陳贊濤， 范蟠果，王 婷

(西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710129)

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液壓泵試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳贊濤， 范蟠果，王 婷

(西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710129)

為測試液壓泵性能參數(shù)，設(shè)計(jì)了以工業(yè)計(jì)算機(jī)和PCI數(shù)據(jù)采集卡為核心，LabWindows/CVI為軟件開發(fā)平臺的液壓泵試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)；以多線程技術(shù)設(shè)計(jì)程序，采用線程安全變量同步線程；采集、分析、顯示系統(tǒng)參數(shù)，并利用滯環(huán)控制算法將油溫控制在35～45℃之間，利用遇限削弱積分PID算法實(shí)現(xiàn)出油口、回油口壓力控制；設(shè)計(jì)了人性化的報(bào)警功能；通過ODBC接口，每隔1 s將系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，以便分析故障；軟件調(diào)試界面大大縮短現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間；經(jīng)過運(yùn)行測試，系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

液壓泵；LabWindows/CVI；滯環(huán)控制；PID控制；數(shù)據(jù)庫

0 引言

液壓傳動與控制技術(shù)以其結(jié)構(gòu)小巧、可靠性高，控制精度高，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，包括機(jī)床、船舶、鍛壓、冶金、汽車、航空航天等領(lǐng)域。其中液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動力元件，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能，向系統(tǒng)提供工作時(shí)所需的一定壓力和流量的工作液體，使各液壓執(zhí)行部件完成各種規(guī)定的工作[1]。

液壓泵性能的好壞，直接關(guān)系到液壓系統(tǒng)的工作情況，因此有必要研制試驗(yàn)臺對液壓泵進(jìn)行測試。對液壓泵試驗(yàn)臺的研究很早就已展開。文獻(xiàn)[2-3]使用遠(yuǎn)程調(diào)壓閥的方法手動調(diào)節(jié)泵出油口壓力，屬開環(huán)調(diào)節(jié)，簡單實(shí)用，但是自動化程度低，效率低，精度差。文獻(xiàn)[4]研究了基于LabVIEW平臺的齒輪泵試驗(yàn)臺，使用比例溢流閥調(diào)節(jié)出油口壓力，但是未考慮油溫上升問題，未對油溫進(jìn)行控制。另外，大部分的文獻(xiàn)只考慮泵的出油口壓力，對于回油口壓力沒有進(jìn)行控制。

本文設(shè)計(jì)了基于LabWindows/CVI開發(fā)環(huán)境的液壓泵測控平臺，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)壓力、流量、油溫以及壓差發(fā)訊器狀態(tài)的采集，對試驗(yàn)泵出油口壓力、回油口壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，緊急情況下產(chǎn)生報(bào)警，軟件調(diào)試界面為PID參數(shù)的整定提供了方便。

1 液壓泵試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)

試驗(yàn)臺的液壓系統(tǒng)如圖1所示，主要有冷卻油路、先導(dǎo)油路、出油口油路和回油口油路組成。

1)冷卻油路：主要由冷卻循環(huán)泵2、回油過濾器3.1、電磁閥4.1以及板式水冷卻器5組成。采用外冷卻方式，當(dāng)油溫>45℃時(shí)，電磁閥斷電，液壓油流過水冷卻器，油溫降低；當(dāng)油溫<35℃，電磁閥得電，液壓油不經(jīng)過水冷卻器。過濾器濾除液壓油中的雜質(zhì)，雜質(zhì)過多導(dǎo)致過濾器堵塞時(shí)，過濾器上的壓差發(fā)訊器將輸出一個(gè)數(shù)字信號。

2)先導(dǎo)油路：主要由先導(dǎo)泵7、比例溢流閥8.1、壓力傳感器9.1組成。先導(dǎo)油路的作用是為試驗(yàn)泵提供一定壓力的液壓油，通過調(diào)節(jié)比例溢流閥的輸入電流控制試驗(yàn)泵的入油口壓力。

3)出油口油路：主要由壓力傳感器9.3、過濾器3.3、電磁閥4.2、比例溢流閥8.3、溢流閥14.2、節(jié)流閥12.2、流量計(jì)13.2組成。液壓泵的出油口壓力由負(fù)載決定，比例溢流閥和溢流閥用于對試驗(yàn)泵加載，通過電磁閥可選擇自動調(diào)壓或者手動調(diào)壓。

