基于虛擬仿真技術的氣動實驗平臺開發(fā)與應用

劉銀華 段振霞 劉建國

摘? 要：開發(fā)了一個基于LabVIEW虛擬仿真技術的氣動實驗平臺，整個平臺由氣動回路系統(tǒng)和LabVIEW測試控制系統(tǒng)組成。氣動回路系統(tǒng)是根據儲氣罐充氣系統(tǒng)的工作原理進行設計與模擬，LabVIEW測試控制系統(tǒng)根據儲氣罐充氣系統(tǒng)的氣壓控制原理進行設計與模擬，電路開關量采用固態(tài)繼電器，通過LabVIEW編寫控制程序作為虛擬控制器。該實驗平臺已經投入使用，實踐證明，該實驗平臺搭建方便，操作步驟與知識點易于理解與掌握，適用于機械類專業(yè)學生學習，通過編程控制氣動設備，增加了實驗的趣味性與創(chuàng)新性，調動了學生學習的積極性和主動性。

關鍵詞：虛擬仿真技術;LabVIEW;氣動實驗平臺;創(chuàng)新

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：A

Abstract： A pneumatic experiment platform based on LabVIEW virtual simulation technology is developed. The whole platform consists of pneumatic loop system and LabVIEW test control system. The pneumatic loop system is designed and simulated according to the working principle of the air tank charging system. The LabVIEW test control system is designed and simulated according to the air pressure control principle of the air tank charging system. The switch value of the circuit adopts solid state relay， and the control program is written through LabVIEW as the virtual controller. The experimental platform has been put into use. Practice has proved that the experimental platform is easy to build， and the operation steps and knowledge points are easy to understand and master. It is suitable for mechanical majors to learn. Through programming control of pneumatic equipment， the interest and innovation of the experiment are increased， and the enthusiasm and initiative of students are mobilized.

Key words： virtual simulation technology; LabVIEW; pneumatic experimental platform; innovate

隨著近年來測試控制技術的發(fā)展及氣動技術的進步，氣動控制在企業(yè)的應用越來越廣泛，然而高校針對工科學生開設的相關實驗課程往往是分開的，對學過《液壓與氣動技術》的學生單獨開設一個關于氣動回路的實驗課程，在氣路實驗中只專注于氣路系統(tǒng)的設計與使用，很少會涉及到控制技術。對于學過《控制基礎》的學生又會專門開設一門測試控制類的實驗課程，在測試控制實驗中只讓學生專注于編程，很少會涉及到執(zhí)行機構的氣路系統(tǒng)。這種針對性較強的實驗課程可以培養(yǎng)學生解決某一領域問題的能力，但是無法培養(yǎng)學生解決綜合性、復雜性問題的能力[1]。針對這一情況，開發(fā)了一個基于LabVIEW虛擬仿真技術的FESTO氣動實驗平臺。整個平臺由氣動回路系統(tǒng)、LabVIEW測試控制系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成。氣動回路系統(tǒng)是根據儲氣罐充氣系統(tǒng)的工作原理進行設計與模擬，氣動壓力傳感器采用與實際控制系統(tǒng)類似的元器件，使用2位3通的電磁換向閥來模擬儲氣罐充氣回路中的空壓機，使用2位3通的手動換向閥來模擬儲氣罐充氣回路中的人工氣動工具。LabVIEW測試控制系統(tǒng)根據儲氣罐充氣系統(tǒng)的氣壓控制原理進行設計與模擬，通過LabVIEW編寫控制程序作為虛擬控制器。電路控制系統(tǒng)中繼電器采用與實際控制系統(tǒng)一樣的繼電器。該實驗平臺已經使用多個學期，實踐證明，該實驗平臺搭建方便，操作步驟與知識點易于理解與掌握，適用于機械類專業(yè)學生學習，通過編程控制氣動設備，增加了實驗的趣味性創(chuàng)新性，調動了學生學習的積極性和主動性，培養(yǎng)了學生綜合運用專業(yè)知識解決復雜問題的能力[1-3]。

1? 氣動實驗平臺總體設計方案

? 本實驗課程主要針對全校工科類本科學生，通過設計和連接氣動回路鍛煉了學生的動手能力，通過編寫LabVIEW控制程序鍛煉了學生的創(chuàng)新思維能力[4]。

實驗平臺主要包括FESTO氣動系統(tǒng)、LabVIEW控制系統(tǒng)，電路控制系統(tǒng)和數(shù)據采集系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)中采用的是FESTO公司生產的氣動元器件，包括過濾調壓閥、2位3通電磁換向閥、單向節(jié)流閥、儲氣罐、氣動壓力表、氣動壓力傳感器、2位3通按鍵式手動換向閥。控制系統(tǒng)采用LabVIEW進行編程，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)繼電器作為開關量控制電磁換向閥的通電和斷電。數(shù)據采集系統(tǒng)采用阿爾泰USB2833數(shù)據采集卡，通過采集壓力傳感器電壓信號作為LabVIEW程序的輸入信號[4-5]。

