葛耀崢　雷勇　陶國良

摘要 基于NI CompactRIO 控制系統(tǒng)作為主控單元的虛擬儀器的氣動控制綜合實驗教學平臺是利用計算機技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和高性能的模塊化硬件以及氣動一體化技術(shù)，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種機電信號測試、測量和自動控制應(yīng)用的實驗教學平臺。以滿足控制工程實驗教學目的。

關(guān)鍵詞 虛擬儀器 氣動控制 LabVIEW開發(fā)環(huán)境 實驗教學平臺

0 引言

為了能新增機械電子工程專業(yè)本科高年級更高層次的研究性、創(chuàng)新性實驗內(nèi)容，使學生通過實踐能理解到如何去研究和解決科研問題或工程問題，急需開發(fā)一批既包括虛擬儀器在智能化程序、計算機硬件和軟件技術(shù)又具有機電與測控制技術(shù)一體的實驗教學設(shè)備供學生實踐使用。不僅有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而且對于本科生和研究生創(chuàng)新能力的提高或許是非常迫切需要的。

1 NI CompactRIO模塊

NI CompactRIO模塊是一款工業(yè)級嵌入式測控系統(tǒng)，集成了嵌入式實時控制器、可編程硬件邏輯（FPGA）和可重配置的I/O 模塊。帶有實時處理器和可重新配置FPGA功能，用于獨立的分布式應(yīng)用?；贜I可重新配置I/O技術(shù)，適于超高性能和自定義應(yīng)用。NI CompactRIO 可編程控制模塊實物圖與基本原理框圖如圖1所示。

2 NI LabVIEW開發(fā)環(huán)境

LabVIEW是一款圖形化開發(fā)環(huán)境，對于要求苛刻的工業(yè)級及嵌入式應(yīng)用具有靈活性和易用性等特點?？梢酝ㄟ^LABVIEW REAL-TIME模塊創(chuàng)建程序，并在CompactRIO控制模塊上實時地穩(wěn)定運行。也可以通過LABVIEW為CompactRIO模塊快速創(chuàng)建HMI或用戶界面，并在聯(lián)網(wǎng)的PC或嵌入式觸摸板上運行。

2.1 LabVIEW RT 開發(fā)環(huán)境

LabVIEW RT 開發(fā)環(huán)境借助LabVIEW 圖形化開發(fā)環(huán)境和硬件驅(qū)動包，可輕松訪問硬件底層，快速構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的軟件原型?？捎糜诙嗨俾蚀_定性的定時、觸發(fā)和控制循環(huán)結(jié)構(gòu)。提供豐富的信號處理IP 核，可完成逐點信號生成、時域/頻譜分析、濾波、曲線擬合、線性代數(shù)、數(shù)組/ 矢量操作等功能。提供二進制和文本文件I/O，可進行內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)存取。

2.2 LabVIEW FPGA 開發(fā)環(huán)境

LabVIEW FPGA 開發(fā)環(huán)境通過圖形化編程配置目標FPGA邏輯映射，創(chuàng)建自定義硬件I/O 接口。通過LabVIEW FPGA 軟件接口，可實現(xiàn)與實時控制器或上位機的數(shù)據(jù)通信、中斷同步、數(shù)據(jù)緩存和內(nèi)存讀寫。采用40 MHz FPGA 時基（25 ns 間隔）的執(zhí)行定時、觸發(fā)和自定義循環(huán)控制、實現(xiàn)確定可靠的硬件決策。

3 氣動系統(tǒng)實驗原理與設(shè)計方法

以虛擬儀器NI CompactRIO控制和采集模塊作為控制核心模塊的氣動控制綜合教學實驗平臺采用了模塊式設(shè)計，學生可以根據(jù)自己的設(shè)計需要選擇氣動元件和執(zhí)行元件，在實驗平臺上對其進行模塊組合并完成各種氣動回路的搭建和控制，自主完成一系列實驗。

3.1 氣動系統(tǒng)實驗原理

氣動系統(tǒng)實驗包括氣缸的換向回路、壓力元件的響應(yīng)時間特性關(guān)系等的研究性實驗等。例如：“基于LabVIEW的帶位移傳感器的氣缸循環(huán)運作控制程序設(shè)計實驗”的氣動控制綜合實驗項目，其硬件控制功能由虛擬儀器NI CompactRIO主控模塊來實現(xiàn)，并通過壓力傳感器，運用反饋過來的數(shù)據(jù)，控制電磁氣閥的狀態(tài)對氣缸進行充、放氣操作，進而控制氣缸的壓力。而控制軟件是通過LabVIEW高級語言根據(jù)一定的控制算法進行編程設(shè)計實現(xiàn)的，該程序設(shè)計的目的主要是控制氣缸在實際的運作中能夠智能的來回循環(huán)運作，實現(xiàn)控制氣缸中的壓力能夠穩(wěn)定在某一個理想的壓力值上，這個研究內(nèi)容在目前氣動控制領(lǐng)域中，仍是一個比較難解決的研究內(nèi)容。而這個實驗結(jié)果的好壞對氣動控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)（如氣動機器臂等）的工作穩(wěn)定性、精確度等有直接影響。具有十分重要的意義。

3.2 氣動系統(tǒng)實驗設(shè)計方法

與傳統(tǒng)的機電系統(tǒng)實驗教學設(shè)備相比，本系統(tǒng)平臺具有很多優(yōu)勢。首先，隨著現(xiàn)代實驗教學方法的改革，許多實驗教學方法越來越離不開計算機的參與。本系統(tǒng)平臺就是為了適應(yīng)當前實驗教學發(fā)展的需要，同時選用了美國國家家儀器公司的虛擬儀器NI CompactRIO控制和采集模塊作為控制核心模塊而研制的。與傳統(tǒng)的基于計算機的儀器設(shè)備相比，它更加緊湊、堅固，而且工作溫度范圍大，以及非常低的功率消耗。這樣就擺脫了傳統(tǒng)實驗教學低效的劣勢，促進了教學事業(yè)的發(fā)展。

例如，為了控制氣缸在實際的運作中能夠智能的來回循環(huán)運作，必須解決在電磁閥在什么時刻換向。為此，設(shè)計方法是采用程序定時方法實現(xiàn)電磁閥的換向操作。即預先計算出氣缸的單行程時間，作為定時器的輸入，來控制電磁閥的定時開啟和關(guān)閉進而控制氣缸的正反行程運動。

同時，系統(tǒng)設(shè)計方法還包括，在初始設(shè)置完畢之后，氣缸會自動運行，在同奇次或同偶次定時次數(shù)的狀態(tài)下，電磁開關(guān)的狀態(tài)應(yīng)該是一樣的，因此，直接運用了循環(huán)次數(shù)i除2取余的余數(shù)作為case結(jié)構(gòu)中的條件。 另外，為了減少程序的執(zhí)行量，提高效率，定時部分應(yīng)該放在while循環(huán)結(jié)構(gòu)的外面。

參考文獻

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