張若青，馬媛媛

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

近年來(lái)，隨著機(jī)械設(shè)備工作精度、響應(yīng)速度和自動(dòng)化程度的提高，對(duì)氣動(dòng)控制技術(shù)的要求也越來(lái)越高。氣動(dòng)技術(shù)與電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制理論的結(jié)合廣泛，尤其是現(xiàn)代控制理論在氣動(dòng)比例系統(tǒng)中的應(yīng)用，使氣動(dòng)比例系統(tǒng)的性能得到極大提高，也大大拓寬了氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域[1-2]。

面向儀器系統(tǒng)的PAC(Programmable Automation Controller)為測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)提供了高性能、高堅(jiān)固性、低成本的配置方案[3]。PAC系統(tǒng)代表了控制工業(yè)領(lǐng)域的革命，它的意義在于自動(dòng)控制的集成，不是將各部件簡(jiǎn)單的集成，用戶根據(jù)系統(tǒng)的需要，組合和搭配相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)功能的側(cè)重?；贚abVIEW的PAC平臺(tái)，憑借多個(gè)高級(jí)分析控制函數(shù)、廣泛地面向高速監(jiān)測(cè)的I/O和與企業(yè)層次系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)了面向工廠自動(dòng)化的PLC系統(tǒng)的極佳互補(bǔ)，能夠可靠地實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便。

以本校氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)室定位銷選擇系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)中圓盤定位部分進(jìn)行分析研究。以PAC為控制器，氣動(dòng)比例閥為控制元件，利用LabVIEW軟件平臺(tái)進(jìn)行信號(hào)采集與輸出，綜合傳感器信息構(gòu)建閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)氣缸的伺服定位，并實(shí)時(shí)顯示采集得到的數(shù)據(jù)。

1 控制器PAC概述

NI PAC特色在于其系統(tǒng)開發(fā)軟件LabVIEW不僅提供創(chuàng)建測(cè)量與控制系統(tǒng)的編譯靈活性，同時(shí)直觀的圖形化開發(fā)界面容易使用。

PAC控制器作為一個(gè)工業(yè)控制系統(tǒng)，由2部分組成：一體化的軟件平臺(tái)指用戶組態(tài)程序和控制器執(zhí)行過(guò)程都在同一設(shè)備上完成；開放式的硬件平臺(tái)指PAC控制器能在不同的PC設(shè)備上無(wú)縫移植?，F(xiàn)階段PAC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有兩種方式：基于PLC控制的軟件和基于PC控制的軟件。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，前者以被廣大工程師熟悉，實(shí)現(xiàn)可靠，后者實(shí)現(xiàn)方式靈活[4-5]。

文中采用第二種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于LabVIEW的PAC平臺(tái)的控制系統(tǒng)，既有PLC的高可靠性，又有PC機(jī)軟件的靈活性，參數(shù)可以隨時(shí)改變，外圍設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

2 氣動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)組成

2．1系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理

本校氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)室制作了模擬軸承安裝生產(chǎn)線的5臺(tái)小型氣動(dòng)系統(tǒng)，其中定位銷選擇系統(tǒng)具有定位銷的材料、長(zhǎng)度選擇等功能，其核心部分是6個(gè)工位的定位銷傳送系統(tǒng)，由比例閥、擺缸、分度盤、旋轉(zhuǎn)編碼器等元件組成。比例閥為直動(dòng)式比例方向控制閥MPYE-5-1/4-010-B，氣缸為帶磁性開關(guān)的雙齒條形低速擺動(dòng)氣缸CDRQ2XBS30-90-M9BWL，缸徑為30 mm，擺動(dòng)角度為80°～100°，擺缸通過(guò)連接模塊連接負(fù)載轉(zhuǎn)臺(tái)。圖1為該系統(tǒng)的氣動(dòng)回路圖。

圖1 氣動(dòng)比例控制系統(tǒng)氣路圖

PAC控制器發(fā)出指令，比例方向閥將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)方向與大小的閥開口信號(hào)，輸出壓力氣體推動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)，分度盤轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)編碼器讀取角位移，反饋給控制器，于是控制器、比例方向閥、旋轉(zhuǎn)編碼器組合在一起構(gòu)成了一個(gè)氣動(dòng)伺服定位系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

