基于虚拟仪器的气动控制综合实验教学平台设计

葛耀峥　雷勇　陶国良

摘要 基于NI CompactRIO 控制系统作为主控单元的虚拟仪器的气动控制综合实验教学平台是利用计算机技术、虚拟仪器技术和高性能的模块化硬件以及气动一体化技术，结合高效灵活的软件来完成各种机电信号测试、测量和自动控制应用的实验教学平台。以满足控制工程实验教学目的。

关键词 虚拟仪器 气动控制 LabVIEW开发环境 实验教学平台

0 引言

为了能新增机械电子工程专业本科高年级更高层次的研究性、创新性实验内容，使学生通过实践能理解到如何去研究和解决科研问题或工程问题，急需开发一批既包括虚拟仪器在智能化程序、计算机硬件和软件技术又具有机电与测控制技术一体的实验教学设备供学生实践使用。不仅有利于创新能力的培养，而且对于本科生和研究生创新能力的提高或许是非常迫切需要的。

1 NI CompactRIO模块

NI CompactRIO模块是一款工业级嵌入式测控系统，集成了嵌入式实时控制器、可编程硬件逻辑（FPGA）和可重配置的I/O 模块。带有实时处理器和可重新配置FPGA功能，用于独立的分布式应用。基于NI可重新配置I/O技术，适于超高性能和自定义应用。NI CompactRIO 可编程控制模块实物图与基本原理框图如图1所示。

2 NI LabVIEW开发环境

LabVIEW是一款图形化开发环境，对于要求苛刻的工业级及嵌入式应用具有灵活性和易用性等特点。可以通过LABVIEW REAL-TIME模块创建程序，并在CompactRIO控制模块上实时地稳定运行。也可以通过LABVIEW为CompactRIO模块快速创建HMI或用户界面，并在联网的PC或嵌入式触摸板上运行。

2.1 LabVIEW RT 开发环境

LabVIEW RT 开发环境借助LabVIEW 图形化开发环境和硬件驱动包，可轻松访问硬件底层，快速构建嵌入式系统的软件原型。可用于多速率确定性的定时、触发和控制循环结构。提供丰富的信号处理IP 核，可完成逐点信号生成、时域/频谱分析、滤波、曲线拟合、线性代数、数组/ 矢量操作等功能。提供二进制和文本文件I/O，可进行内嵌的数据存取。

2.2 LabVIEW FPGA 开发环境

LabVIEW FPGA 开发环境通过图形化编程配置目标FPGA逻辑映射，创建自定义硬件I/O 接口。通过LabVIEW FPGA 软件接口，可实现与实时控制器或上位机的数据通信、中断同步、数据缓存和内存读写。采用40 MHz FPGA 时基（25 ns 间隔）的执行定时、触发和自定义循环控制、实现确定可靠的硬件决策。

3 气动系统实验原理与设计方法

以虚拟仪器NI CompactRIO控制和采集模块作为控制核心模块的气动控制综合教学实验平台采用了模块式设计，学生可以根据自己的设计需要选择气动元件和执行元件，在实验平台上对其进行模块组合并完成各种气动回路的搭建和控制，自主完成一系列实验。

3.1 气动系统实验原理

气动系统实验包括气缸的换向回路、压力元件的响应时间特性关系等的研究性实验等。例如：“基于LabVIEW的带位移传感器的气缸循环运作控制程序设计实验”的气动控制综合实验项目，其硬件控制功能由虚拟仪器NI CompactRIO主控模块来实现，并通过压力传感器，运用反馈过来的数据，控制电磁气阀的状态对气缸进行充、放气操作，进而控制气缸的压力。而控制软件是通过LabVIEW高级语言根据一定的控制算法进行编程设计实现的，该程序设计的目的主要是控制气缸在实际的运作中能够智能的来回循环运作，实现控制气缸中的压力能够稳定在某一个理想的压力值上，这个研究内容在目前气动控制领域中，仍是一个比较难解决的研究内容。而这个实验结果的好坏对气动控制系统执行机构（如气动机器臂等）的工作稳定性、精确度等有直接影响。具有十分重要的意义。

3.2 气动系统实验设计方法

与传统的机电系统实验教学设备相比，本系统平台具有很多优势。首先，随着现代实验教学方法的改革，许多实验教学方法越来越离不开计算机的参与。本系统平台就是为了适应当前实验教学发展的需要，同时选用了美国国家家仪器公司的虚拟仪器NI CompactRIO控制和采集模块作为控制核心模块而研制的。与传统的基于计算机的仪器设备相比，它更加紧凑、坚固，而且工作温度范围大，以及非常低的功率消耗。这样就摆脱了传统实验教学低效的劣势，促进了教学事业的发展。

例如，为了控制气缸在实际的运作中能够智能的来回循环运作，必须解决在电磁阀在什么时刻换向。为此，设计方法是采用程序定时方法实现电磁阀的换向操作。即预先计算出气缸的单行程时间，作为定时器的输入，来控制电磁阀的定时开启和关闭进而控制气缸的正反行程运动。

同时，系统设计方法还包括，在初始设置完毕之后，气缸会自动运行，在同奇次或同偶次定时次数的状态下，电磁开关的状态应该是一样的，因此，直接运用了循环次数i除2取余的余数作为case结构中的条件。 另外，为了减少程序的执行量，提高效率，定时部分应该放在while循环结构的外面。

参考文献

[1] 周灿丰，林顺英.基于虚拟仪器平台的全数字自动控制实验仪器研制[J].北京石油化工学院学报，2004.12（2）：5-8.

[2] 马志艳，闵华松.虚拟仪器平台软件开发中的两个关键技术[J].武汉科技大学学报（自然科学版），2002.25（2）：138-141.

[3] 夏鍇，杨增宝.基于LabVIEW读取串口数据技术[J].制造业自动化，2012.34（19）：21-22.