基于labview的压力反馈和控制系统研究

秦永晋，付力扬，郭亮

（洛阳LYC轴承有限公司航空精密轴承国家重点实验室，河南洛阳，471003）

基于labview的压力反馈和控制系统研究

秦永晋，付力扬，郭亮

（洛阳LYC轴承有限公司航空精密轴承国家重点实验室，河南洛阳，471003）

在labview软件环境下，本文设计了一种压力反馈和控制系统。而该系统能够利用模糊PID控制器实现气缸压力跟踪和反馈，并通过控制气动阀实现气缸压力精确调节，因此能够满足压力反馈和控制要求。

labview；压力反馈；压力控制；系统设计

0 引言

在压力反馈和调节控制方面，利用labview进行系统设计能够提高压力系统的压力控制能力。作为由NI公司开发的编程语言，labview可用于进行虚拟仪器软件的开发。利用labview，不仅能够使虚拟仪器的开发周期得到缩短，也能使开发得到产品质量得到提高。而压力的测量和控制有着较高的精度和响应速度要求，应用labview则能完成压力反馈和控制程序的灵活编写，从而满足系统的测控要求。

1 系统原理分析

在研究压力反馈和控制问题时，可以空气压缩气缸为控制对象，通过将压力传感器与气缸进气口连接起来完成电压信号的实时采集，并利用PID算法进行数据运算。通过将运算结果传输至比例方向控制阀，则能对进入气缸的空气流量进行控制，进而通过调节气缸压力达到要求的压力值[1]。在建模的过程中，还要将工作介质看成是理想气体，并假设供气压力与温度保持恒定，气缸中气体均匀分布且无泄漏。在此基础上，才能得到理想的比例方向阀传递函数。而考虑到阀的特性可能受到放大器的影响，所以还要采用电流负反馈放大器，以确保阀的控制电压与阀芯位移呈近似线性的关系[2]。结合气缸活塞平衡关系，则能得到如下式（1）的压力系统模型。在式中，Gs为系统传递函数，kn表示的是系统速度放大系数，wn和ξn分别为系统固有频率和阻尼比。

在压力控制上，还要采用模糊控制方式进行系统操纵。如下表1所示，为系统模糊控制规则。根据模糊控制理论可知，E和EC分别代表误差和误差变化率，N和P分别代表负和正，B和S分别代表大和小，M代表中等，ZE代表的是零[3]。通过将这些元素采取不同的方式组合在一起，则能完成模糊集误差、误差变化率和输出变量的状态描述。采取该种方法，则能完成模糊控制器的设计，然后利用控制器完成压力控制。

表1 系统模糊控制规则

2 系统设计研究

利用labview进行压力反馈和控制系统的设计与开发，可以利用软件易学易用的特点实现系统快速开发。在系统开发过程中，可以利用labview提供的多种工具完成系统模型的轻松创建，并进行系统应用程度的轻松编写。因此，应用labview进行压力反馈和控制系统开发，能够使系统开发速度提高4-10倍左右。

2.1 系统结构设计

如下图1所示，系统由计算机、数据采集卡、比例伺服阀、压力传感器和弯曲气缸等部分组成。系统的软件平台为labview2011，数据采集卡为阿尔泰USB-2833。从系统运行角度来看，想要利用闭环反馈压力控制系统实现压力的调节和控制，还要使气缸预先达到定义的压力值。在这一过程中，气体会先从伺服阀进入气缸，从而促使气缸产生压力。在气缸压力推动下，金属管会发生弯曲，气缸内的压力则会被压力传感器检测得到[4]。通过将气压信号转化为电压信号，并将信号输入到数据采集模块中，上位机则能完成实际压力与目标压力的比较和分析，并将得到的偏差输入到PID控制模块。利用labview的PID工具包，模块则能得到压力控制量，并利用数据采集卡将控制量传输至伺服阀中，最终实现气缸的压力控制。

