基于虛擬仿真技術(shù)的氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用

劉銀華，段振霞，劉建國

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

隨著近年來測(cè)試控制技術(shù)的發(fā)展及氣動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，氣動(dòng)控制在企業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，然而高校針對(duì)工科學(xué)生開設(shè)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程往往是分開的，對(duì)學(xué)過《液壓與氣動(dòng)技術(shù)》的學(xué)生單獨(dú)開設(shè)一個(gè)關(guān)于氣動(dòng)回路的實(shí)驗(yàn)課程，在氣路實(shí)驗(yàn)中只專注于氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與使用，很少會(huì)涉及到控制技術(shù)。對(duì)于學(xué)過《控制基礎(chǔ)》的學(xué)生又會(huì)專門開設(shè)一門測(cè)試控制類的實(shí)驗(yàn)課程，在測(cè)試控制實(shí)驗(yàn)中只讓學(xué)生專注于編程，很少會(huì)涉及到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣路系統(tǒng)。這種針對(duì)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)課程可以培養(yǎng)學(xué)生解決某一領(lǐng)域問題的能力，但是無法培養(yǎng)學(xué)生解決綜合性、復(fù)雜性問題的能力。針對(duì)這一情況，開發(fā)了一個(gè)基于LabVIEW 虛擬仿真技術(shù)的FESTO 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。整個(gè)平臺(tái)由氣動(dòng)回路系統(tǒng)、LabVIEW 測(cè)試控制系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成。氣動(dòng)回路系統(tǒng)是根據(jù)儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)與模擬，氣動(dòng)壓力傳感器采用與實(shí)際控制系統(tǒng)類似的元器件，使用2 位3 通的電磁換向閥來模擬儲(chǔ)氣罐充氣回路中的空壓機(jī)，使用2 位3 通的手動(dòng)換向閥來模擬儲(chǔ)氣罐充氣回路中的人工氣動(dòng)工具。LabVIEW 測(cè)試控制系統(tǒng)根據(jù)儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)的氣壓控制原理進(jìn)行設(shè)計(jì)與模擬，通過LabVIEW 編寫控制程序作為虛擬控制器。電路控制系統(tǒng)中繼電器采用與實(shí)際控制系統(tǒng)一樣的繼電器。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)使用多個(gè)學(xué)期，實(shí)踐證明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建方便，操作步驟與知識(shí)點(diǎn)易于理解與掌握，適用于機(jī)械類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)，通過編程控制氣動(dòng)設(shè)備，增加了實(shí)驗(yàn)的趣味性創(chuàng)新性，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識(shí)解決復(fù)雜問題的能力。

1 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

本實(shí)驗(yàn)課程主要針對(duì)全校工科類本科學(xué)生，通過設(shè)計(jì)和連接氣動(dòng)回路鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，通過編寫LabVIEW 控制程序鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括FESTO 氣動(dòng)系統(tǒng)、LabVIEW 控制系統(tǒng)，電路控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。氣動(dòng)系統(tǒng)中采用的是FESTO 公司生產(chǎn)的氣動(dòng)元器件，包括過濾調(diào)壓閥、2 位3 通電磁換向閥、單向節(jié)流閥、儲(chǔ)氣罐、氣動(dòng)壓力表、氣動(dòng)壓力傳感器、2 位3通按鍵式手動(dòng)換向閥?？刂葡到y(tǒng)采用LabVIEW 進(jìn)行編程，LabVIEW 是一種程序開發(fā)環(huán)境。電路控制系統(tǒng)中采用固態(tài)繼電器作為開關(guān)量控制電磁換向閥的通電和斷電。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用阿爾泰USB2833 數(shù)據(jù)采集卡，通過采集壓力傳感器電壓信號(hào)作為L(zhǎng)abVIEW 程序的輸入信號(hào)。

為了使實(shí)驗(yàn)操作更為方便，將數(shù)據(jù)采集卡中的模擬量輸入輸出管腳和數(shù)字量輸入輸出管腳引出到面板中，并對(duì)每個(gè)管腳的號(hào)碼做好標(biāo)示，這樣看到每個(gè)管腳就知道其功能，引腳接頭采用香蕉插頭母頭，便于與香蕉插頭公頭配合。繼電器的引腳也引到操作面板中，使得電路連接非常安全方便。