? 為了使實驗操作更為方便，將數(shù)據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，并對每個管腳的號碼做好標示，這樣看到每個管腳就知道其功能，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。

? 根據電路控制原理圖將電路接好后，再根據氣動原理圖將氣路用氣管接好。然后根據儲氣罐充氣系統(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)據采集卡通訊，數(shù)據采集卡通過AI模擬量輸入管腳采集氣動壓力傳感器的電壓值，通過DO管腳輸出數(shù)字量信號控制繼電器，實驗中采用的是常開型繼電器，當給繼電器輸入高電平信號時候，常開繼電器的常開觸點閉合，當給繼電器輸入低電平信號時，繼電器的常開觸點斷開。繼電器的常開觸點與2位3通電磁換向閥電源和24V電源串聯(lián)形成一個閉環(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。

2? FESTO氣動系統(tǒng)搭建

儲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氣罐的供氣壓力在設定的范圍內。壓縮機與電源相連，當電源開關打開，壓縮機通電進行工作為儲氣罐進行充氣[6-9]。當儲氣罐的壓力上升到設備出廠時設定的最大值，壓縮機與電源斷開不再工作，儲氣罐的壓力也不會再持續(xù)增加。當儲氣罐的壓力下降到設備出廠時設定的最低壓力值，壓縮機與電源連接繼續(xù)工作，為儲氣罐充氣。儲氣罐充氣回路的示意圖如圖2所示。

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

3? LabVIEW測試控制系統(tǒng)搭建

? 儲氣罐充氣系統(tǒng)主要是為了控制儲氣罐的壓力在允許的壓力范圍內波動，當儲氣罐壓力大于儲氣罐允許的最大壓力值時，控制壓縮機關閉停止給儲氣罐充氣，當儲氣罐壓力小于儲氣罐允許的最小壓力值時，控制壓縮機打開開始給儲氣罐充氣[10]。為了完成控制，儲氣罐充氣系統(tǒng)中需要通過壓力傳感采集儲氣罐的壓力值，然后用采集到的壓力值跟儲氣罐允許的最大壓力值和最小壓力值進行比較，這時就會用到比較器。比較器是用來對兩個模擬電壓信號進行比較，一個電壓形成一個定點，并與輸入電壓進行比較，根據比較結果得到輸出量1或者0。

? 比較器用來設定儲氣罐允許的最大壓力和最小壓力，作為整個系統(tǒng)的控制器。在LabVIEW程序中創(chuàng)建一個波形圖表作為虛擬示波器，用來顯示采集到的信號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，進而控制儲氣罐的壓力值，2位3通手動換向閥作為干擾變量影響儲氣罐的壓力值。儲氣罐充氣回路控制結構圖如圖4所示，電路連接圖如圖5所示。

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氣罐的壓力變化值，在儲氣罐允許的最大壓力和最小壓力范圍內進行波動。

4? 實驗結果與分析

? 開發(fā)的基于虛擬仿真技術的FESTO氣動實驗平臺如圖7所示，由氣動元器件、電源模塊、數(shù)據采集模塊、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，控制儲氣罐的壓力變化，使得儲氣罐的壓力在允許的范圍內。

在教學實踐中，需要通過完成儲氣罐氣路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)及LabVIEW控制測試系統(tǒng)的搭建，鍛煉學生的動手能力，考查學生對儲氣罐充氣回路控制原理的理解及靈活應用能力。

? 學生2到3人一組進行實驗，在實驗中學生需要互相配合完成實驗[11-12]，一個同學主要負責設計和搭建氣動系統(tǒng)，一個同學主要負責設計和搭建電路系統(tǒng)。氣動系統(tǒng)和電路系統(tǒng)搭建完畢，所有同學一起編寫LabVIEW控制程序，然后調試和分析。

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

5? 結束語

在以學生為中心的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標下，將人才培養(yǎng)的模式從“獲得知識”改變?yōu)椤芭囵B(yǎng)能力”[13-15]。根據儲氣罐充氣系統(tǒng)的工作原理，開發(fā)了基于虛擬仿真技術的FESTO氣動實驗平臺。該平臺很好的將氣動知識與控制知識融合在一起，形成了一個綜合性的氣動測試控制實驗。目前該實驗平臺已應用于學校機械類相關專業(yè)，根據學生反饋，該實驗課程可以有效調動學生的積極性，鍛煉了學生的創(chuàng)新性思維和解決復雜工程問題的能力，使學生從被動簡單的實驗驗證轉變?yōu)橹鲃訉W習，深入思考與探索新知識，提高了實驗課的授課質量。

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