由以上原理可知，除比例閥的模擬輸入量外，編碼器、擺缸極限位置的磁性開關(guān)、開關(guān)閥的控制信號(hào)分別為數(shù)字輸入、輸出量。

2．2控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的PAC控制器主體是NI cDAQ-9172機(jī)箱，通過(guò)USB2．0與PC機(jī)相連，同時(shí)配合輸出模擬量輸出模塊NI9623和數(shù)字量輸入模塊NI9421及數(shù)字量輸出模塊NI9472，在機(jī)箱的5槽或6槽安裝關(guān)聯(lián)的數(shù)字I/O模塊，能夠訪問(wèn)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器芯片的各項(xiàng)功能，簡(jiǎn)單方便。由于采用USB機(jī)箱形式，單獨(dú)供電，可靠性大大提高。利用LabVIEW的數(shù)據(jù)采集輔助模塊 DAQ助手進(jìn)行信號(hào)采集，程序編制簡(jiǎn)單方面。圖3為系統(tǒng)硬件配置結(jié)構(gòu)圖。

圖3 系統(tǒng)硬件配置結(jié)構(gòu)圖

負(fù)載轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。旋轉(zhuǎn)編碼器是利用光電效應(yīng)原理將轉(zhuǎn)角位移轉(zhuǎn)換為脈沖的數(shù)字量測(cè)量裝置，位移的大小和方向以數(shù)字脈沖的形式輸出。系統(tǒng)采用的是分辨率為600 P/R的旋轉(zhuǎn)編碼器。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以LabVIEW軟件為開發(fā)平臺(tái)，便于用戶控制并采集來(lái)自任意總線的各類儀器的數(shù)據(jù)。由于采用圖形化的編程環(huán)境，大大縮短了各類控制及測(cè)試程序的開發(fā)周期，而且還提供強(qiáng)大的后續(xù)數(shù)據(jù)處理能力，使得整個(gè)程序易操作、易擴(kuò)展、易維護(hù)。

首先通過(guò)模擬量輸出信號(hào)將開關(guān)閥打開，編碼器信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊9472采集，通過(guò)USB電纜傳到主機(jī)后，與指令信號(hào)進(jìn)行比較，將差值轉(zhuǎn)換為比例方向閥控制指令，再經(jīng)USB電纜傳輸至9172機(jī)箱中的模擬量輸出模塊9623。軟件設(shè)計(jì)時(shí)將擺缸的位置數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并與指令信號(hào)進(jìn)行比較，使整個(gè)位置控制過(guò)程一目了然。系統(tǒng)的程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

LabVIEW程序分為程序框圖編寫和前面板設(shè)計(jì)，后臺(tái)程序?yàn)閷?shí)際的程序結(jié)構(gòu)，前面板為交互信息顯示，如輸入?yún)?shù)、控制按鈕及采集信號(hào)顯示。圖5為系統(tǒng)程序運(yùn)行的程序框圖。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行程序框圖和前面板圖

4 試驗(yàn)分析

作為一類機(jī)械元件構(gòu)成的系統(tǒng)，氣動(dòng)系統(tǒng)在工作中不僅存在動(dòng)、靜摩擦力、黏性摩擦力及元件飽和等常規(guī)的非線性特性，還由于氣體的壓縮性與連續(xù)性，使得氣動(dòng)伺服系統(tǒng)呈現(xiàn)與一般系統(tǒng)不同的特征，從而會(huì)影響機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度。作為整個(gè)比例控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，比例方向閥的性能決定了整個(gè)系統(tǒng)的控制性能，因此對(duì)比例閥的特性測(cè)試尤為重要。

