基于LabVIEW的液压试验测控系统的开发

杨 涛，楠 丁，侯守全

(1．内蒙古工业大学机械学院，呼和浩特 010051；2．内蒙古液压技术研究所，呼和浩特 010051)

0 引言

液压传动主要是利用液体压力能来传递能量[1]。液压传动系统一般具有结构轻巧、传动比大、运行平稳、易于实现无级调速及能实现自动控制等众多优点，而被广泛应用于工业生产的各个领域[2-3]。

文中研发了一套液压试验测控系统，通过电液比例阀控制管路流量，并通过3个气动球阀控制3个工作管路的启闭。试验系统包括管路部分与测控部分，测控部分采用上位机—下位机控制模式，由上下位机共同构成测控部分。基于该测控系统，可以实现如下具体功能：试验数据的高速连续采集；液体流量的自动调节；数据文件自动创建与存储，历史数据的读取与曲线的生成，一键生成历史报表等。

测控系统选择了LabVIEW作为其软件载体。LabVIEW不仅可以作为一个开发平台，应用于一般的数据管理、科学计算等方面应用程序的开发，其最大的优势还在于测控系统的开发。它不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且LabVIEW程序还非常容易和各种数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场总线通信以及与大多数通用标准的实时数据库连接[4]。LabVIEW为先进的测试与仪器软件提供了最佳的开发平台，它已经成为图形化编程语言的工业标准[5]。基于LabVIEW开发的测控系统，在科研与工程的各领域得到广泛应用。

1 测控系统的技术要求与设计思路

1．1硬件技术要求与配置

在信息科技高速发展的今天，通过采集硬件已能满足并实现数据的连续高速采集，并且相关功能的产品已经大面积推广到了市场上，用户可以根据自己的需要方便地购买适合自己的产品。经过仔细地筛选，选择了PCI8603数据采集卡，承担主要的测量控制任务。PCI8603数据采集卡是一款基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、波形分析和处理系统，也可构成工业生产过程监控系统。

该试验中，共需要用到AD输入、DA输出、DI输入以及DO输出功能。由于采集卡只识别标准电压信号，而传感器输出的信号通常是4～20 mA的小电流信号，所以，在传感器与采集卡之间需要安装一个信号调理设备，用以将小电流信号调理为标准电压信号。该试验选用了16路调理接线端子板AI-IV16A，与PCI8603数据采集卡配套使用。其输入信号为4～20 mA电流，输出信号为0～5 V电压，并且具备有源低通滤波属性。试验系统硬件结构框图如图1所示。

图1 测控系统硬件结构框图

1．2软件设计思路

1．2．1 软件框架的建立

基于测量控制系统的具体技术要求，首先要构建测控系统的软件框架。试验中，共需测量压力、温度、力、流量等参数，其中流量值要实现计算机自动调节，形成一个闭环回路。在试验管路中需要放置3个气动球阀，同时为防止误操作，三气动球阀要实现互锁控制，而这种互锁控制要通过软件来实现。这样的要求对软件的框架结构产生了一定的影响。

在LabVIEW中，程序结构的灵活应用至关重要，程序框架的建立与结构的选择密切相关。为此，LabVIEW提供了丰富的结构类型，例如：顺序结构、条件结构、事件结构、循环结构、定时结构等。根据该试验的具体操作流程，尝试利用事件结构做框架，再嵌套入循环结构的思想来完成软件框架的建立，但最后以失败告终，原因是，当事件结构内嵌套入循环结构时，循环结构无法跳出，会形成死循环，从而使采集过程无法停止，最终导致程序崩溃。因此，采用了平铺式顺序结构作为最外层结构，将while循环结构嵌套入其中。在while循环中，并列安排若干个条件结构，并利用布尔型按钮分别控制其实现条件。在一号、二号、三号的“真”条件框图中，分别建立3个布尔型按钮的属性节点。框架的具体结构见图2。

图2 测控系统软件框架示意图

最外层平铺式顺序结构的第一帧内容用来初始化各按钮的状态以及启用情况。在第二帧中，将整个系统的程序框图置于一个while循环中，其停止条件按钮命名为“停止系统”，条件成立时跳出循环，整个系统停止工作。最上方3个条件结构分别由3个布尔开关控制其实现条件，“假”条件框图内没有执行程序，“真”条件框图内分别建立其余2个布尔开关的属性节点，属性节点类型为“禁用”。当其中一个按钮按下时，条件结构内的程序就会执行，将另外2个按钮“禁用并变灰”。同时建立一个“复位”条件结构，其“真”条件中，首先创建3个按钮的属性节点，节点类型分别为“值”和“禁用”。再将3个“值”属性节点放入顺序结构的第一帧中，3个“禁用”属性节点放入第二帧。这样便可以通过单击复位按钮解除其余两个按钮的禁用状态，同时将其值回复到初始状态。因为4个按钮并列存在于循环结构中，所以CPU会循环地扫描按钮的状态，从而可以随时执行气动球阀的开关命令，最终实现三按钮互锁的功能。

