基于虛擬儀器的氣動控制綜合實驗教學平臺設計

葛耀崢　雷勇　陶國良

摘要 基于NI CompactRIO 控制系統作為主控單元的虛擬儀器的氣動控制綜合實驗教學平臺是利用計算機技術、虛擬儀器技術和高性能的模塊化硬件以及氣動一體化技術，結合高效靈活的軟件來完成各種機電信號測試、測量和自動控制應用的實驗教學平臺。以滿足控制工程實驗教學目的。

關鍵詞 虛擬儀器 氣動控制 LabVIEW開發環境 實驗教學平臺

0 引言

為了能新增機械電子工程專業本科高年級更高層次的研究性、創新性實驗內容，使學生通過實踐能理解到如何去研究和解決科研問題或工程問題，急需開發一批既包括虛擬儀器在智能化程序、計算機硬件和軟件技術又具有機電與測控制技術一體的實驗教學設備供學生實踐使用。不僅有利于創新能力的培養，而且對于本科生和研究生創新能力的提高或許是非常迫切需要的。

1 NI CompactRIO模塊

NI CompactRIO模塊是一款工業級嵌入式測控系統，集成了嵌入式實時控制器、可編程硬件邏輯（FPGA）和可重配置的I/O 模塊。帶有實時處理器和可重新配置FPGA功能，用于獨立的分布式應用。基于NI可重新配置I/O技術，適于超高性能和自定義應用。NI CompactRIO 可編程控制模塊實物圖與基本原理框圖如圖1所示。

2 NI LabVIEW開發環境

LabVIEW是一款圖形化開發環境，對于要求苛刻的工業級及嵌入式應用具有靈活性和易用性等特點。可以通過LABVIEW REAL-TIME模塊創建程序，并在CompactRIO控制模塊上實時地穩定運行。也可以通過LABVIEW為CompactRIO模塊快速創建HMI或用戶界面，并在聯網的PC或嵌入式觸摸板上運行。

2.1 LabVIEW RT 開發環境

LabVIEW RT 開發環境借助LabVIEW 圖形化開發環境和硬件驅動包，可輕松訪問硬件底層，快速構建嵌入式系統的軟件原型。可用于多速率確定性的定時、觸發和控制循環結構。提供豐富的信號處理IP 核，可完成逐點信號生成、時域/頻譜分析、濾波、曲線擬合、線性代數、數組/ 矢量操作等功能。提供二進制和文本文件I/O，可進行內嵌的數據存取。

2.2 LabVIEW FPGA 開發環境

LabVIEW FPGA 開發環境通過圖形化編程配置目標FPGA邏輯映射，創建自定義硬件I/O 接口。通過LabVIEW FPGA 軟件接口，可實現與實時控制器或上位機的數據通信、中斷同步、數據緩存和內存讀寫。采用40 MHz FPGA 時基（25 ns 間隔）的執行定時、觸發和自定義循環控制、實現確定可靠的硬件決策。

3 氣動系統實驗原理與設計方法

以虛擬儀器NI CompactRIO控制和采集模塊作為控制核心模塊的氣動控制綜合教學實驗平臺采用了模塊式設計，學生可以根據自己的設計需要選擇氣動元件和執行元件，在實驗平臺上對其進行模塊組合并完成各種氣動回路的搭建和控制，自主完成一系列實驗。

3.1 氣動系統實驗原理

氣動系統實驗包括氣缸的換向回路、壓力元件的響應時間特性關系等的研究性實驗等。例如：“基于LabVIEW的帶位移傳感器的氣缸循環運作控制程序設計實驗”的氣動控制綜合實驗項目，其硬件控制功能由虛擬儀器NI CompactRIO主控模塊來實現，并通過壓力傳感器，運用反饋過來的數據，控制電磁氣閥的狀態對氣缸進行充、放氣操作，進而控制氣缸的壓力。而控制軟件是通過LabVIEW高級語言根據一定的控制算法進行編程設計實現的，該程序設計的目的主要是控制氣缸在實際的運作中能夠智能的來回循環運作，實現控制氣缸中的壓力能夠穩定在某一個理想的壓力值上，這個研究內容在目前氣動控制領域中，仍是一個比較難解決的研究內容。而這個實驗結果的好壞對氣動控制系統執行機構（如氣動機器臂等）的工作穩定性、精確度等有直接影響。具有十分重要的意義。

3.2 氣動系統實驗設計方法

與傳統的機電系統實驗教學設備相比，本系統平臺具有很多優勢。首先，隨著現代實驗教學方法的改革，許多實驗教學方法越來越離不開計算機的參與。本系統平臺就是為了適應當前實驗教學發展的需要，同時選用了美國國家家儀器公司的虛擬儀器NI CompactRIO控制和采集模塊作為控制核心模塊而研制的。與傳統的基于計算機的儀器設備相比，它更加緊湊、堅固，而且工作溫度范圍大，以及非常低的功率消耗。這樣就擺脫了傳統實驗教學低效的劣勢，促進了教學事業的發展。

例如，為了控制氣缸在實際的運作中能夠智能的來回循環運作，必須解決在電磁閥在什么時刻換向。為此，設計方法是采用程序定時方法實現電磁閥的換向操作。即預先計算出氣缸的單行程時間，作為定時器的輸入，來控制電磁閥的定時開啟和關閉進而控制氣缸的正反行程運動。

同時，系統設計方法還包括，在初始設置完畢之后，氣缸會自動運行，在同奇次或同偶次定時次數的狀態下，電磁開關的狀態應該是一樣的，因此，直接運用了循環次數i除2取余的余數作為case結構中的條件。 另外，為了減少程序的執行量，提高效率，定時部分應該放在while循環結構的外面。

參考文獻

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