基于虚拟仿真技术的气动实验平台开发与应用

刘银华，段振霞，刘建国

（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）

随着近年来测试控制技术的发展及气动技术的进步，气动控制在企业的应用越来越广泛，然而高校针对工科学生开设的相关实验课程往往是分开的，对学过《液压与气动技术》的学生单独开设一个关于气动回路的实验课程，在气路实验中只专注于气路系统的设计与使用，很少会涉及到控制技术。对于学过《控制基础》的学生又会专门开设一门测试控制类的实验课程，在测试控制实验中只让学生专注于编程，很少会涉及到执行机构的气路系统。这种针对性较强的实验课程可以培养学生解决某一领域问题的能力，但是无法培养学生解决综合性、复杂性问题的能力。针对这一情况，开发了一个基于LabVIEW 虚拟仿真技术的FESTO 气动实验平台。整个平台由气动回路系统、LabVIEW 测试控制系统和电路控制系统组成。气动回路系统是根据储气罐充气系统的工作原理进行设计与模拟，气动压力传感器采用与实际控制系统类似的元器件，使用2 位3 通的电磁换向阀来模拟储气罐充气回路中的空压机，使用2 位3 通的手动换向阀来模拟储气罐充气回路中的人工气动工具。LabVIEW 测试控制系统根据储气罐充气系统的气压控制原理进行设计与模拟，通过LabVIEW 编写控制程序作为虚拟控制器。电路控制系统中继电器采用与实际控制系统一样的继电器。该实验平台已经使用多个学期，实践证明，该实验平台搭建方便，操作步骤与知识点易于理解与掌握，适用于机械类专业学生学习，通过编程控制气动设备，增加了实验的趣味性创新性，调动了学生学习的积极性和主动性，培养了学生综合运用专业知识解决复杂问题的能力。

1 气动实验平台总体设计方案

本实验课程主要针对全校工科类本科学生，通过设计和连接气动回路锻炼了学生的动手能力，通过编写LabVIEW 控制程序锻炼了学生的创新思维能力。

实验平台主要包括FESTO 气动系统、LabVIEW 控制系统，电路控制系统和数据采集系统。气动系统中采用的是FESTO 公司生产的气动元器件，包括过滤调压阀、2 位3 通电磁换向阀、单向节流阀、储气罐、气动压力表、气动压力传感器、2 位3通按键式手动换向阀。控制系统采用LabVIEW 进行编程，LabVIEW 是一种程序开发环境。电路控制系统中采用固态继电器作为开关量控制电磁换向阀的通电和断电。数据采集系统采用阿尔泰USB2833 数据采集卡，通过采集压力传感器电压信号作为LabVIEW 程序的输入信号。

为了使实验操作更为方便，将数据采集卡中的模拟量输入输出管脚和数字量输入输出管脚引出到面板中，并对每个管脚的号码做好标示，这样看到每个管脚就知道其功能，引脚接头采用香蕉插头母头，便于与香蕉插头公头配合。继电器的引脚也引到操作面板中，使得电路连接非常安全方便。

根据电路控制原理图将电路接好后，再根据气动原理图将气路用气管接好。然后根据储气罐充气系统的控制原理编写LabVIEW 控制程序，LabVIEW 控制程序通过USB 接口与数据采集卡通讯，数据采集卡通过AI 模拟量输入管脚采集气动压力传感器的电压值，通过DO 管脚输出数字量信号控制继电器，实验中采用的是常开型继电器，当给继电器输入高电平信号时候，常开继电器的常开触点闭合，当给继电器输入低电平信号时，继电器的常开触点断开。继电器的常开触点与2 位3 通电磁换向阀电源和24V 电源串联形成一个闭环的控制电路，控制电磁换向阀的通电和断电。完整的系统框架如图1 所示。

图1 储气罐充气系统整体架构框图

2 FESTO 气动系统搭建

储气罐充气回路是闭环压力控制系统，此系统的主要作用是保证储气罐的供气压力在设定的范围内。压缩机与电源相连，当电源开关打开，压缩机通电进行工作为储气罐进行充气。当储气罐的压力上升到设备出厂时设定的最大值，压缩机与电源断开不再工作，储气罐的压力也不会再持续增加。当储气罐的压力下降到设备出厂时设定的最低压力值，压缩机与电源连接继续工作，为储气罐充气。储气罐充气回路的示意图如图2 所示。