1-油箱；2-冷卻循環(huán)泵；3.1、3.2、3.3-過濾器；4.1、4.2-電磁閥；5-板式水冷卻器；6-溫度傳感器；7-先導(dǎo)泵；8.1、8.2、8.3-比例溢流閥；9.1、9.2、9.3-壓力傳感器；10.1、10.2、10.3-壓力表；11-試驗(yàn)泵；12-節(jié)流閥；13.1、13.2-流量計(jì)；14.1、14.2-溢流閥圖1 試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)原理圖

3)回油口油路：主要由壓力傳感器9.2、過濾器3.2、比例溢流閥8.2、節(jié)流閥12.1、流量計(jì)13.1組成。通過比例溢流閥調(diào)節(jié)試驗(yàn)泵回油口的壓力。

2 測控系統(tǒng)構(gòu)成

液壓泵試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示。采用工控機(jī)+PCI數(shù)據(jù)采集卡的組合方案，工控機(jī)作為人機(jī)交互界面，PCI數(shù)據(jù)采集卡需要以下通道：

1)6個(gè)數(shù)字量輸出：控制3臺泵、2個(gè)電磁閥和1個(gè)聲光報(bào)警燈，聲光報(bào)警燈用于系統(tǒng)故障時(shí)報(bào)警。

2)3個(gè)數(shù)字量輸入：采集3個(gè)壓差發(fā)訊器的輸出，以此判斷過濾器是否堵塞。

3)3個(gè)模擬量輸出：控制3比例溢流閥，調(diào)節(jié)試驗(yàn)泵入油口、出油口和回油口的壓力。選擇ATOS公司生產(chǎn)的帶壓力傳感器的比例溢流閥，調(diào)整壓力與輸入信號近似成正比，輸入信號為4～20 mA。

4)6個(gè)模擬量輸入：采集1個(gè)溫度傳感器、2個(gè)流量計(jì)、3個(gè)壓力傳感器。傳感器的輸出均為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號。

為簡化設(shè)計(jì)，數(shù)字量輸出通道選擇繼電器輸出，模擬量輸出通道選擇0～20 mA輸出，因此工控機(jī)的PCI插槽共插入3張PCI數(shù)據(jù)采集卡——數(shù)字量I/O卡PISO-P8R8U，具有8路隔離的數(shù)字量輸入通道(邏輯1：DC 5～24 V，邏輯0：DC 0～1 V)，8路繼電器輸出；模擬量輸出卡PISO-P8R8U，具有4路模擬量輸出，范圍：0～20 mA；多功能卡PIO-821LU，用于采集6個(gè)傳感器輸出的4～20 mA電流經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換后的電壓。

圖2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

上位機(jī)以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，通過調(diào)用PCI數(shù)據(jù)采集卡提供的驅(qū)動函數(shù)來操作數(shù)據(jù)采集卡。驅(qū)動函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間一般較長，特別是模擬量采集時(shí)，若在控件的回調(diào)函數(shù)中直接調(diào)用驅(qū)動函數(shù)，將使用戶界面操作不流暢。為提高整個(gè)程序的效率和性能，本程序采用3個(gè)線程——主線程、次線程和異步定時(shí)器線程。

主線程用于響應(yīng)用戶界面操作，保證用戶操作流暢。包括主函數(shù)和各個(gè)控件的回調(diào)函數(shù)，回調(diào)函數(shù)中不調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動函數(shù)，僅僅是將某個(gè)控件的操作信息通過變量通知次線程，所有驅(qū)動函數(shù)的調(diào)用都放在次線程中。這樣也可以避免不同線程同時(shí)操作同一張數(shù)據(jù)采集卡，造成資源競爭。

次線程實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺的主要功能，線程函數(shù)使用雙重循環(huán)。啟動系統(tǒng)后，程序進(jìn)入內(nèi)循環(huán)，不斷掃描各個(gè)功能模塊，執(zhí)行用戶操作，完成信號采集、處理和輸出。溫度、流量、壓差發(fā)訊器的采集間隔為1 s，兩個(gè)PID控制器的離散時(shí)間在調(diào)試界面上可調(diào)。停止系統(tǒng)后，退出內(nèi)循環(huán)，只有關(guān)閉程序時(shí)才退出外循環(huán)。

