鄢華林，祁圣民，張鵬，李亞南

(江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212003)

電液伺服振動臺是一種重要的實驗設(shè)備，它廣泛應(yīng)用于航天、汽車、建筑等許多重要工業(yè)領(lǐng)域。將實驗對象固定在實驗臺上，通過模擬試件受載時的情況，來研究載荷對試件的影響、分析試件的可靠性或者研究減震系統(tǒng)的性能?？刂破髯鳛殡娨核欧駝优_的控制核心顯得非常重要。通過利用ActiveX 技術(shù)使PLC 與LabVIEW 通信來實現(xiàn)對電液伺服臺的控制，該控制系統(tǒng)的控制方式為PDF 控制，通過得出的試驗曲線，可突出PDF 控制方式在液壓伺服振動臺應(yīng)用中的優(yōu)越性。

1 控制系統(tǒng)原理簡介

1.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

該試驗臺為一維單缸電液伺服振動臺，主要是實現(xiàn)對液壓缸的位置控制，如圖1所示是該系統(tǒng)的工作流程圖。

該系統(tǒng)主要由PC、編碼器、PLC、D/A 模塊、功率放大器、伺服閥、液壓缸等組成。使用ActiveX技術(shù)保證LabVIEW 與PLC 進行正常通信，將PC 中的LabVIEW 作為參考量輸入元件即指令元件，編碼器作為測量反饋元件，PLC 作為控制器即比較元件，D/A 模塊為數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置。該控制系統(tǒng)將LabVIEW作為上位機與PLC 進行通信，從LabVIEW 中輸入設(shè)定值信號，經(jīng)過編寫的PLC 程序進行邏輯運算，將處理后的數(shù)據(jù)送給D/A 模塊，經(jīng)過功率放大器后將信號傳輸給伺服閥來控制液壓缸動作，液壓缸的實際位置由編碼器采集并將數(shù)據(jù)反饋給PLC。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

1.2 電液伺服振動臺PDF 控制原理

負載流量線性化方程:

式中:qL為負載流量;Kq為流量增益;xV為滑閥位移;Kc為流量壓力系數(shù);pL為負載壓力。

流量連續(xù)性方程:

式中:AP為液壓缸活塞有效面積;xP為活塞位移;CtP為液壓缸總泄漏系數(shù);Vt為總壓縮體積;βe 為有效體積彈性模量。

忽略閥腔和管道總?cè)莘e和油液的壓縮性，將式(2)簡化為:

液壓缸活塞的動力學(xué)平衡方程:

式中:mt為活塞及負載折算到活塞上的總質(zhì)量;BP為活塞及負載的黏性阻尼系數(shù);FL為作用在活塞上的任意外負載力。

缸輸出位移對伺服閥輸入電信號的傳遞函數(shù):

所以:

由式(6)可知此系統(tǒng)為二階系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 微分反饋控制方框圖