图2 储气罐充气系统示意图

在储气罐充气回路中，储气罐的压力表示被控变量，气动压力传感器采集储气罐的压力值作为反馈信号。压缩机相当于一个2 位3 通电磁换向阀，“压缩机关闭”对应于阀的闭合位置（不给储气罐进行充气），“压缩机打开”对应于阀的开口位置（给储气罐进行充气）。人工气动工具就相当于一个2 位3 通按键式手动换向阀，作为干扰变量，给储气罐进行排气，影响储气罐的压力变化。在储气罐充气回路中，为了保证储气罐的压力保持稳定可靠，添加一个单向节流阀1V3 进行限流，不至于出现储气罐压力过低的现象。单向节流阀（1V2） 的作用是防止电磁阀断电时储气罐的压缩空气泄漏。所以这个单向节流阀应该是全闭状态。压力传感器安装在气压波动较小的位置比较合适，所以选择安装在储气罐的后面。根据以上所有内容设计储气罐充气回路的气路图，如图3 所示。

图3 储气罐充气系统气路图

3 LabVIEW 测试控制系统搭建

储气罐充气系统主要是为了控制储气罐的压力在允许的压力范围内波动，当储气罐压力大于储气罐允许的最大压力值时，控制压缩机关闭停止给储气罐充气，当储气罐压力小于储气罐允许的最小压力值时，控制压缩机打开开始给储气罐充气。为了完成控制，储气罐充气系统中需要通过压力传感采集储气罐的压力值，然后用采集到的压力值跟储气罐允许的最大压力值和最小压力值进行比较，这时就会用到比较器。比较器是用来对两个模拟电压信号进行比较，一个电压形成一个定点，并与输入电压进行比较，根据比较结果得到输出量1 或者0。

比较器用来设定储气罐允许的最大压力和最小压力，作为整个系统的控制器。在LabVIEW 程序中创建一个波形图表作为虚拟示波器，用来显示采集到的信号和控制器输出的校正变量。校正变量输出给继电器来控制2 位3 通电磁换向阀的通电和断电，进而控制储气罐的压力值，2 位3 通手动换向阀作为干扰变量影响储气罐的压力值。储气罐充气回路控制结构图如图4 所示，电路连接图如图5 所示。

图4 储气罐充气系统闭环控制回路结构图

图5 储气罐充气系统电路图

图6 中下面的方波曲线表示输出的校正变量值，上面的锯齿波曲线表示的是储气罐的压力变化值，在储气罐允许的最大压力和最小压力范围内进行波动。

图6 虚拟示波器

4 实验结果与分析

开发的基于虚拟仿真技术的FESTO 气动实验平台如图7 所示，由气动元器件、电源模块、数据采集模块、继电器模块和LabVIEW 程序组成。通过在电脑中的LabVIEW 软件中编写控制程序，控制储气罐的压力变化，使得储气罐的压力在允许的范围内。

图7 基于虚拟仿真技术的FESTO 气动实验平台

在教学实践中，需要通过完成储气罐气路系统、电路系统及Lab－VIEW 控制测试系统的搭建，锻炼学生的动手能力，考查学生对储气罐充气回路控制原理的理解及灵活应用能力。

学生2 到3 人一组进行实验，在实验中学生需要互相配合完成实验，一个同学主要负责设计和搭建气动系统，一个同学主要负责设计和搭建电路系统。气动系统和电路系统搭建完毕，所有同学一起编写LabVIEW 控制程序，然后调试和分析。

实验中通过分析LabVIEW 程序中虚拟示波器的曲线变化来理解储气罐充气回路的控制原理。当储气罐的压力大于允许的最大压力值时，LabVIEW程序会输出低电平控制电磁换向阀断电不再给储气罐充气，操作2 位3 通按键式手动换向阀影响储气罐的压力变低，当压力值小于允许的最小值时，LabVIEW 程序会输出高电平控制2 位3 通电磁换向阀通电给储气罐充气。

5 结束语

在以学生为中心的创新型人才培养目标下，将人才培养的模式从“获得知识”改变为“培养能力”。根据储气罐充气系统的工作原理，开发了基于虚拟仿真技术的FESTO 气动实验平台。该平台很好的将气动知识与控制知识融合在一起，形成了一个综合性的气动测试控制实验。目前该实验平台已应用于学校机械类相关专业，根据学生反馈，该实验课程可以有效调动学生的积极性，锻炼了学生的创新性思维和解决复杂工程问题的能力，使学生从被动简单的实验验证转变为主动学习，深入思考与探索新知识，提高了实验课的授课质量。