基于LabVIEW的液压传动系统教学仿真平台

孟昭亮 ，邢子楚 ，张春宇 ，袁晓明 ，姚静

(1. 燕山大学 机械工程学院，河北 秦皇岛 066004 ；2. 燕山大学 河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室，河北 秦皇岛 066004)

0 引言

液压传动具有功率密度比大、布置方便、控制灵活、响应速度快等优点，被广泛应用于工业机械、行走机械、航空航天等领域[1～2]。《液压传动系统》课程是机械工程学科非常重要的技术基础核心课程，是液压装备设计、使用和维护所必须掌握的专有技术和专业知识[3]。《液压传动系统》作为一门工程应用类课程，实验环节尤其重要，传统“老师讲解、学生操作” 实验教学模式效率低、故障率高、安全性差，有部分学生很难在有限的课上时间内完成“操作任务”，探索新的实验教学模式成为亟待解决的问题。

本文提出一种“老师讲解、线上仿真、线下操作”复合实验模式，通过引入仿真环节，使学生的设计方案提前验证，避免将设计错误带入“线下操作” 环节，极大提高实验效率和操作安全性；在此基础上，提出一种基于LabVIEW 的液压传动系统教学仿真平台开发方案并用实例验证。此外，“新冠疫情” 导致部分地区不能实现线下教学，所开发的仿真平台也可为线上教学提供支撑。

1 整体方案

图1 为仿真平台整体方案，如图1 所示，基于LabVIEW 的液压传动系统教学仿真平台开发流程如下：

图1 整体方案

（1）根据给定实验任务拟定液压原理图和电磁铁动作顺序表。

（2）根据电磁铁动作顺序表拟定电气原理图。

（3）根据液压原理编写LabVIEW 仿真界面。

（4）编写LabVIEW 控制程序：仿真界面中所用“仿真元件” 的功能模拟程序、电气原理的功能模拟程序。

（5）运行仿真程序，观察仿真界面的液压传动系统运行结果是否和给定实验任务相符；如不相符，查找并修改设计和编程中的错误直至仿真结果和给定实验任务相符。

2 仿真平台

以双缸行程控制液压回路为例，设计其液压原理图、电气原理图，搭建LabVIEW 仿真平台，实现双缸行程控制回路的仿真模拟。

2.1 实验任务

图2 为双缸行程控制回路实验任务，A1、A0代表A 缸伸出和缩回，B1、B0代表B 缸伸出和缩回，SQ1、SQ2代表A 缸后端和前端行程开关，SQ3、SQ4代表B缸后端和前端行程开关。

如图2 所示，起始状态为A 缸、B 缸处于缩回状态、行程开关SQ1、SQ3 处于触发状态，给定实验

任务动作顺序如下：

（1）按下启动按钮或转动启停旋钮，B 缸伸出，当触发行程开关SQ4时停止伸出。

（2）A 缸伸出，当触发行程开关SQ2时停止伸出。

（3）B 缸缩回，当触发行程开关SQ3时停止缩回。

（4）A 缸缩回，当触发行程开关SQ1时停止缩回。如启停旋钮处于开启状态，则重复动作（1）→（4）；如启停旋钮处于关闭状态，则停止动作。

2.2 液压原理

图3 为依据给定实验任务设计的双缸行程控制回路液压原理图，两缸共用一个液压油源，为避免两条回路相互影响，选用中位机能为“O” 型的三位四通电磁换向阀控制液压缸伸出和缩回，表1 为实现B1A1B0A0 顺序循环动作的电磁铁动作顺序表。

图3 液压原理图

表1 电磁铁动作顺序表

2.3 电气原理

图4 为依据表1 设计的电气原理图（未画出急停和复位控制部分），按钮SB、旋钮SA 分别控制顺序动作单次循环和连续循环，行程开关SQ1、SQ4、SQ2、SQ3分别为中间继电器KA1～KA4的自锁控制信号，KA2、KA3、KA4、KA1的常闭触点分别为中间继电器KA1～KA4的解锁控制信号，中间继电器KA1～KA4的常开触点为电磁铁4YA、2YA、3YA、1YA 的控制信号，此电气原理可实现4 个电磁铁按表1 所示顺序通电和断电。

图4 电气原理图

2.4 LabVIEW 仿真界面

LabVIEW 由前面板和后面板组成，前面板为显示界面、后面板为程序界面[4]。“液压传动系统仿真平台” 的仿真界面为“LabVIEW 前面板”，由液压系统、行程开关、中间继电器、按钮/ 旋钮等组成，图5为双缸行程控制回路LabVIEW 仿真界面截图。

如图5 所示，液压缸由“滑动杆” 模拟，行程开关由“圆形指示灯” 模拟，电磁铁由“方形指示灯”模拟，编程实现：当电测阀右侧“方形指示灯” 值为“真” 时，相应“滑动杆” 数值增大；当电测阀左侧“方形指示灯” 值为“真” 时，相应“滑动杆” 数值减小；当电磁阀两侧“方形指示灯”值都为“假”时，相应“滑动杆” 数值保持不变；当“滑动杆” 数值达到上限或下限时，数值不再增加或减小且相应行程开关“圆形显示灯” 值为“真”，进而实现液压传动系统的功能模拟。中间继电器的电磁线圈、常开触点、常闭触点由“圆形指示灯” 模拟，每个继电器有4 个常开触点和4个常闭触点，编程实现：当线圈“指示灯” 值为真（假）时，常开触点“指示灯” 值为真（假）、常闭触点“指示灯” 值为假（真），进而实现中间继电器的功能模拟。

图5 LabVIEW 仿真界面截图

2.5 LabVIEW 控制程序

控制程序为“LabVIEW 后面板”， 图6 为LabVIEW 控制程序截图，整个程序采用顺序结构：

图6 LabVIEW 控制程序截图

（1）行程开关功能模拟：根据液压缸位置判定行程开关的状态。

（2）电气原理功能模拟：根据图4 所示电气原理图，编写电气原理功能模拟程序，并联（串联）电路在程序中用布尔函数“或”（“与”）来实现。

（3）中间继电器功能模拟：根据继电器电磁线圈状态判定继电器常开触点和常闭触点的状态。

（4）液压缸功能模拟：根据电磁铁状态判定液压缸是处于伸出还是缩回状态。

2.6 仿真调试

运行仿真平台，点击仿真界面按钮“SB” 或旋钮“SA”，观察液压缸A 和液压缸B 的动作顺序是否和给定实验任务相符。如不符合，查找并修改设计和编程过程中的错误，直至仿真结果和实验任务相符，图7 为仿真调试过程截图。

图7 仿真调试过程截图

续图

3 结论

（1）提出了一种“老师讲解、线上仿真、线下操作”复合实验教学模式，仿真环节的引入可在“线下操作”环节之前验证学生的设计方案，极大提高实验效率和操作安全性。

（2）提出了一种基于LabVIEW 的液压传动系统教学仿真平台开发方案，明确了仿真平台开发流程。

（3）成功开发了一套“双缸行程控制回路仿真平台”，验证了基于LabVIEW 的液压传动系统教学仿真平台开发方案的可行性。