圖3 軟件流程圖

LabWindows/CVI中有兩種定時(shí)器：基于Timer控件的同步定時(shí)器和基于多線程的異步定時(shí)器，其中異步定時(shí)器的實(shí)時(shí)性較好。程序中多處需要用到定時(shí)功能，本文使用異步定時(shí)器解決，設(shè)置異步定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為100 ms，對100 ms進(jìn)行軟件分頻，產(chǎn)生各種定時(shí)信號。例如溫度的采集間隔為1 s，則定義tmpSampleInterval變量，異步定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)中每隔1 s置位該變量，次線程每次循環(huán)時(shí)檢測該變量，若為1，則采集溫度，并復(fù)位tmpSampleInterval變量。

線程間的通信通過全局變量實(shí)現(xiàn)，每個(gè)線程都可以訪問這些變量，當(dāng)多個(gè)線程并發(fā)訪問這些變量時(shí)，將會產(chǎn)生競爭，導(dǎo)致出錯，因此必須加以保護(hù)。程序使用LabWindows/CVI提供的線程安全變量機(jī)制實(shí)現(xiàn)線程同步，線程安全變量的使用步驟如下：

1) 在頭文件中使用DeclareThreadSafeScalarVar宏聲明線程安全變量；

2) 使用DefineThreadSafeScalarVar宏定義線程安全變量；

3) 使用InitializeVarName函數(shù)初始化線程安全變量；

4) 使用GetPointerToVarName函數(shù)獲得指向線程安全變量的指針；

5)對變量操作結(jié)束后使用ReleasePointerToVarName函數(shù)釋放指針；

6) 退出程序前使用UninitializeVarName函數(shù)釋放線程安全變量所占空間。

3.2 模擬量采集

模擬量采樣率設(shè)為10 k，每次采集傳感器信號時(shí)連續(xù)采集12個(gè)點(diǎn)，對12個(gè)采樣值去極值后再求平均值，實(shí)現(xiàn)簡單的數(shù)字濾波，即：

(1)

式中，value為濾波后的采樣值，NUM為采樣點(diǎn)數(shù)，ui為第i個(gè)采樣值，umax為NUM個(gè)采樣值中的最大值，umin為NUM個(gè)采樣值中的最小值。程序片段如下：

MaxMin1D(u_i,NUM,& u_max, & u_max_index, & u_min, & u_min_index); //求最大值和最小值

Sum1D (u_i, NUM, &sum); //所有采樣值求和

value=(sum - u_max - u_min)/(NUM-2); //去極

//值再求平均值

3.3 油溫控制

為防止油溫過高，需將油溫控制在40℃附近。由于控制精度要求不高，因此可采用滯環(huán)控制方法，油溫滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 油溫滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

e=tin-tout

(2)

式中，tin為期望溫度40℃，tout為實(shí)測油溫。電磁閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)e<-5，即油溫>45℃時(shí)，電磁閥失電，液壓油經(jīng)水冷卻器冷卻；當(dāng)e>5，即油溫<35℃時(shí)，電磁閥得電，液壓油不經(jīng)水冷卻器冷卻。因此油溫被控制在35～45℃之間。滯環(huán)控制程序如下：

if(temp>45)

{

DigitalOut(DIGITAL_OUTPUT_BORD_NUM,MAGNETIC_VALVE_COOL_CHANNEL,0);

//電磁閥失電，冷卻

}

if(temp<35)

{

DigitalOut(DIGITAL_OUTPUT_BORD_NUM,MAGNETIC_VALVE_COOL_CHANNEL,1); //電磁閥得電，不冷卻

}

3.4 壓力控制

試驗(yàn)泵的入油口壓力采用開環(huán)控制，直接控制比例閥的電流大小。而出油口和回油口的壓力采用遇限削弱積分PID算法進(jìn)行閉環(huán)控制，對出油口和回油口的控制可看做兩個(gè)獨(dú)立的單輸入單輸出回路。

PID算法以其結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)中廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號，因此需采用數(shù)字PID算法。位置式數(shù)字PID算法為：

(3)

式中，u(k)為第k次采樣時(shí)刻的輸出值，e(k)為第k次采樣時(shí)刻的偏差值，KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)，T為采樣周期。為便于控制器調(diào)參，不將KIT整體作為積分系數(shù)，因?yàn)門一般很小，KIT也很小，不便于調(diào)參。同理，KD/T很大，不將KD/T整體作為微分系數(shù)進(jìn)行調(diào)參。