圖3 偽微分反饋控制方框圖

從圖2 中可看出對輸出信號C 微分經(jīng)過積分環(huán)節(jié)之后仍是C，這就說明沒有必要對輸出信號C 進行微分，可更改圖2 為圖3。

2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法

用PLC 編寫PDF 程序的原理與數(shù)字PID 的原理相似，積分實際上是偏差累積的過程即，積分原理圖如圖4所示。

圖4 PLC 積分編程原理

編程之前先用區(qū)間復(fù)位指令對D0 與D5 兩個寄存器進行復(fù)位操作，隨后將偏差值付給D0，再將D0與D5 相加，加完后的值再賦給D5，并用D5 的當(dāng)前值與更新的偏差值相加，這樣便實現(xiàn)了偏差的累積。微分實際上是kd2×［C(k)－C(k－1)］，即是一個逐步相減的過程。原理與積分相類似，這里不再贅述。根據(jù)此原理編寫好PLC 程序后再編寫LabVIEW 程序，實現(xiàn)LabVIEW 與PLC 通信，該控制系統(tǒng)在通信時借助于ActiveX 技術(shù)，使用LabVIEW 中的ActiveX 容器調(diào)用與PLC 通信的MX component 插件來實現(xiàn)兩者之間的通信。利用LabVIEW 中的“調(diào)用節(jié)點”可以實現(xiàn)對PLC 中的寄存器進行賦值，同樣也可以用“調(diào)用節(jié)點”對PLC 中的輸入繼電器進行置位。該系統(tǒng)通信時，主要是為了能夠?qū)⒅低ㄟ^LabVIEW 輸入到對應(yīng)的寄存器中，并且能夠?qū)⑻幚砗蟮闹底x出來并將其以圖表的形式反映在LabVIEW 前面板上，方便用戶實時觀察被控對象的運動情況。此外，設(shè)置在LabVIEW 前面板上的布爾控件能夠?qū)LC 中的繼電器實現(xiàn)控制，以保證程序的正常運轉(zhuǎn)。LabVIEW “調(diào)用節(jié)點”工作原理圖如圖5所示。

圖5 LabVIEW“調(diào)用節(jié)點”工作原理圖

如圖6所示為LabVIEW 程序，液壓伺服振動臺需要正弦激勵，此系統(tǒng)使用“Create Analog Signal”VI 來產(chǎn)生正弦信號，將信號換算成對應(yīng)的位移值后把值傳給對應(yīng)的寄存器中。LabVIEW 前面板如圖7所示。

圖6 LabVIEW 程序

圖7 LabVIEW 前面板

通過指示燈的閃爍來判斷LabVIEW 與PLC 是否通信成功，雙擊“Create Analog Signal”VI 設(shè)定好振幅與頻率后，將程序切換到前面板，將PLC 切換到“run”，點擊LabVIEW 前面板上的“按鈕”便可進行系統(tǒng)的實時監(jiān)控。

3 實驗與總結(jié)

從該伺服控制系統(tǒng)的輸出微分方程可以看出，微分方程右邊只有一個強迫項，被控變量對參考輸入具有很好的跟蹤能力;因為微分運算會帶來“噪聲”問題，工程上應(yīng)盡量避免對信號進行微分。該電液伺服振動臺控制系統(tǒng)在前向通道中雖然沒有對被控變量液壓缸的位移取微分，但在反饋回路中已實現(xiàn)對位移的微分運算。也就是說在控制過程中不僅實現(xiàn)了直線位移反饋，也實現(xiàn)了線速度反饋，因而伺服控制性能明顯提高。實驗測得曲線如圖8所示。

圖8 實驗效果圖

該控制系統(tǒng)使用的是工業(yè)領(lǐng)域常用的PC + PLC控制模式，它以PLC 為核心控制器，由PC 完成對PLC 上傳數(shù)據(jù)的顯示、保存、報警等任務(wù)，并能更改數(shù)據(jù)來控制PLC，既利用了PLC 控制精度好、可靠性高、抗干擾能力強的優(yōu)點，又充分使用了PC 強大的數(shù)據(jù)處理能力與良好的可視化界面。此系統(tǒng)適用于低頻液壓系統(tǒng)，具有控制方便、可靠、開放的特點。該系統(tǒng)已經(jīng)在實驗中得到應(yīng)用，性能可靠。

［1］韓軍，常瑞麗.基于工控機和PLC 的過程裝備控制實驗系統(tǒng)開發(fā)［J］.機床與液壓，2011，39(6):98－100.

［2］曾文火，邵福.電液速度伺服偽微分反饋控制［J］.液壓與氣動，2003(12):1－5.

［3］江灝，王慶豐.液壓綜合試驗平臺的PLC 實時測控系統(tǒng)［J］.機床與液壓，2007，35(1):182－184.

［4］陳錫輝.LabVIEW8.2 程序設(shè)計從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［5］李江全，劉恩博，胡蓉.LabVIEW 虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應(yīng)用實戰(zhàn)［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

［6］黃建龍，劉明哲，王華.液壓綜合試驗臺及其監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.液壓與氣動，2007(10):10－12.