根據(jù)電路控制原理圖將電路接好后，再根據(jù)氣動(dòng)原理圖將氣路用氣管接好。然后根據(jù)儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)的控制原理編寫LabVIEW 控制程序，LabVIEW 控制程序通過USB 接口與數(shù)據(jù)采集卡通訊，數(shù)據(jù)采集卡通過AI 模擬量輸入管腳采集氣動(dòng)壓力傳感器的電壓值，通過DO 管腳輸出數(shù)字量信號(hào)控制繼電器，實(shí)驗(yàn)中采用的是常開型繼電器，當(dāng)給繼電器輸入高電平信號(hào)時(shí)候，常開繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，當(dāng)給繼電器輸入低電平信號(hào)時(shí)，繼電器的常開觸點(diǎn)斷開。繼電器的常開觸點(diǎn)與2 位3 通電磁換向閥電源和24V 電源串聯(lián)形成一個(gè)閉環(huán)的控制電路，控制電磁換向閥的通電和斷電。完整的系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)整體架構(gòu)框圖

2 FESTO 氣動(dòng)系統(tǒng)搭建

儲(chǔ)氣罐充氣回路是閉環(huán)壓力控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)的主要作用是保證儲(chǔ)氣罐的供氣壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)。壓縮機(jī)與電源相連，當(dāng)電源開關(guān)打開，壓縮機(jī)通電進(jìn)行工作為儲(chǔ)氣罐進(jìn)行充氣。當(dāng)儲(chǔ)氣罐的壓力上升到設(shè)備出廠時(shí)設(shè)定的最大值，壓縮機(jī)與電源斷開不再工作，儲(chǔ)氣罐的壓力也不會(huì)再持續(xù)增加。當(dāng)儲(chǔ)氣罐的壓力下降到設(shè)備出廠時(shí)設(shè)定的最低壓力值，壓縮機(jī)與電源連接繼續(xù)工作，為儲(chǔ)氣罐充氣。儲(chǔ)氣罐充氣回路的示意圖如圖2 所示。

圖2 儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)示意圖

在儲(chǔ)氣罐充氣回路中，儲(chǔ)氣罐的壓力表示被控變量，氣動(dòng)壓力傳感器采集儲(chǔ)氣罐的壓力值作為反饋信號(hào)。壓縮機(jī)相當(dāng)于一個(gè)2 位3 通電磁換向閥，“壓縮機(jī)關(guān)閉”對(duì)應(yīng)于閥的閉合位置（不給儲(chǔ)氣罐進(jìn)行充氣），“壓縮機(jī)打開”對(duì)應(yīng)于閥的開口位置（給儲(chǔ)氣罐進(jìn)行充氣）。人工氣動(dòng)工具就相當(dāng)于一個(gè)2 位3 通按鍵式手動(dòng)換向閥，作為干擾變量，給儲(chǔ)氣罐進(jìn)行排氣，影響儲(chǔ)氣罐的壓力變化。在儲(chǔ)氣罐充氣回路中，為了保證儲(chǔ)氣罐的壓力保持穩(wěn)定可靠，添加一個(gè)單向節(jié)流閥1V3 進(jìn)行限流，不至于出現(xiàn)儲(chǔ)氣罐壓力過低的現(xiàn)象。單向節(jié)流閥（1V2） 的作用是防止電磁閥斷電時(shí)儲(chǔ)氣罐的壓縮空氣泄漏。所以這個(gè)單向節(jié)流閥應(yīng)該是全閉狀態(tài)。壓力傳感器安裝在氣壓波動(dòng)較小的位置比較合適，所以選擇安裝在儲(chǔ)氣罐的后面。根據(jù)以上所有內(nèi)容設(shè)計(jì)儲(chǔ)氣罐充氣回路的氣路圖，如圖3 所示。

圖3 儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)氣路圖

3 LabVIEW 測(cè)試控制系統(tǒng)搭建

儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)主要是為了控制儲(chǔ)氣罐的壓力在允許的壓力范圍內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)儲(chǔ)氣罐壓力大于儲(chǔ)氣罐允許的最大壓力值時(shí)，控制壓縮機(jī)關(guān)閉停止給儲(chǔ)氣罐充氣，當(dāng)儲(chǔ)氣罐壓力小于儲(chǔ)氣罐允許的最小壓力值時(shí)，控制壓縮機(jī)打開開始給儲(chǔ)氣罐充氣。為了完成控制，儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)中需要通過壓力傳感采集儲(chǔ)氣罐的壓力值，然后用采集到的壓力值跟儲(chǔ)氣罐允許的最大壓力值和最小壓力值進(jìn)行比較，這時(shí)就會(huì)用到比較器。比較器是用來對(duì)兩個(gè)模擬電壓信號(hào)進(jìn)行比較，一個(gè)電壓形成一個(gè)定點(diǎn)，并與輸入電壓進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果得到輸出量1 或者0。