图2仅是软件框架的示意图，图中省略了大部分程序框图的内容，只保留了能够阐明系统框架的部分。程序框架的设计思路对整个测量控制系统的建立起着至关重要的作用，并为其他各模块功能的实现提供了有力地支撑，后续功能的实现只需要在框架中的对应位置分别填充进去即可。

1．2．2 其余部分的建立

测量控制系统其余部分要以软件的框架为基础，分别嵌入在框架的各部分中。其中包括以下内容：

(1)为试验系统设立急停按钮，并将急停按钮的操作权限设置为最高。

(2)创建试验数据的连续采集与处理功能，并能够自动创建数据记录文件。

(3)设计试验数据的读取与回放功能。在试验完成后，主要的工作是对试验数据的分析与处理，并观察试验数据的图形曲线。曲线以时间为横轴，分别显示整个试验时间段内的各项数据曲线。

(4)建立一键生成历史报表功能。

2 数据连续采集与PID调节部分的程序设计

在测量控制系统中，测量控制任务的执行者是若干硬件设备，但操作人员是通过操作计算机完成试验过程的，因此，在计算机与硬件设备之间都有与之相对应的驱动程序存在，他们起着“桥梁”的作用，用来沟通计算机与硬件设备。在进行编程时，可以方便地调用这些驱动接口，实现数据采集功能。需要指出的是，PCI8603的驱动接口均属于外挂式驱动接口，它是通过LabVIEW的Call Larbrary Function功能模块实现的。他的特点是除了自身的语法略有不同以外，每一个基于LabVIEW的驱动图标与Visual C++、Visual Basic、Delphi等语言中的每个驱动函数是一一对应的，其调用流程和功能是完全相同的。

由于驱动程序采用面向对象的编程，所以要使用设备的一切功能，就必须首先使用CreatDevice函数创建一个设备对象句柄hDevice。有了这个句柄，就拥有了对该设备的绝对控制权，然后将此句柄作为参数传递给相应的驱动函数即可。

试验中将要用到很多驱动函数接口，现将其图标与功能列举如下，如图3所示。

图3 驱动函数图标示意图

CreatDevice函数：该函数使用逻辑号创建设备对象，并返回其设备对象的句柄hDevice。

InitDeviceAD函数：它负责初始化设备对象中的AD部件，为设备的操作就绪做有关的准备工作，如预置AD采集通道、采样频率等。

StartDeviceAD函数：启动AD设备。

InitDeviceDA函数：它负责初始化设备对象中的DA部件。

ReadDeviceProAD_Npt函数：使用FIFO的非空标志读取AD数据到用户缓冲区。

WriteDeviceOneDA函数：DA单点输出函数，通过DA通道以单点的形式输出指定的电压值。

EnableDeviceDA函数：启动DA设备。

SetDeviceTrigDA函数：在指定通道被启动后，可由此函数以软件产生触发事件。

DisableDeviceDA函数：暂停DA设备。

ReleaseDeviceDA函数：释放掉设备上的DA部件。

StopDeviceAD函数：暂停AD设备。

ReleaseDeviceAD函数：释放设备上的AD部件。

ReleaseDevice函数：释放设备对象所占有的系统资源及设备对象自身。

应该注意的是，CreatDevice函数必须和ReleaseDevice函数一一对应，即当执行了一次CreatDevice函数后，再一次执行这些函数前，必须执行一次ReleaseDevice函数，以释放掉CreatDevice函数占用的系统软硬件资源。只有这样，当再次调用CreatDevice函数时，那些软硬件资源才可被再次使用。

在利用LabVIEW编程时，最大的难点在于流量的闭环控制，比例流量阀流量输出公式如下：

(1)

式中：q为通过阀口的流量值；Cd为阀口的流量系数，紊流时近似为常数；ω为矩形节流阀口的面积梯度；Xv(i)为滑阀阀口的开度；ρ为流体的密度；Δp为阀口两端的压力差。

式中可见流量受滑阀的阀口开度、流体的密度以及阀口两端的压力差这3个参数的影响。3个参数中任意一个发生变化，都会带来流量值的波动。因此，动态调节比例流量阀的开度就显得十分重要。

在工业过程控制中，PID控制的特点是原理简单，适应性强，鲁棒性强。而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累了大量的PID控制器参数的调节经验[6-8]。其输入与输出的关系如下：

(2)

式中：u为调节器输出；e为误差；Kp为比例系数；TI为积分时间；TD为微分时间。

将PID控制应用到本试验的比例流量控制中，利用计算机程序处理代替传统的智能控制仪进行PID计算，计算结果转换成控制信号后，通过输出板卡和放大器输送到执行设备中，省去了智能控制仪，简化了设备，增强了设备的操作性，提高了控制的可靠性，也降低了成本[9]。

