基于LabVIEW的双液压缸同步控制系统的开发.pdf

2 0 1 5年 1月 第 4 3卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J a n ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 2 7 基于 L a b V I E W 的双液压缸同步控制系统的开发 左智飞 ，沈文轩 ，黄志坚 ，黄新辉 1 ．广东 “ r 3 c 学机电工程 学院，广东广州 5 1 0 0 0 6 ； 2 ．深圳 市雷诺智能技术有限公司，广 东深圳 5 1 8 0 0 0 摘要针对液压缸同步要求，构建了基于 L a b V I E W 的实时采集控制系统。该系统利用采集卡实现了对主、从液压缸位 移的实时检测，通过增量式 P I D结合控制卡实现了对从液压缸位移的闭环控制，从而保证了从液压缸对主液压缸的实时跟 踪 ，达到同步控制的目的。测试结果表明该控制系统能够很好地控制主、从液压缸的位移，同步精度高，完全符合实际 使用需求。 关 键词 液压 同步控制 ；L a b V I E W 软件 ；数据采集 ；增量式 P I D 中图分类号 T P 3 1 2 ；T H1 3 7 文献标 志码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 2 0 8 3 3 De v e l o pme nt o f Do ub l e Hy d r a ul i c Cy l i n de r S y nc hr o n i z a t i o n Co nt r o l S y s t e m Ba s e d o n La bVI EW Z U 0 Z h i f e i ，S H E N We n x u a n ，HU A N G Z h i j i a n ，H U A N G X i n h u i 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Gu a n g z h o u Gu a n g d o ng 5 1 0 0 0 6， Ch i n a； 2． S h e nz h e n Le r o I n t e l l i g e n t Te c hn o l o g y Co ． ， L t d． ， S h e n z h e n G u a n g d o n g 5 1 8 0 0 0。Ch i n a Ab s t r a c t F o r d e t e c t i o n o f h y d r a u l i c c y l i n d e r s y n c h r o n i z a t i o n r e q u i r e me n t s ，t h e r e a l t i me c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n L a b V I E W w a s b u i l t ． I n t h i s s y s t e m， D A Q c a r d w a s u s e d t o r e a l i z e t h e r e al t i me d e t e c t i o n o f t h e t w o o i l c y l i n d e r s ’ d i s p l a c e m e n t ； t h o u g h i n c r e me n t a l P I D a nd c o n t r o l c ard，t h e c l o s e d l o o p c o n t r o l t o t h e s l a v e c y l i n d e r s d i s pl a c e me nt Was r e ali z e d，S O as t o e n s u r e t h e s l a v e c y l i n d e r t r a c k i ng t h e ma s t e r c y l i n d e r all t h e t i me ．