2.2 系统硬件设计

从系统硬件设计上来看，系统采用的数据卡拥有12位采样精度，能够达到500ks/s的采样速率。应用该种数据采集卡，能够为16路模拟输入提供支持，并拥有4路模拟输出。此外，该种采集卡还拥有8个数字I/O端口，并配有16位计数器。系统采用的压力传感器拥有0-10V输出电压，本身具有结构简单、通用性强和稳定性好等优点。由于压力传感器输出的信号为差分信号，即气缸压力与大气压的差值，容易受到其他因素的干扰，所以还要利用AD620进行压差信号的放大处理。而AD620由3个运放组成，内部结构高度对称，拥有较大的输入阻抗和共模抑制比，所以能够对信号的共模干扰进行有效抑制。此外，系统采用的伺服阀为气动阀，输入电压在0-10V范围内，本身结构较为简单，并且价格较低，可以通过控制介质方向实现阀门开关控制。

2.3 Labview软件设计

在软件设计上，系统前面板由控制件和显示件构成，前者由PID参数、转换开关、采样频率和矫正变量补偿等内容构成，后者由传感器电压和压力值等内容构成。在系统应用时，首先需要完成采样参数设置，然后在进行传感器标定选择。将气源打开后，则可以进行目标压力的设定，然后利用系统实现PID控制。应用labview提供的模糊控制器图形化设计工具，则能实现模糊控制器的设计。而该种模糊控制器工具中包含模糊隶属函数编辑器、输入输出性能测试和模糊规则库编辑器三个部分，能够进行人机友好界面的提供，所以能够使用户设计模糊PID控制器的需求得到满足。从系统操作界面上来看，则包含主操作界面、历史回放界面和数据存储界面等多个模块。在主操作界面上，可以显示出压力传感器采集得到的压力信号。在该界面，通过调用参数设置函数，则能完成伺服阀控制参数的设置。

为验证系统软件的有效性，可以使用FESTO实验台进行测试。在测试的过程中，需结合系统特点，并使用虚拟仪器技术，利用气动流量阀和电气转换元件完成闭环反馈控制系统的构建，进而实现高精度的压力控制。在测试过程中，需要利用PID经验参数化法对控制器进行调试，即进行KP、KI、KD等参数的调试，以降低系统调节时间、稳态偏差和过冲。通过调节测试，可确定系统控制参数KP、KI、KD分别为9、31和55。如下图1，为利用模糊PID控制算法得到的正弦波跟踪实验结果。从实验结果可以看出，采用PID控制器几乎不存在跟踪滞后和超调问题，能够以较高的精度实现对正弦波的控制，因此能够在气体压力控制系统中得到有效运用。

图1 系统软件测试结果

4 结论

利用Labview编程语言进行压力反馈和控制系统的设计，能够获得操作简便、编程容易、扩展性好的压力控制系统。采用该系统进行气缸压力控制，能够精确达到目标压力值，并在较短时间内实现气缸压力的调节。因此，相信随着相关技术的发展，该种压力反馈和控制系统也将获得较好的应用前景。

[1]曾博才.基于Labview的压力控制脉搏采集系统[J].电子设计工程,2012,11:57-60.

[2]段振霞,刘建国,杨勇明.基于LabVIEW的气动比例压力控制系统设计[J].计算机与数字工程,2015,03:442-445+461.

[3]陈华豪.LabVIEW设计的虚拟仪器在化工过程中对压力和温度控制的应用[J]. 化工管理,2016,02:12-13.

[4]卢青,付永忠,潘云峰等.基于LabVIEW的电子压力机压力位移测控系统设[J].机床与液压,2016,11:125-127+137.

Research on pressure feedback and control system based on LabVIEW

Qin Yongjin,Fu Liyang,Guo Liang
(Luoyang LYC Bearing Co., Ltd. State Key Laboratory of precision bearing,Luoyang Henan,471003)

In this paper, a pressure feedback and control system is designed in the LabVIEW software environment. The system can make use of fuzzy PID controller to achieve the cylinder pressure tracking and feedback, and through the control of pneumatic valve to achieve accurate adjustment of cylinder pressure, so it can meet the requirements of pressure feedback and control

LabVIEW; pressure feedback; pressure control; system design

秦永晋（1987-）,男，助工，主要从事电气自动化控制。