[doc格式] 基于LabVIEW的电液比例控制实验系统研究

1、基于labview的电液比例控制实验系统研究2009年9月第37卷第9期机床与液压machinetool&hydraulicssep.2009vol1.37no.9doi:10.3969/j.issn.10013881.2009.09.078基于labview的电液比例控制实验系统研究吴炳胜,蔡超志,姜金俊,朱莹莹(河北工程大学,河北邯郸056038)摘要:提出了一种基于labview的电液比例控制实验系统的思想,用虚拟仪器开发平台(labview)控制来替代原来电液比例控制实验系统中的信号源和继电器控制.对电液比例控制实验系统作了进一步开发,用软件编程代替了原来系统中的部分硬件电路,

2、简化了实验系统,且具有较好的人机交互界面,学生实验操作方便,查错容易,提高了学生的综合设计和实践能力.关键词:电液比例控制;labview;虚拟仪器;继电器控制中图分类号:th8文献标识码:b文章编号:10013881(2009)92373researchonelectro-hydraulicproportionalcontrolsystembasedonlabvwwubingsheng,caichaozhi,jangjinjun,zhuyingying(hebeiuniversityofengineering,handanhebei056038,china)abstract:thepropo

3、rtionofelectro-hydrauliccontrolexperimentalsystembasedoillabviewwasdeveloped,whichusesvirtualinstrumentdevelopmentplatform(labview)toreplacethesignalsourceandrelayscontrolintheoriginalexperimentalsystem,andusess0flw盯etoreplacesomehardwarecircuits.thesimplfliedexperimentalsystemhasfriendlyhumancomput

4、erinterface.itiseasyforstudentstooperateandfoundellor,andcanenhancethecomprehensivedesignandpracticalabilityofstudents.keywords:electrohydraulicproportionalcontrol;labview;virtualinstrument;controlrelays0前言电液比例控制系统由于其控制实现简单,维护方便和成本较低,在工业生产中逐步得到了广泛的应用.传统的电夜比例控制实验系统由比例液压系统和电气控制两部分组成,虽然实验效果良好,但是也存在一些问题

5、.目前所配置实验系统电控部分有连续的模拟信号及开关量信号,模拟量通过额定值信号源实现,开关量的控制是依赖于传统继电器控制来实现的,在实验中出现控制时间难于准确,实验连线复杂和出错难于检查,触点竞争等问题.为此,作者提出了一种基于labview的电液比例控制实验系统的思想.1电液比例控制简介作者以德国festo电液比例控制系统为例对电液比例控制系统进行了介绍.该系统采用了模块化设计,是机电液紧密结合的教学实验平台,其使用的各种元件均为独立工业元件.festo电液比例控制系统的组成有额定值信号源,比例放大器,比例控制阀,接近开关和继电器.额定值信号源是一个具有简单编程功能的信号给定装置,可以设置给

6、定值的转换时间实现给定值的变化,以及给定值的变化斜率,而且可以根据外部输入端il,i2,i3口的输入电平状态不同,相应变化输出的电压值.比例放大器可以将设定的电压信号值放大并转换为电流信号,以控制比例阀阀芯的位置,并决定其通流面积和流量的大小,同时在比例放大器中可以进行设置以对比例控制阀进行补偿.霍毒簧卜莫墨放比例阀液压缸位置传感器接近开关1,2”图1原有festo电液比例控制实验系统框图原有的festo电液比例控制实验系统组成如图1所示.其控制原理:额定值信号源给出信号,经比例放大器放大后送入比例阀,驱动液压缸活塞杆的运动,接近开关接收到信号后,经继电器控制,改变额定值信号源i1,i2,i3

7、的高低电平状态,从而额定值信号源送出相应的设定值,并且额定值信号源可以设定信号变化斜率,最终达到设定目的.这种控制是以额定值信号源输出值的切换来实现的,而且用继电器控制,体积较大,触点个数受到硬件限制,而且继电器控制中,各并联电路是同时加压,并行工作的,由于实际元件动作的机械惯性,会发生触点竞争现象,收稿日期:20080904作者简介:吴炳胜(1956一),河北肃宁县人,教授,硕士,1993年毕业于吉林工业大学矿山机械专业,现在河北工程学院机电学院从事教学与科研工作,发表论文30余篇.电话email:caiehaozhi1983163.tom.?238?机床与液压第3