t o a c h i e v e t h e s y n c hro n i z a t i o n c o n t r o l p u r p o s e ． T e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e ma s t e r ． s l a v e c o n t r o l s y s t e m c a n b e u s e d t o c o n t r o l t h e d i s p l a c e me n t o f t h e c y l i n d e r s w e l l ，t h e s y n c h r o n i z a t i o n p r e c i s i o n i s h i g h，t h e a c t u al u s e r e q u i r e me n t s are me t f u l l y ． Ke y w o r d s H y d r a u l i c s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l ；L a b V I E W s o f t w ar e ；D A Q s y s t e m；I n c r e me n t al P I D 高载荷、大功率、长行程的系统通常要求使用多 个执行机构来完成它的功能和动作，如水库闸门的提 升、大型集装箱的升降等。在这样的大负载系统中， 一 般采取多个执行机构的液压系统来驱动。因此解决 同步问题、保证工程建设的安全性和可靠性成为关键 性 的技术 。 传统的同步方案采用 同步阀或者 同步马达来实 现，由于液压系统的泄漏 、液体压缩 、摩擦阻力的差 异 、负载不均匀 、控制元件 间的性 能差异 、各执行元 件 间负载 的差 异 、系统 各组 成 部分 的制 造 误差 等 特 点，特别是在外载荷不断变化 、设备运动行程较大等 因素 的影 响下 ，同步效果不甚 理想。 针对双 液压 缸 同 步要 求 。构建 了基 于 L a b V I E W 的实时采集控制 系统 。该 系统 利用采 集卡实现 了对主 液压缸位移的实时检测，通过增量式 P I D结合控制 卡实现了对从液压缸位移的闭环控制，从而保证了从 液压缸对 主液压 缸的实时同步跟踪 ，达到双液压缸 同 步控制 的 目的。 1 液压缸同步液压系统设计 液压缸 同步液压系统液压原理图如图 1 所示 。 箱 机 压泵 流 阀 例节 流 阀 向 阀 量计 向节 流 阀 图 1 双液压缸同步控制液压系统 其原理如下 电机泵组为系统提供液压动力 ．两 个换 向阀分别控制两个液压缸的上升和下降。双向节 收稿日期2 0 1 3 1 1 2 5 作者简介左智飞 1 9 8 8 一 ，男 ，硕士研究生，研究方向为机电液智能控制。E - m a i l a u t o ma n z z f 1 6 3 ． c 0 m。 8 4 机床与液压 第 4 3卷 流阀控制 主液压缸 的速度 ．比例流量 阀控制从液压缸 的速 度 ，同步控制 系统根据两个液压缸 的位移差通过 增 量式 P I D实 现对 比例 流量 阀开 口的控 制 ，从 而控 制从 液压缸 跟随主液压缸 同步前进 。 2 液压缸同步控制算法的设计 P I D控制算 式是一 种在工业控 制 中广泛运 用的控 制策略。其优点是原理简单 、易于现实、稳定性能 好 。其控制原理就是 确定一个 被控 制系统 的输 出量 ， 驱 动过 程变 量接 近设 定值 ．理 论上 模拟 P I D控制 器 的理想算式 为 [ e ㈩ 。 l ㈩ 式中 “ 为控制器 的输 出 ； e t 为设定值与过程变量值之差 为控制器的放大系数 ； 为控制器的积分时间常数 ； 为控制器的微分时间常数。 基于虚拟仪器的控制是一种采样控制 ．它只能根 据采 样时刻的偏差值 计算控 制量。 因此 ，式 1 中 的积分项和微分项 不能准确计算 ，只能用数值计算 的 方法逼近 。其计算式 为 “ K { e 詈∑e 』 I i 0 Z 1 [ e 一 e k 一1 ] } 2 式 中0 为采样周期。 如果采样周 期 0取 得 足够 小 ．这 种 逼 近相 当准 确 ，被控过程与连续控制过程十分接近。但是 由于全 量输出 ，所以每次输出均与过去的状态有关 ，计算 时 要对 e k 进行 累加 ，计 算机 运算工 作量 大 ，而且计 算机输 出的 u k 对应 的是执行 机构 的实 际位置 ，如 计算机 出现 故 障 ， k 的大 幅度变 化 ，会 引起 执行 机构位置 的大幅度变化 ，这种情况往往是生产实践中 不允许 ，因此文 中采用增量式 P I D控制算法 。 增量式 P I D控 制算 式是 指数 字 控制 器 的输 出只 是控制器 的增量 。当执行机构需要 的是控制量的增量 例如驱动步进电机时，其控制算式为 r 丹 A u k K { e k 一 e k 一1 - -e k t 1 I 1 n 1 [ e 一2 e k 一1 e k 一2 ] } 3 该式称 为 增 量式 P I D控 制 算式 。可 以看 出 ，由 于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期 0 ，一旦 确定 了 、 、 ，只要使 用前 后 3次 测量 值 的偏 差 ，即可由求出控制增量。 采 用增量式算法 时 ，由于计算机输 出增量 ，所 以 误动作 时影 响小 ，必要 时可 以用 逻 辑判 断 的方 法去 掉 ，算式 中不需要 累 加。控制增 量 A u k 的确定 仅 与最 近 3 次 的采样值有关 ，所 以较容易通过加权处理 而获得 比较 好的控 制效果 。 