，運行后觀察不同情況下被控對象的運行狀態(tài)與反饋曲線的變化規(guī)律。EHA的輸出端安裝有泵站負載來模擬翼面負載，從而達到仿真舵面的控制效果。學(xué)生通過EHA伺服控制理論的學(xué)習(xí)，結(jié)合在網(wǎng)絡(luò)下對EHA單獨控制，更加深刻理解伺服控制原理，拓展液壓傳動、機電傳動、分布式控制、建模仿真、計算機控制等多個學(xué)科視野，使學(xué)生深入了解這一分布式作動系統(tǒng)的組成、原理和特性。

5 實驗效果展示

登錄校內(nèi)服務(wù)器網(wǎng)址后，即可進入實驗系統(tǒng)界面，有3種用戶選項，學(xué)生、老師、管理員。對于學(xué)生用戶需要注冊，才能正常登錄，注冊界面如圖12所示，老師及管理員用戶無需注冊，直接通過系統(tǒng)設(shè)定用戶名及密碼登錄。

圖12 學(xué)生注冊界面

注冊后直接登錄，選擇需要進行的實驗項目EHA，即可進入圖11所示的遠程控制界面。為了保證學(xué)生有序?qū)嶒灒椟c擊排隊，否則不能進行實驗，這時可以看到自己所處的隊列位置，隊列位置為0，說明當(dāng)前可以進行實驗。點擊實驗操作下方“編寫程序”按鍵，操作界面下彈出在線編程面板，學(xué)生在代碼編輯區(qū)域用編程語言編寫數(shù)字PID 控制器算法，如圖13所示，該程序的作用是控制EHA位移。

圖13 在線編程面板

編輯完成點擊“提交編譯”、“生成代碼”，并“啟動連接”，這時即可在圖11采集顯示窗口觀察到曲線，如圖14a所示。

圖14 EHA響應(yīng)曲線

可以看出，目標(biāo)值為15 cm，而系統(tǒng)輸出存在明顯的穩(wěn)態(tài)誤差，主要原因是控制器采用PD結(jié)構(gòu)，由于系統(tǒng)缺少積分作用，導(dǎo)致系統(tǒng)型別不足，所以始終無法消除穩(wěn)態(tài)誤差。將EHA輸出位移退回10 cm，待其穩(wěn)定，重新設(shè)定控制器參數(shù)，KP設(shè)為5.6，KI設(shè)為0.8，KD設(shè)為1.9，這時輸出曲線如圖14b所示，可以看出由于加入了積分控制，使系統(tǒng)型別增加了一級，這時固定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為0。

6 結(jié)論

以上實驗，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)編程，加深對控制算法的理解，同時通過實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)驗證算法的優(yōu)劣，培養(yǎng)學(xué)生工程調(diào)試能力，且實驗質(zhì)量和在實驗室做本地實驗一樣，網(wǎng)絡(luò)實驗相比本地實驗，還可以避免學(xué)生因為誤操作，導(dǎo)致實驗系統(tǒng)癱瘓的風(fēng)險，這一優(yōu)點必將使網(wǎng)絡(luò)化成為未來高校實驗系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)化EHA伺服教學(xué)系統(tǒng)，是對未來教學(xué)模式發(fā)展的探索。在實際的教學(xué)中，取得了令人滿意的教學(xué)效果，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，使課堂變得更生動有趣；第二，學(xué)生在課下可以方便的實現(xiàn)遠程實驗，獲得需要的數(shù)據(jù)，最大限度的服務(wù)學(xué)生；第三，這種先進技術(shù)在教學(xué)中的加持可以提升學(xué)生的科技視野，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。