由于软件框架已建立起来，数据连续高速采集模块的程序框图只需要嵌入到框架中的相应位置中去即可。其对应的位置就在框架中“开始采集”条件成立后的while循环里。

首先确定选用平铺式顺序结构作为循环内部的基本框架，根据不同函数接口的不同功能，分别在每一帧中添加对应的驱动函数。添加第一帧，将CreatDevice函数置于其中，创建设备对象的句柄hDevice。添加第二帧，放置InitDeviceAD函数与StartDeviceAD函数，用于初始化设备的各项参数并启动AD设备。在第二帧中还需要添加一个LabVIEW本身的“初始化数组”函数。这是因为采集过程需要在内存中开辟出一定大小的空间作为用户数据缓冲区，用来存放从板卡中读入的数据。其大小不能小于ReadDeviceProAD_Npt函数一次读入数据的大小。在内存中开辟的空间将作为参数输入到ReadDeviceProAD_Npt函数的参数入口中。添加第三帧，放置InitDeviceDA函数，初始化DA设备。添加第四帧，放置ReadDeviceProAD_Npt函数，这一帧作为采集动作执行的关键一帧。添加第五帧，放置PID控制器与WriteDeviceOneDA函数，将PID控制器的输出口与单点输出函数的输入口相连，这样就可以实现流量值的自动调节。其程序框图见图4。

图4 PID控制器与单点输出函数

后面的程序框图，则按照流程顺序分别放置EnableDeviceDA函数、SetDeviceTrigDA函数、DisableDeviceDA函数、ReleaseDeviceDA函数。到此处，循环内的程序框图已经创建完毕，之后系统会循环执行其中的程序，实现数据的连续高速采集与流量的自动调节。在循环之外，再分别放置StopDeviceAD函数、ReleaseDeviceAD函数，最后放置ReleaseDevice函数，释放系统软硬件资源，完成整个试验过程，停止系统。

3 测控实例

在压力源压力恒定，前端负载无变化的条件下，对该系统进行了试验。试验的流体介质选择了煤油，将流量控制目标值设定为40 L/min，测控系统采集时间设定为12 s，即在12 s内对管路流量进行闭环控制，并且使流量值稳定在40 L/min上下，实时监测流量值。经过PID参数整定，选取了一组合适的PID参数，得到了如图5所示的测量控制效果：

图5 系统试运行的测量控制效果

图5中的曲线是试验之后，在历史数据读取前面板上得到的。因为流量计有一个最小测量值，当实际流量小于最小测量值时，流量计读数始终为零，因此曲线前一小段读数为零。可以看到流量值基本稳定在目标值上下，并在目标值上下小幅调整。

4 结束语

在调试运行的过程中，该系统运行顺畅，具有良好的数据采集与处理能力。控制功能中，气动球阀动作可靠，比例流量阀的自动调节准确快速，为试验人员完成试验任务提供了有力的支持。该系统具有以下优点：

(1)具备三按钮互锁功能，使试验管路的球阀无法同时打开，防止误操作，提高了系统安全性。

(2)对流量进行了闭环控制，提高了系统的自动化水平。

(3)创建了历史数据读取与曲线生成功能，方便试验人员随时观测试验数据曲线。

(4)一键生成历史报表，减少了不必要的重复劳动。

参考文献：

[1]姜继海，宋锦春，高常识．液压与气压传动．北京：高等教育出版社，2009．

[2]王志攀，李洪儒，徐葆华．LabVIEW在液压设备在线检测系统中的应用．信息技术，2011(3)：147-149．

[3]许贤良，王传礼，张军，等．液压传动．北京：国防工业出版社，2006．

[4]雷振山．LabVIEW7 Express 实用技术教程．北京：中国铁道出版社，2004．

[5]杨乐平，李海涛，赵勇．LabVIEW 高级程序设计．北京：清华大学出版社，2003．

[6]闫永跃，李庆周，于树新．智能PID控制综述．可编程控制器与工厂自动化，2006，(12)．

[7]LIPOVSZKI G，ARADI P．Simulating complex systems and processes in LabVIEW．Journal of Mathematical Sciences，2006，132(5)：629-636．

[8]FENG CH SH，ZHU W Q．Response of harmonically and stochastically excited strongly nonlinear oscillators with delayed feedback bang-bang control．Journal of Zhejiang University Science A，2009，10(1)：54-61．

[9]王晓，张宝怀．基于LabVIEW的换热器性能试验装置测控系统的开发．机械工程学报，2009，45(4)．

作者简介：杨涛(1960—)，教授，主要研究领域为机电液一体化装备设计与开发。E-mail：mcyys@imut．edu．cn