3基于 L a b V I E W 的双液压缸同步控制系统的设计 根据实现的具体功能，该测控系统的软件程序流 程图如图 2 所示 。该流程具体的实现过程为 打开测 控 系统软件 ，进入 系统 登人 界 面 ．输 入用 户 名 和密 码 ，若用户名 和密码正确则进入测控系统 ，否则退 出 测控 系统。进 入该 系统 后 ，用 户对 系 统参 数 进行 设 定 ，参数设定 包括 P L C的 C O M 口和波 特率 的设 定 、 传感 器参 数标 定 等。参 数设 定好 后用 户进 行 测控 登 录 ，确定 即可进入 同步测控状态 。测控过程 的采集数 据是 自动保存 为 T X T格式 的文档 ，试 验完 成后 用户 可以自愿选择是否需要保存试验报告。 l 堡墨墨室垄 l 匠 苤圃 主 输入用户名和密码 ] 一 ◇ 厂 测 控 登录 二工二 开 始测 控 采集数据进行保存 退 出系 统 1r一 实验 结 束 ， I l Y 图 2 软件操作 流程 图 测控部分是该系统的核心 内容 ，它 由采集模块和 控制模块组成，其控制原理如图 3 所示 采集模块采 集两个液压缸 的位移 、计算位移差 ；控制模块利用位 移差 ，经过控制算法得到每次需要的控制量 。控制相 应 的控制卡发 出控制信号 ，从而控制从液压缸的位移 跟随主液压缸 同步运动 。 羹 簇 电 磁 阀 图 3 测控原理 图 采集模块 和控制模块需要相应 的硬件配合相应 的 软件 ，其中传感器、采集卡结合相应的采集程序组成 采集系统 ；控制卡、比例流量阀结合相应的控制程序 组成控 制系统 ．其硬件选型如表 1 所示 。 表 1 系统硬 件选型 由于采用 N I 公 司的采集 卡 和控制 卡 ，所 以可 以 第 2期 左智飞 等基于 L a b V I E W的双液压缸同步控制系统的开发 8 5 直接利用 L a b V I E W 提供 的 N I ． D A Q m x函数 编写 相应 的采集和控制程序。采集程序负责采集液压系统中两 个液压缸的位移和两个回路的流量；控制程序是结合 增量式 P I D算法得到控制量 ．并通过控制卡输出对 应的控制信号比例流量阀根据相应的信号改变系统 流量大小 ，从 而实时智能柔性地去改变从液压缸 的位 移。其中增量式 P I D算法如图4所示。 图 4 P I D算法程序 4 测试结果分析 该测控 系统测 得两个液压缸 的位移 曲线如 图 5所 示 。可 以看 出 液压 缸 的行 程 为 6 5 0 m m．两 个液 压 缸的最大位移差不超过 5 m m，从油缸能够实时快速 地跟踪 主油 缸 ，响应 速度 快 、同步效果 非常明显 ；其 次 由于采 用 的是 控制 卡 加 比例 阀 的方案 控 制 液压 缸 的位移， 其同步精度跟控 童 制卡和比例阀的精度密切 相关。该实验采用分辨率 1 2位 的控 制卡 和普 通 的 A T O S比例 流 量 阀也 达 到 了比 较 理 想 的 同步 效 果 。 如需更高精度．可选取分 0 5 1 0 1 5 2O 时 间， s 图 5 双液压缸 同步实 时运行位移 曲线 辨率和精度更高 的相关产 品。 5结束语 基 于 L a b V I E W 的双液 压缸 同步 控制 系统 能够 达 到高精度 的同步效果 ，受 负载 、泄漏 、摩擦 等因素影 响 ，能快速跟踪调整 ，响应速度快 ，柔性好 ，能够很 好地满足工业上双液压缸同步的需求 ．并能应用于多 液压缸 同步 系统 ，而且测控界面 良好 ，测试数 据和曲 线能够完整实时显示与保存 ，可以很好地运用于工业 实践 中。 参考文献 [ 1 ]李笑． 液压与气压传动 [ M] ． 北京 国防工业 出版社， 2 o0 7． [ 2 ]苏东海， 韩国惠， 于江华 ， 等． 液压同步控制系统及其应 用 [ J ] ． 沈阳工业大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 4 3 6 4 3 6 7 ． [ 3 ]郭晓松 ， 祁帅， 占金春 ， 等． 基于同等方式控制的双缸同步 液压系统仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 9 ， 3 7 3 1 4 9 1 5 1 ． [ 4 ]李江全． L a b V I E W 虚拟仪器数据采集与串口通信测控应 用实践[ M] ． 北京 人民邮电出版社， 2 0 1 0 ． [ 5 ]陈树学， 刘萱． L a b V I E W 宝典[ M] ． 北京 电子工业 出版 社 ． 2 0 1 1 ． [ 6 ]金志强， 包启亮． 一种基于 L a b V I E W 的P I D控制设计的 方法[ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 5 5 5 - 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