基于LabVIEW的液壓伺服測試系統(tǒng)研究

黃永花

（廣東韶鋼松山股份有限公司，廣東 韶關(guān) 512123）

0 引言

液壓測試系統(tǒng)中包含了信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出。傳統(tǒng)儀器的這些功能塊都是以硬件的形式存在的。虛擬儀器系列化軟件將傳統(tǒng)儀器的3大功能塊全部放在PC機上來實現(xiàn)，在PC機上插數(shù)據(jù)采集卡，然后用軟件在屏幕上生成儀器面板，用軟件來進行信號分析，在軟件生成的界面上顯示結(jié)果，實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器功能。也就是說，利用PC機強大的圖形環(huán)境和在線幫助，建立中英文界面的虛擬儀器面板，完成信號采集，數(shù)據(jù)分析與顯示，代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，擴展儀器的功能，提高使用效率，大幅度降低儀器的價格。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有巨大的優(yōu)越性，因此將虛擬儀器和伺服液壓控制技術(shù)相結(jié)合的開發(fā)應(yīng)用模式也將成為今后的發(fā)展方向。

1 液壓伺服測試系統(tǒng)方案

在該測試系統(tǒng)中試驗加載的執(zhí)行部分也就是本系統(tǒng)的被控對象，它包括液壓伺服閥（控制油缸）、比例溢流閥（控制油壓）等，其作用主要是接受控制信號并將其轉(zhuǎn)化為機械信號；信號比較、放大部分，包括PI伺服放大器的作用時將輸入信號與反饋信號進行比較，得出偏差信號，并將偏差信號進行放大，轉(zhuǎn)換為執(zhí)行元件可直接接受的信號；傳感器測量系統(tǒng)，它包括位移傳感器、力傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器及其相關(guān)測量部分，其作用是拾取表征測試狀態(tài)的各種信號或參數(shù)，并使之變成標準的電壓信號；虛擬儀器部分，它是整個控制系統(tǒng)的核心部分，主要作用包括控制信號的產(chǎn)生、發(fā)送，測量數(shù)據(jù)的采集、顯示、處理及分析，各種數(shù)據(jù)的存儲和查詢，標準報表的生成。系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

控制系統(tǒng)以計算機和控制卡所組成的虛擬儀器為核心，它可以發(fā)出各種控制信號，負責信號采集并進行數(shù)據(jù)計算、信號處理、數(shù)據(jù)存儲等多種操作?？刂瓶òl(fā)出的控制信號首先傳給控制器，再經(jīng)過放大器放大，最后傳到伺服閥控制油缸動作。油缸的位置信號通過位置傳感器一方面反饋給控制器形成閉環(huán)回路，另一方面反饋到數(shù)據(jù)采集卡由計算機對數(shù)據(jù)進行處理或保存。控制系統(tǒng)還選擇位移閉環(huán)或力閉環(huán)2種閉環(huán)方式，實現(xiàn)力閉環(huán)或位移閉環(huán)。由于阻尼器動態(tài)性能試驗要求1～33 Hz的試驗波形，而且位移控制精度要求控制在0.1 mm以內(nèi)，所以如何選擇硬件系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。

本系統(tǒng)中由于要求有15噸級和60噸級2套液壓驅(qū)動系統(tǒng)，因此必須采用2個伺服閥。15噸級試驗臺要求進行1～33 Hz的小振幅動態(tài)性能試驗（幅值為1 mm），因此對伺服閥的動態(tài)響應(yīng)要求較高。通過反復(fù)試驗Parker公司的二級直動滑閥式伺服閥完全能夠滿足要求的響應(yīng)速度。60噸級試驗臺要求進行1～5 Hz較大振幅動態(tài)性能試驗（幅值為3 mm），因此對伺服閥的響應(yīng)速度要求不高，而有較高的流量要求。考慮成本因素選用了Atos公司的二級雙位移反饋伺服閥。

本系統(tǒng)所選用的是Atos公司的先導(dǎo)式比例溢流閥，它與電子放大器協(xié)同工作，輸入信號經(jīng)過放大器校準后作為驅(qū)動電流，先導(dǎo)閥又控制主閥芯的位置，從而最終實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。

考慮到系統(tǒng)響應(yīng)速度和可靠性等因素，本系統(tǒng)采用計算機外反饋形式。通過實際考察由MOOG公司生產(chǎn)的G122-824型PI伺服放大器兼具PI控制和放大器的功能，具有穩(wěn)定、可靠的特點，完全適合本系統(tǒng)。