4．1比例方向閥性能測(cè)試

作為控制部件，比例方向閥的死區(qū)特性是影響位置控制系統(tǒng)精度的重要因素。由于方向閥采用的是滑閥結(jié)構(gòu)，滑閥摩擦力和閥口閥芯遮蓋量是死區(qū)存在的主要原因。實(shí)際中往往以閥后執(zhí)行元件是否動(dòng)作來(lái)判斷閥是否克服死區(qū)輸出流量，雖然不能等同視為閥實(shí)際的死區(qū)，但是對(duì)實(shí)際控制卻有重要意義。本文也是通過(guò)給比例方向閥輸入控制電壓，然后通過(guò)判斷擺缸是否動(dòng)作來(lái)確定閥的死區(qū)。經(jīng)測(cè)定，死區(qū)對(duì)應(yīng)的輸出電壓為5．18～5．28 V．在此區(qū)間內(nèi)，比例閥特性保持中位機(jī)能。圖7是擺缸轉(zhuǎn)速與電壓特性曲線，可以看出，在死區(qū)兩側(cè)，特性曲線的斜率并不相同，也就是閥并不對(duì)稱。利用這些數(shù)據(jù)經(jīng)最小二乘法曲線擬合，得到的正反向曲線斜率分別為0．486 2和-0．427，在實(shí)現(xiàn)正反向控制時(shí)需要予以考慮。

圖6 擺缸轉(zhuǎn)速與電壓特性曲線

4．2采樣時(shí)間對(duì)系統(tǒng)特性的影響

理論上，在滿足采樣定理的前提下，采樣周期對(duì)線性控制系統(tǒng)的性能影響不大。對(duì)于本文涉及的啟動(dòng)系統(tǒng)，除了機(jī)械元件帶來(lái)的非線性外，氣體的可壓縮性、閥的非線性、氣缸的摩擦力及系統(tǒng)參數(shù)易受環(huán)境影響等特點(diǎn)，使其呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。

在試驗(yàn)中，氣源壓力為0．4 MPa，選取采樣周期T的值為0．01 s、0．05 s、0．1 s、分別進(jìn)行試驗(yàn)。如圖7所示。

圖7 不同采樣周期下系統(tǒng)階躍響應(yīng)

從圖7可看出，系統(tǒng)的響應(yīng)滯后于輸入信號(hào)約0．4 s，并且隨采樣時(shí)間增加，響應(yīng)速度提高。滯后主要是由于管路長(zhǎng)度與氣體壓縮性的存在。而響應(yīng)速度受采樣時(shí)間影響的原因，則主要是由于在采樣間隔時(shí)間內(nèi)，雖然電信號(hào)被切斷，但比例閥處于開啟狀態(tài)，氣體仍能夠持續(xù)推動(dòng)擺缸運(yùn)動(dòng)，閥開口越大，擺缸運(yùn)動(dòng)的速度越快。采樣時(shí)間增大，系統(tǒng)響應(yīng)速度也相應(yīng)增大，但增大到一定程度后響應(yīng)速度不再變化。當(dāng)采樣時(shí)間增大到0．65 s時(shí)即不滿足采樣定理，系統(tǒng)近似開環(huán)，不能準(zhǔn)確定位。

4．3控制精度分析

圖8是在氣源壓力為0．4 MPa，采樣周期為0．1 s的條件下得到的簡(jiǎn)單閉環(huán)位置控制曲線?？梢钥闯觯?dāng)控制指令分別為60°與0°時(shí)，響應(yīng)的偏差在1～2個(gè)脈沖之間即為0．6°～1．2°，這里誤差產(chǎn)生的原因除了氣體壓縮性與摩擦外，傳感器的分辨率較低也是一個(gè)重要原因。

圖8 簡(jiǎn)單閉環(huán)位置控制曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

文中以PAC為控制器，在LabVIWE環(huán)境下構(gòu)建了氣動(dòng)比例位置控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了擺動(dòng)氣缸伺服定位。試驗(yàn)表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、運(yùn)行良好，能夠高效可靠地完成模擬量與數(shù)字量輸入輸出，并且具有良好直觀的人機(jī)交互界面。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：張若青(1968-)，副教授，博士，機(jī)電控制、故障診斷。

E-mail：zhruoq@126．com

馬媛媛(1988-)，研究生，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電控制。

E-mail：mayuanyuan28@126．com