基于LabVIEW的液压伺服控制系统设计

杨帆　杨慧斌　林铿　汪洁

摘要：研究利用LabVIEW作为开发工具以及带有模拟量输出功能的数据采集卡，对博世力士乐液压实验台上的伺服液压缸进行PID闭环控制，从而对液压缸进行精确定位。设计了液压伺服系统的控制电路、液压回路，在LabVIEW中编写了PID算法，并利用波形图表对系统进行了调试运行。

关键词：LabVIEW；反馈；PID；液压伺服

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.07.099

0 引言

液压比例及伺服控制系统是液压系统中的一个重要组成部分，广泛应用于用机器人、制造业、军事等多领域。传统的方法无法实现高精度的液压位置伺服控制的问题，本文介绍的是利用博世液压实验台上的比例阀、液压缸，使用计算机、数据采集卡及LabVIEW软件进行闭环控制，从而对液压缸进行精确定位，在博世液压实验台上实现基于LabVIEW的液压伺服控制。

1 液压伺服控制系统设计

1.1 液压伺服控制系统结构组成

具有模拟量输出功能的数据采集卡安装到PC机中，使用LabVIEW软件来进行数据采集液压伺服系统的相关信号，随后使用LabVIEW的控制系统设计与仿真模块开发的PID控制算法对液压伺服系统进行位置控制，得出的控制量通过模拟量输出端口输出控制比例阀，从而实现对位置的控制，如图1所示。

1.2 数据采集系统

本文中的数据采集卡根据设计要求选用NA-TIONAL INSTRUMENTS多功能I/O采集卡NIPXIe-6361，配备配有交流的8槽3UPXIExpress机箱。

1.3 液压缸的选择

液压缸选用博世力士乐实验台中带位置反馈的伺服液压缸，其主要参数，输出参数：模拟；测量范围25～7620mm；分辨率：0.1m；非线性度：满量程的±0.02%或0.05；滞后：<0.02mm；电源：+13.5～26.4V；工作压力：静态：5000psi，峰值：10000psi。

1.4 控制元件的选择

比例换向阀选用Rexroth公司的换向阀，型号MNR：R900954072，参数为：最大压力P_max=12MPa=120bar，T=5MPa=50bar，信号范围U_W=±10V，电压为U=24VDC。

1.5 液压伺服控制系统电路设计

首先对实物进行了电路设计，把开关、两个数字表、滑动变阻器等连接起来，用以控制液压缸的移动和油的压力；其次设计液压回路，把数据采集卡的输出端与比例换向阀和滑动变阻器电源输入端相连，再连接换向阀、泵和油箱。

电路图连接说明：数据采集卡A01及AOGND输出端口接到滑动变阻器（位置传感器）的两端，A00及AOGND输出端口接到换向阀C和D端口，A10输入端口接到滑动变阻器（位置传感器）的输出端口，如图2所示。

1.6 液压回路图的搭建

液压缸为执行元件，压力油量为输入量，工作台的运动速度或位移是输出量。与液压缸相连的滑动变阻器用于判定液压缸的位置，构成反馈控制。如上所述，可以得到如图3中所示的液压回路图。2数据采集过程

对于本液压系统的数据采集，电位器两端电压是一个固定值10V，由一个模拟量输出口恒定给出，输出端即可输出0-10V电压，代表了液压缸的当前位置，将系统液压缸位移信号转换成数据采集卡所能识别的电压信号，这样就对系统中的信号进行采集，如图4所示。

在计算机中安装数据采集卡，安装完成后就可以在LabVIEW软件中对数据采集卡进行参数设置。软件编程后就可以在计算机机上读出所采集的数据了。位移信号通过采集面板上的A10端口进入到数据采集卡，通过程序在计算机机上显示出来。

3 LabVIEW程序设计及系统调试

3.1 数据采集部分设计

利用LabVIEW2012，新建一个空白VI，右键程序框图面板，在输入中选择DAQ助手，在DAQ助手中选择采集信号，再选择模拟输入单机电压。由于将要采集的参数，是位置传感器的电压值，所以选择一个接口A10。完成之后，在右侧的输入范围中选择模拟电压的范围，设定参数之后，单击OK即可。随后，在前面板上再添加一个波形图表，用于监控输入信号（当前值）、给定信号（给定值）以及输出信号（控制量）。

3.2 数据输出控制部分设计

同样右键程序框图面板，再次选择DAQ助手，在DAQ助手中选择生成信号，再选择模拟输出电压。分别为接口AOO和A01，选择模拟电压的范围，设定参数之后，单击OK即可。

从程序框图选择PID，从控制设计与仿真中选择PID.vi。在后面板双击PID，则前面板会显示PID参数；再依次在dt（S）、reinitialize（F）、outputrange等各点设置参数。

把采集和生成的电压信号和DAQ助手分别与PID连接起来，再将PID放入一个循环中，得到了整个系统的程序框图，如图5所示。

3.3 系统调试

以液压缸位移（滑动变阻器两端电压）的数据采集和控制为例，滑动变阻器用数据采集卡A01端口输出恒定为10V的电源，PID控制器输出范围outputrange设置为-10V-+10V与滑动变阻器两端电源电压范围相同。

先随机设置PIDgains参数，比例增益（K_c）系数2，积分时间（T_i）为0.01，微分时间（T_d）为0，给定电压AO0为5.14V，打开电源和开关，点击运行，进行调试，液压缸位置相对应的滑动变阻器电压为5.36V，如图6所示。

如图6所示响应曲线超调量太大，应该减小比例系数使得响应的超调量减小，所以减小比例增益（K_c）系数为1，给定电压AO0为7.29V，液压缸位置相对应的滑动变阻器电压为7.2V，如图7所示。

如图7所示响应曲线超调量太大，且积分时间太长导致响应无法平稳，应该适当减小比例系数使得响应的超调量减小，以及减小积分时间。所以减小比例增益（K_c）系数为0.9，积分时间（T_i）为O.005，给定电压A00为4.11V，液压缸位置相对应的滑动阻器电压为4.18V。如图8所示，为较为理想的响应曲线。

4 结束语

本文主要研究了基于LabVIEW和闭环控制的液压伺服系统，并在博世力士乐液压平台上进行实现，利用LabVIEW平台，最终实现高精度液压位置伺服控制，为将来的研发奠定了基础。