為防止積分飽和，減小超調(diào)量，使用改進(jìn)型的PID算法——遇限削弱積分PID算法，其基本思想是：當(dāng)控制器的輸出超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可調(diào)范圍時(shí)，不再進(jìn)行使積分項(xiàng)絕對值增大的運(yùn)算，只執(zhí)行積分項(xiàng)的削弱運(yùn)算。即u(k-1)≥umax且e(k)≥0時(shí)，不進(jìn)行積分累加；u(k-1)≤umin且e(k)≤0時(shí)，不進(jìn)行積分累加；其余情況均進(jìn)行積分累加。遇限削弱積分PID算法的流程如圖5所示。

圖5 遇限削弱積分PID算法流程圖

出油口壓力控制核心程序如下：

currentError3=desirePress3-currentPress3; //計(jì)算//偏差

array3[0]=Kp3*currentError3; //計(jì)算比例項(xiàng)

if(!((output3>=MAX_ANALOG_OUTPUT && currentError3>=0) || (output3<= MIN_ANALOG_OUTPUT && currentError3<=0))) //遇限削弱積分

{ errorSum3+=currentError3;}

array3[1]=Ki3*SAMPLE_T*errorSum3;//計(jì)算積//分項(xiàng)

if(lastError3>1000)

{ array3[2]=0; }//第一拍微分項(xiàng)不起作用

else

{array3[2]=Kd3*(currentError3-lastError3)/SAMPLE_T; }//計(jì)算微分項(xiàng)

lastError3=currentError3;

output3=array3[0]+array3[1]+array3[2]; //計(jì)算控//制量

//以下為輸出限幅

if(output3>MAX_ANALOG_OUTPUT)

{ output3=MAX_ANALOG_OUTPUT;}

if(output3

{ output3=MIN_ANALOG_OUTPUT;}

AnalogOutput(ANALOG_OUTPUT_BORD_NUM,PROPORTIONAL_VALVE3_CHANNEL,output3); //輸出控制量

3.5 報(bào)警設(shè)計(jì)

系統(tǒng)存在6個(gè)報(bào)警源：1)油溫大于55℃時(shí)報(bào)警；2)出油口壓力低于0.5 MPa或高于28 MPa時(shí)報(bào)警；3)回油口壓力高于0.5 MPa時(shí)報(bào)警；4)3個(gè)濾油器任意一個(gè)堵塞時(shí)報(bào)警。每個(gè)報(bào)警源在軟件界面上都有一個(gè)LED指示燈相對應(yīng)，產(chǎn)生報(bào)警時(shí)，相應(yīng)的LED指示燈亮，并且產(chǎn)生聲光報(bào)警。從實(shí)際應(yīng)用考慮，軟件界面設(shè)置有聲光報(bào)警解除按鈕，該按鈕僅僅解除當(dāng)前聲光報(bào)警，而相應(yīng)的LED指示燈并不熄滅，只有故障真正解除時(shí)，LED指示燈才熄滅。解除聲光報(bào)警并不影響之后新出現(xiàn)故障所產(chǎn)生的聲光報(bào)警。

3.6 數(shù)據(jù)存儲

軟件每次啟動時(shí)在已有Access數(shù)據(jù)庫文件中新建一個(gè)數(shù)據(jù)表，且每隔1 s將系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫中新建的數(shù)據(jù)表，作為歷史記錄，以便系統(tǒng)故障時(shí)分析原因。該模塊在異步定時(shí)器線程中實(shí)現(xiàn)。

使用LabWindows/CVI訪問數(shù)據(jù)庫需要安裝SQL Toolkit附加工具包。ODBC是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫訪問接口，SQL Toolkit支持任何符合ODBC開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)[6]。SQL Toolkit提供了許多高級的數(shù)據(jù)庫訪問函數(shù)，這些函數(shù)調(diào)用ODBC API，而ODBC驅(qū)動程序處理ODBC API的調(diào)用，并根據(jù)數(shù)據(jù)源提供的信息，建立與具體數(shù)據(jù)庫的聯(lián)系，關(guān)系如圖6所示。