8、7卷导致动作失误.2基于labview的电液比例控制实验系统2.1虚拟仪器及labview简介虚拟仪器就是用户在通用计算机平台上,根据需求定义和设计仪器的测试功能,使得用户在操作这台计算机时,就像是在操作一台自己设计的测试仪器一样.虚拟仪器概念的出现,打破了传统仪器由厂家定义,用户无法改变的工作模式,使得用户可以根据自己的需求,设计自己的仪器系统,在测试系统和仪器设计中尽量使用软件代替硬件,充分利用计算机技术实现和扩展传统测试系统和仪器的功能.”软件即仪器”是虚拟仪器概念最简单也是最本质的表述.虚拟仪器离不开计算机控制,软件是虚拟仪器设计中最重要和最复杂的部分.labview(laborato

9、ryvirtualinstrumentengineer-ingworkbench,实验室虚拟仪器工作平台)是一种图形化的编程开发环境,具有传统语言的编程开发,调试工具,其最大的特点就是图形化的编程语言,易于掌握与理解并可开发出友好,逼真的用户界面,且其信号处理功能强大,集成了与数据采集卡等硬件通讯的几乎全部功能,labview还包括丰富的用于数据采集,分析处理及数据存储的库函数以及满足各种实际应用需要的工具箱,可采用动态链接(dll)技术将用户开发的虚拟仪器软件链接到其中,可采用对象链接嵌入(ole)技术将其他虚拟仪器嵌入.labview编制的程序可经编译生成可执行文件.编制的labview程

10、序(虚拟仪器)均包括前面板(frontpane1)和流程图(blockdiagrams)两部分.前面板包括旋钮等多种控件(controls)与显示对象(indicators).前面板labvlew的图形用户界面,该界面集成了用户的输入与输出.而流程图则包括内置于vi库中的函数(functions)和结构(structures)及与前面板上的控制对象,显示对象对应的连线端子(terminals),在流程图中,对vi进行编程,便可控制和操纵定义前面板上的输入和输出功能.流程图包含了vi的源代码.采用labview图形化编程的主要特点就是将vi的主要功能分解为多个基本的子功能vi.每个子vi可进行封

11、装,只需显示输入与输出接口,单个功能的子vi可重用性强,从而节省了编程时间,编程者可以通过人机交互方法,采用图形化编程技术完成虚拟仪器的软件功能.总之,labview是一种基于图形化编程语言的虚拟仪器软件开发工具,带有大量的内置功能,能够完成仿真,数据采集,仪器控制,测量分析和数据显示等任务,其内部集成了上千种仪器和测量设备驱动,因此,选择在labview平台下开发的电液比例控制实验系统有很好的编程技术支撑.2.2系统硬件组成基于labview的电液比例控制实验系统组成为装有labview软件的计算机,d/a转换器,放大器,比例控制阀,液压缸,接近开关,传感器,a/d转换器和数据采集卡.其中用

12、装有labview软件的计算机代替了原有系统的额定值信号源和继电器.系统组成如图2所示.其控制原理如下:由labview软件编程模拟产生需要的各种信号,信号由计算机输出后经d/a转换成模拟信号,然后经比例放大器放大后送入比例阀,驱动液压缸活塞杆的运动,接近开关接收到信号后,经位置传感器,a/d转换,数据采集卡传给计算机,再由计算机控制labview编写的程序改变信号发生器产生不同的信号输出,并且可以通过编程设定信号变化斜率,最终达到设定目的.l釜l翥ab台v的iew卜匪d互/a耍,亘至.三亘恒1开发平台的卜_叫转换h比例放大器h比例阀h液压缸ii计算机llllii数据采集a,d转换l?位置传感