傳感器測量系統(tǒng)中采用BALLUFF公司的新一代BTL5系列微脈沖位置傳感器，其不僅具有較高的精度等級，而且形狀尺寸也便于內(nèi)嵌于油缸內(nèi)，既提高了安全系數(shù)又能減小振動誤差，是一種比較理想的反饋元件。

由于力傳感器要求量程大、精度高，采用進口產(chǎn)品價格比較昂貴，通過比較選用了某研究所生產(chǎn)的BK系列傳感器，通過二次標定完全滿足系統(tǒng)要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

虛擬儀器的關(guān)鍵部分是軟件系統(tǒng)。本文為了充分發(fā)揮LabVIEW和Matlab的技術(shù)優(yōu)勢，合理使用系統(tǒng)資源，將控制程序中使用到的算法計算直接使用LabVIEW工具包實現(xiàn)，而將靜態(tài)的結(jié)果分析放在Matlab中。這樣既發(fā)揮了Matlab強大的計算功能，又避免了在LabVIEW控制程序中調(diào)用Matlab，從而使系統(tǒng)資源得到合理利用。

為了便于系統(tǒng)維護，增強程序的可讀性，減少重復(fù)編程，整個軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，共分為5大模塊，如圖2所示。其中自動測試模塊為主模塊，完成最主要的自動測試任務(wù)，并對采集到的數(shù)據(jù)進行必要的處理，再進行圖形顯示和存儲，最后根據(jù)試驗結(jié)果的滿意程度由操作者自己決定是否生成報表。控制監(jiān)控模塊完成試驗前的準備工作，打開所需的控制開關(guān)，根據(jù)實際需要切換選擇按鈕，最后按照設(shè)定壓力值啟動油泵使油壓達到設(shè)定值，同時實時顯示各元件的工作狀態(tài)。手動調(diào)試模塊主要用來進行設(shè)備調(diào)試，以及在安裝阻尼器時進行微量調(diào)整。它可以以微量遞增或遞減的方式手動輸出一定的電壓信號，并實時顯示當前的位移、力、溫度和壓力等信號。數(shù)據(jù)查詢模塊主要完成對已有數(shù)據(jù)庫的查詢功能，并把查詢結(jié)果顯示出來，供用戶參考選用。輔助功能模塊主要是對操作人員的權(quán)限限制，以防數(shù)據(jù)非法篡改。同時也提供了程序的幫助文件，以便操作者學(xué)習操作程序。

圖2 程序結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)實驗驗證

為了測試實際系統(tǒng)的各項性能指標，本文特對實際系統(tǒng)進行了實驗驗證。通過實驗數(shù)據(jù)可以得到實際系統(tǒng)的部分時域指標和頻域指標，同時對系統(tǒng)階次作出估計。通過實驗一方面可以指導(dǎo)控制系統(tǒng)改進，優(yōu)化控制策略；另一方面也可以驗證推導(dǎo)模型的正確性。具體實驗條件如表1所示。

表1 實驗條件

在上述實驗條件下，本文從1～11 Hz輸出幅值為1.4 mm的正弦波，然后分別記錄下反饋波形并測算出實際幅值，得到如表2所示的數(shù)據(jù)表。

由以上數(shù)據(jù)可以方便地繪出開環(huán)系統(tǒng)的幅頻特性，如圖3所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)

圖3 系統(tǒng)幅頻特性

從圖中可以看出，所繪出的幅頻特性由明顯的2部分斜率線段組成。理論推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型由比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和振蕩環(huán)節(jié)組成，其幅頻特性的特征與實驗結(jié)果吻合。遺憾的是實驗點數(shù)有限，精確推算或改進系統(tǒng)模型有一定的困難。

從圖中還可以看出，對應(yīng)于-3 dB的諧振頻率為2.66 Hz，諧振頻率較低，在要求的33 Hz頻率下必定產(chǎn)生較大的衰減。針對這種情況可以采取適當調(diào)整開環(huán)放大系數(shù)、增加校正環(huán)節(jié)等控制策略加以彌補，以改善系統(tǒng)的整體性能。

4 結(jié)語

本文將LabVIEW結(jié)合伺服控制技術(shù)應(yīng)用于阻尼器動態(tài)性能測試領(lǐng)域，充分發(fā)揮了虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢，并將伺服控制技術(shù)有機結(jié)合起來，得到了良好的控制效果，為以后的工程應(yīng)用提供了參考。該系統(tǒng)已經(jīng)通過調(diào)試驗收，經(jīng)過一段時間的試運行，基本滿足了用戶的各項功能要求和技術(shù)指標，為其技術(shù)提高和市場開拓帶來了巨大的推動力。

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