數(shù)據(jù)存儲步驟如下：

1)使用DBConnect函數(shù)建立數(shù)據(jù)庫連接；

2)使用DBPrepareSQL函數(shù)準(zhǔn)備執(zhí)行一條帶參數(shù)的完成“插入”功能的SQL語句；

3)使用DBCreateParam...相關(guān)函數(shù)提供SQL語句的參數(shù)；

4)使用DBExecutePreparedSQL函數(shù)執(zhí)行SQL語句；

5)使用DBDeactivateSQL釋放SQL語句所占資源；

6)使用DBDisconnect斷開數(shù)據(jù)庫連接。

圖6 SQL Toolkit訪問數(shù)據(jù)庫過程

3.7 軟件界面

設(shè)計(jì)有主界面和調(diào)試界面，分別如圖7、圖8所示。主界面供用戶使用；調(diào)試界面在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)使用。調(diào)試界面可以顯示出油口和回油口的壓力變化曲線，也可以選擇顯示PID各分量的變化曲線；界面上開關(guān)撥向“停止調(diào)節(jié)”時(shí)，則斷開閉環(huán)回路，使用開環(huán)調(diào)節(jié)。調(diào)試界面的設(shè)計(jì)為控制器參數(shù)整定提供了方便。

圖7 主界面

圖8 調(diào)試界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

壓力、流量、溫度傳感器的輸出為4～20 mA電流，因此使用標(biāo)準(zhǔn)電流源分別代替每個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。在每個(gè)傳感器實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)電流源輸出4 mA、8 mA、12 mA、16 mA、20 mA，比較軟件采集值和理論計(jì)算值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，軟件采集值和理論計(jì)算值近似相等，說明壓力、流量、溫度測試正確。

為測試報(bào)警功能，但又不能使液壓系統(tǒng)真正處于故障報(bào)警狀態(tài)，因此，用標(biāo)準(zhǔn)電流源代替壓力傳感器產(chǎn)生高壓或低壓對應(yīng)電流，用電流源代替溫度傳感器產(chǎn)生高溫對應(yīng)電流，用24 V電壓源代替壓差發(fā)訊器輸出過濾器堵塞信號。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明報(bào)警功能符合設(shè)計(jì)要求。

對出油口壓力控制進(jìn)行了測試，首先使用調(diào)試界面整調(diào)節(jié)PID控制器參數(shù)。控制器應(yīng)實(shí)現(xiàn)2～26 MPa的壓力控制，設(shè)定壓力從2 MPa逐漸增加到26 MPa，間隔2 MPa。結(jié)果表明出油口壓力控制良好，控制范圍達(dá)到要求，且精度在0.5%內(nèi)。同樣的方法對回油口壓力控制進(jìn)行了測試。

讓系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行，油溫逐漸升高，當(dāng)油溫超過45℃之后，油溫開始下降；當(dāng)油溫低于35℃后，又開始升高。油溫近似在35～45℃范圍，說明油溫得到正確控制。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種液壓泵試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)。以LabWindows/CVI為開發(fā)平臺，采用多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壓力、流量、溫度的測試，通過控制出油口壓力，改變試驗(yàn)泵的負(fù)載，并將油溫控制在35～45℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓力控制精度在0.5%之內(nèi)，滿足要求。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠?qū)崿F(xiàn)液壓泵性能參數(shù)測試試驗(yàn)。

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Design and Implementation of Measurement and Control System for Hydraulic Pump Test-bed

Chen Zantao，F(xiàn)an Panguo，Wang Ting

(College of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710129, China)

In order to test the performance parameters of hydraulic pump, a measurement and control system for hydraulic pump test-bed is designed, using industrial computer and PCI data acquisition card as its core, LabWindows/CVI as software development platform. Application is designed based on multithreading technology, and using thread safe variables to synchronize threads. The automatic collection,analysis and display of each parameter is realized. The temperature of oil is controlled between 35～45℃ using hysteresis control algorithm. The pressure control of the oil outlet and the oil return port is realized by advanced PID algorithm. Humanized alarm function is designed. Operational parameters are stored in the database per-second through ODBC interface, which can effectively resolve faults when it occur. The debugging interface save the site-testing time greatly. By experiment, the system satisfies design request.

hydraulic pump; LabWindows/CVI; hysteresis control; PID control; database

2015-12-25；

2016-01-21。

陳贊濤(1991-)，男，福建龍巖人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)測試及自動控制方向的研究。

1671-4598(2016)06-0068-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.019

TP273.5

A