13、器h接近开关1,2图2基于labview的电液比例控制实验系统组成2.3系统软件总体设计在系统中,软件部分主要完成信号的发生和根据传感器获取的信号实现信号源的改变.在labview中提供了大量的不同信号的函数发生器,也提供了函数发生的公式编辑器,因此利用labview编程很容易实现信号的发生.在程序设计中使用选择结构,事先编程设计出系统需要的各种信号,然后根据传感器得到的不同信号选取相应的信号送给比例放大器,放大后控制比例阀,以达到控制目的.2.4系统程序图3信号发生程序框图第9期吴炳胜等:基于labview的电液比例控制实验系统研究?239?系统程序中labview主要完成信号的仿真及根据采

14、集到的传感器信号选择信号的输出,这里只给出信号的产生部分程序,图3,4分别是系统信号发生的框图和前面板.图4信号发生程序前面板图3所示是系统信号发生程序的程序框图,它主要由一个while循环和一个case结构构成.while循环主要控制信号的连续发生.case结构主要用来对信号的选择,由4个分支组成,每1个分支产生1种信号,第1个分支产生正弦信号,第2个分支产生三角波信号,第3个分支产生方波信号,第4个分支产生锯齿波信号.这里只模拟了这4种信号的发生,当然可以根据需要用更多的case分支模拟更多的信号.图4所示是系统信号发生程序的程序前面板,用labview编写的程序的前面板用户界面友好,前面

15、板上的按钮分别对应于实际仪器的按钮,因此可以直接点击信号选择按钮就可以改变信号的产生,点击相应的按钮可以改变信号的相应参数,如信号的频率,幅值,相位,占空比,采样率和采样点数,操作起来十分简单.另外通过前面板的波形显示器可以观察信号的波形,这样就可以检测所产生的信号是不是系统需要的信号.3结论与原有系统相比,上述系统更多地采用软件算法代替硬件电路,降低了由硬件电路造成的信号干扰,充分利用了计算机强大的数据管理和数据处理功能,实时性好,精度高,操作简单,系统可扩展能力强,具有友好的人机界面,系统开发周期短,效率高,节省了开发时间.参考文献:【1】侯国屏,叶齐鑫,王坤.labview7.1编程与虚

16、拟仪器设计m.北京:清华大学出版社,2005.【2】沈瑜,王筠.基于plc的festo电液比例控制实验系统m.北京:电子机械工程出版社,2007.【3】路涌祥,胡大弘.电液比例控制技术m.北京:机械工业出版社,1988.(上接第264页)数中的sigma参数分别设定为0.1和1.分别用测试集合测试3个训练样本训练得到的svdd分类器,结果如表1所示.表1单通道和信息融合后的分类准确率从表1的分类结果中可以看出,在同样的参数条件下,在y通道,svdd分类器对非目标样本的数据的分类准确率为100%,而对目标样本数据的分类准确率只有50%,说明训练得到的超球面对目标样本数据包围得太紧,拒绝了大部分数

17、据.而通道对非目标样本的分类准确率为80%,非目标样本被接受,带来更大的误差风险.而通过矢谱融合的的特征向量组成的训练集训练得到的svdd分类器对非目标样本数据和目标样本数据的分类准确率都为100%,训练得到的svdd分类器很好地将目标样本和非目标样本数据区分开来,得到了很好的训练效果.实验结果表明如基于矢谱和支持向量数据描述的故障诊断方法是有效的.4结论在机械设备系统中,正常样本很容易获取,而故障样本一般很难,或者需花费很大的代价才能够获得.支持向量数据描述方法,仅仅依靠正常运行状态的数据信号,就可以对设备的运行状态监测和故障诊断.矢谱融合了双通道的信息,信息量全保障了故障诊断的准确率.基于这两种方法的优点,将矢谱和支持向量数据描述相结合应用到旋转机械故障诊断中.实验表明:该方法是一种准确,可靠的故障诊断方法,有很好的应用前景.参考文献:【1】韩捷,张瑞林,等.旋转