比較器用來設(shè)定儲(chǔ)氣罐允許的最大壓力和最小壓力，作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器。在LabVIEW 程序中創(chuàng)建一個(gè)波形圖表作為虛擬示波器，用來顯示采集到的信號(hào)和控制器輸出的校正變量。校正變量輸出給繼電器來控制2 位3 通電磁換向閥的通電和斷電，進(jìn)而控制儲(chǔ)氣罐的壓力值，2 位3 通手動(dòng)換向閥作為干擾變量影響儲(chǔ)氣罐的壓力值。儲(chǔ)氣罐充氣回路控制結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示，電路連接圖如圖5 所示。

圖4 儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)閉環(huán)控制回路結(jié)構(gòu)圖

圖5 儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)電路圖

圖6 中下面的方波曲線表示輸出的校正變量值，上面的鋸齒波曲線表示的是儲(chǔ)氣罐的壓力變化值，在儲(chǔ)氣罐允許的最大壓力和最小壓力范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)。

圖6 虛擬示波器

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

開發(fā)的基于虛擬仿真技術(shù)的FESTO 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7 所示，由氣動(dòng)元器件、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、繼電器模塊和LabVIEW 程序組成。通過在電腦中的LabVIEW 軟件中編寫控制程序，控制儲(chǔ)氣罐的壓力變化，使得儲(chǔ)氣罐的壓力在允許的范圍內(nèi)。

圖7 基于虛擬仿真技術(shù)的FESTO 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在教學(xué)實(shí)踐中，需要通過完成儲(chǔ)氣罐氣路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)及Lab－VIEW 控制測(cè)試系統(tǒng)的搭建，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，考查學(xué)生對(duì)儲(chǔ)氣罐充氣回路控制原理的理解及靈活應(yīng)用能力。

學(xué)生2 到3 人一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生需要互相配合完成實(shí)驗(yàn)，一個(gè)同學(xué)主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和搭建氣動(dòng)系統(tǒng)，一個(gè)同學(xué)主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和搭建電路系統(tǒng)。氣動(dòng)系統(tǒng)和電路系統(tǒng)搭建完畢，所有同學(xué)一起編寫LabVIEW 控制程序，然后調(diào)試和分析。

實(shí)驗(yàn)中通過分析LabVIEW 程序中虛擬示波器的曲線變化來理解儲(chǔ)氣罐充氣回路的控制原理。當(dāng)儲(chǔ)氣罐的壓力大于允許的最大壓力值時(shí)，LabVIEW程序會(huì)輸出低電平控制電磁換向閥斷電不再給儲(chǔ)氣罐充氣，操作2 位3 通按鍵式手動(dòng)換向閥影響儲(chǔ)氣罐的壓力變低，當(dāng)壓力值小于允許的最小值時(shí)，LabVIEW 程序會(huì)輸出高電平控制2 位3 通電磁換向閥通電給儲(chǔ)氣罐充氣。

5 結(jié)束語

在以學(xué)生為中心的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)下，將人才培養(yǎng)的模式從“獲得知識(shí)”改變?yōu)椤芭囵B(yǎng)能力”。根據(jù)儲(chǔ)氣罐充氣系統(tǒng)的工作原理，開發(fā)了基于虛擬仿真技術(shù)的FESTO 氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)很好的將氣動(dòng)知識(shí)與控制知識(shí)融合在一起，形成了一個(gè)綜合性的氣動(dòng)測(cè)試控制實(shí)驗(yàn)。目前該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已應(yīng)用于學(xué)校機(jī)械類相關(guān)專業(yè)，根據(jù)學(xué)生反饋，該實(shí)驗(yàn)課程可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新性思維和解決復(fù)雜工程問題的能力，使學(xué)生從被動(dòng)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，深入思考與探索新知識(shí)，提高了實(shí)驗(yàn)課的授課質(zhì)量。