基于Labview的气动伺服实验平台的创建

摘 要 针对现有气动伺服实验平台，创建一个全新的、结构简单的、功能强大的、与虚拟仪器相结合的基于Labview的综合性比例伺服闭环控制气动实验平台， 将编程、数据采集、传感器、比例伺服控制、气动控制等多个知识点整合到一个平台，增加学生在实验中获得的知识点，培养学生综合运用所学知识的能力，同时可以使学生所学知识与实际工程同步，很好地实现高等教育与社会需要的接轨。

关键词 Labview 气动伺服 虚拟仪器

中图分类号：TP273 文献标识码：B

气动技术是指以压缩空气为动力源来实现各种生产控制自动化的一门技术，也可以说气动技术是以压缩空气为工作介质进行能量与信号传递的技术。由于气动技术具有响应速度快、元件结构简单、抗环境污染、成本低廉、便于集中供气和工作时无污染等特点，被广泛应用于自动控制场合。随着气动技术的不断发展，设备对许多自动控制的要求越来越高。再加上气动技术和机械、液压、电气技术的结合，使该技术向着精密化、小型化、高可靠性和高智能控制方向发展，特别是随着计算机技术的进步，优秀的控制软件与各类执行元件有关的传感器的结合，使气动技术的应用越来越广泛。目前，据统计很多大学的气动实验采用的是费斯托公司生产的气动伺服实验平台，此平台的控制器均采用集成在一起的控制面板，无法看到其内部结构原理，实验过程中学生只是通过插拔导线来完成控制系统，涉及到的知识点单一，不能很好地培养学生综合应用各类知识的能力，同时这种接线方式脱离实际生产，不能使学校知识与社会知识接轨。针对以上问题，创建了一个新的、结构简单的、功能强大的、与虚拟仪器相结合的基于labview的综合型比例伺服闭环控制实验平台。

1基于labview的气动实验平台建设的主要内容

现有实验平台中控制部分主要采用集成控制面板与比例伺服阀、压力传感器等硬件相连，控制电路连接时也主要是采用插槽式导线完成，线路连接复杂且不易查找电路故障，同时这种接线方式只是运用在实验中，在实际工程控制中很少采用，使得实验课程中采用的控制方式与实际工程需要脱节，无法满足培养与企业接轨的实用型创新人才的目标。通过对现有实验台进行改造，采用虚拟仿真仪器Labview替代比较器控制面板，根据比较器控制电路编写Labview程序，替代比较器控制面板的功能，然后通过采用数据采集卡将Labview中的信号与硬件中的信号进行转换，完成控制和采集功能，最终搭建成新的实验平台。

根据PID控制面板的电路图编写对应的基于Labview的PID控制程序，同时研究PID的控制方法，对现有PID控制算法进行优化，实现对比例伺服阀的更精确控制，通过气体压力传感器检测比例伺服阀的出口压力，并将压力传感器转换后的电压信号通过数据采集卡传输给Labview程序，设定值与检测值经过PID算法处理后输出给比例伺服阀，形成一个闭环控制系统，保证比例伺服阀出口处气体压力精确跟踪给定压力值，实现气动回路的更精确控制，最终根据对PID控制算法的研究，将PID控制的原理和方法与弯曲机的工作原理相结合，模拟弯曲机的控制系统，搭建一个弯曲机综合实验平台，学生可以通过调整KP、KI、KD的参数值观察被控曲线的变化，理解其对控制曲线的影响意义，掌握PI、PD、PID等不同控制器的优缺点。

根据状态控制器控制面板的电路图编写对应的Labview程序，实现对气缸位置的精确控制。在无杆气缸上连接一个电位计监测气缸的运动位置，电位计将位置信号转换成电压信号通过数据采集卡传输给Labview控制程序，在Labview程序中给定信号与监测到的位置信号经过状态控制器的算法转换后通过数据采集卡将信号输出给比例伺服阀，形成一个闭环控制系统，通过控制比例伺服阀的开口大小来控制无杆缸的运动位置。实际生产中很多地方需要用到位置控制，如汽车发动机组的修边就需要精确控制磨削轮的位置来完成修边，根据对状态控制器的研究和对发动机组修边工艺的研究，搭建一个发动机组的修边实验平台，为学生以后的工作奠定实践基础。

图1所示是新创建的气动伺服压力控制实验平台的结构示意图，在示意图中我们可以看到整个实验需要涉及到气动部分相关知识，包括气动调压阀、气动比例阀、储气罐、单向阀等知识点。同时还涉及到传感器的相关知识、数据采集的相关知识以及labview编程的相关知识。新创建的实验平台是一个知识点更多更综合的平台，学生在做实验的过程中可以学到更多的知识，同时可以把这些理论课中所学的机械部分与电控部分的知识很好的整合在一起。

2基于labview的气动伺服控制实验平台的整体构建

本实验平台的控制系统硬件采用阿尔泰 USB-2833数据采集卡，它具有12位采样精度，最高采样速率可以达到500ks/s，它支持16路模拟输入，4路模拟输出，8路数字I/O，16位计数器。传感器为压力传感器，输出电压为0V～10V。比例伺服阀的输入电压为0V～10V。

软件控制系统是基于labVlEW2011版本进行设计的。该设计中前面板（见图2）包括了控制件和显示件，其中控制件主要包括采样频率、控制参数、校正变量补偿和转换开关的设置。显示件包括压力值显示、传感器电压趋势图和控制过程示意图。打开该系统，先将采样设置参数设置完毕，在实验进程中选择传感器标定。打开气源，设定目标压力即可进行压力控制。

3结论

新平台主要利用虚拟仿真仪器代替原来的硬件面板，对比较器、PID及状态控制器等控制算法进行研究，实现对压力和位置的精确控制，使得整个控制气动实验平台结构更简单、功能更加强大，采用Labview控制面板代替传统的示波器可视性更好，而且可以方便的查看任何一个节点处的图形曲线，实验更加灵活，做实验的同时可以根据学生兴趣点不同查看不同节点的输出曲线，更加人性化。同时此实验将labview控制程序、数据采集卡、比例伺服阀等硬件整合到一个实验平台，拓宽了同学的知识面，培养了学生的综合知识应用能力，为以后的工作积累了实践经验。

现有气动控制实验平台结构复杂，主要以插线来实现控制回路，实验效率低，学生在做实验时将大部分实践浪费在插线上，而没有太多时间关注实验的核心内容；同时由于控制面板的内部电路具有唯一性，很多创新型实验无法完成，应用虚拟仿真技术之后能够创建更多创新型的实验，提高实验效率，使学生在规定学时内接触更多新的实验项目，将更多理论知识点通过综合实验形成知识体系，提高学生的动手能力和创新能力。

本文所创建的基于labview的气动伺服控制实验平台已经成功地应用于实验教学中，并取得了较好的效果，为今后此类实验台的改造提供了指导意义。

参考文献

[1] 张毅，周绍磊，杨秀霞.拟仪器技术分析与应用[M].北京机械工业出版社，2004.

[2] 吴振顺.气压传动与控制[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995.

[3] 袁盛发.气动比例伺服控制技术液压元件[J].液压与气动，2007（6）.

[4] 王若飞.基于LabVIEW的PID控制器的设计[D].东北大学，2010.

[5] 程琼，等.基于LabVIEW和MatLab的电力电子虚拟实验室的构建[D].湖北工业大学，2010.