基于PXI的电液伺服作动器控制系统的设计与实现

摘要：针对某工程机械中的作动器装置，利用其液压系统的工作原理，设计了一种基于PXI的电液伺服作动器控制系统。在介绍作动器液压回路工作原理的基础上，简述了控制系统的设计方案及其组成。该设计解决了该作动器开环控制误差大的问题，具有控制精度高，灵敏度高，结构紧凑，可复用性高等优点。
关键词：电液伺服阀；伺服系统；作动器；PXI；LabVIEW

0 引言
    作动器是一种以液压油为动力源的摆动机构，在飞行器的升降翼、方向舵、水平襟翼以及坦克、船舶、火车等多种需要摆动机构的场合得到了广泛的应用。本文的电液伺服作动器是某工程项目中驱动机械装置动作的传动设备，该作动器的主要作用是利用作动简的动作驱动相应装置产生动作，从而实现对该机械装置运动轨迹的控制。因此作动器的动作性能指标直接影响到该工程机械装置的工作安全。
    然而，目前大多文献及研究是以单片机或DSP为控制单元实现对电液伺服作动器的闭环控制，其控制策略复杂，复用性差等缺点使其在工程应用中越来越不能适应实际工况的要求。近几年，随着虚拟仪器测试平台的快速发展，越来越多的工业控制开始利用该平台进行相关技术的研究与开发。虚拟仪器测试平台强大的控制、处理能力及标准化、模块化等优点使其成为当今控制领域的主流控制工具。
    本文根据电液伺服作动器的工作原理，结合作动器伺服机构开环的工作特性，提出一种基于虚拟仪器测试平台PXI架构的电液伺服作动器的控制系统，该系统用于完成对该类作动器伺服机构的闭环控制，实现作动筒及主控阀上位移传感器所测量的参数可调可显示，并且为作动器提供二次电源，达到高安全性的控制要求。系统通过作动筒上位移传感器反馈的参数与操作界面上输入参数进行比较，产生误差信号控制伺服阀的开度，使作动筒达到没定位置，实现机械装置特定位置的动作，完成控制要求。

1 电液伺服作动器控制系统的组成及工作原理
    控制系统基本结构由人机交互界面、控制级和伺服放大级组成，如图1所示。人机交互界面主要是对作动器工作参数进行设置与显示；控制级为控制系统的核心部分，主要完成对作动器伺服机构的闭环控制；伺服放大级包括传感器激励、信号解调、电源输入及电磁阀驱动等部分。

    为了更好地说明控制系统的工作机理，下面对作动器伺服机构的工作原理给予简单介绍。如图2所示，在正常工作情况下，伺服机构的液压源正常，电磁阀SOV有电，电液伺服阀EHSV得电，它是通过电流信号控制主控阀的阀芯滑动，进而控制进入作动筒内的油量，使作动简的活塞杆产生相对位移，从而实现机械装置的动作。当SOV失电或液压源出现故障时，相应旁通阀动作，将此油路对应的作动筒两腔沟通处于旁通状态。功能转换阀的阀芯由于SOV失电而产生动作，触碰微动开关，使其产生动作，该动作经由相关电路调整为电信号，在操作界面上显示。

    由此可见，机械装置动作是由作动筒的动作驱动，而作动筒的动作是靠液压油所产生的压力推动作动筒的活塞实现。若要控制作动筒的活塞运动就必须控制液压油。在伺服机构工作原理叙述中可以看到，整个作动器的液压油主要靠电液伺服阀来控制。
    电液伺服阀是用于连接系统的电气与液压部分，将输入的小功率电信号转变为阀的运动，而阀的运动又可以控制液压油流向液压执行机构的流量与压力，实现电液信号的转换和放大，以及对液压执行机构的控制。电液伺服阀的工作机理为输入量是电流，输出量则是和输入量成正比的负载压力或负载流量。
    因此，可以通过控制电液伺服阀的输入电流来实现对液压油压力及流量的控制，从而使作动筒产生相应位移，即完成对机械装置动作的控制。简单来说，控制系统主要依靠作动筒位移传感器输出参数与输入参数之间的差值实现对作动筒位移的控制，最终达到机械装置的动作要求，在功能上实现作动器的闭环控制，系统控制原理图如图3所示。

2 控制系统的硬件设计
    由于该工程项目中的控制系统要求具有优越的性能及广泛的适用范围，因此，根据伺服机构的工作条件及工作原理，依据结构简单、操作方便、自动处理能力强的原则，利用NI公司的PXI测试平台和LabVIEW图形化编程环境设计了一个面向控制对象的实时数据采集与控制系统。本控制系统由上位机、下位机和测控单元组成，其中上位机是基于LabVIEW平台的工业控制计算机，下位机是基于PXI的测试平台，主要由PXI实时系统与PXI模块单元共同构成。其系统硬件框图如图4所示。
    基于LabVIEW平台的工控机用来显示人机交互界面，界面上设置有操作面板，且前置有USB、开关和指示灯等配置，操作方便。该系统主要是基于PXI架构的，因此上位机采用虚拟仪器开发软件LabVIEW，以使上位机与下位机具有良好的系统兼容性。
    根据系统的工作特点及技术要求，需研制体积小、结构紧凑、耐久性强等特点的控制系统。基于PXI平台的硬件部分具有产品尺寸小、架构稳固等特性，并且可以提供满足潜在需求的大量模块，具有模块化特征，易于重新配置，可升级性好，提供了较好的抗冲击、抗震动、防高温等方面的保护及使用寿命长等优点。因此，将PXI系统及LabVIEW应用在安全性要求高的工程装置上，简化了控制系统，降低了系统成本。利用其模块化特性，提高了系统的开发效率，增强了系统的可扩展性，是控制该机械系统的新手段。
    图4中所示的为PXI硬件的主机箱体，相当于个人计算机的主机箱，本系统的主机配置为基于PXI架构的实时系统，该主机运行于工业控制计算机并通过操作界面进行系统配置，执行控制工作，并管理报警与警告信息，运行于主机的实时系统为主机的核心部分，用以实现高速数据采集和输出的PID闭环控制，并对采集数据进行快速存储，系统提供大的存储容量且可以随时进行数据的调用及分析，从而满足了性能需求。
    本设计采用PXI硬件支持功能模块的嵌入，设计中可将PXI单元嵌入基于PXI系统的主机箱中，达到作动器控制系统的结构要求，由于PXI的实时系统可以实现所采集数据的实时处理和高级分析，因此工作性能较其他以PC单元实现的控制系统更为优越。
    PXI单元包含有四个模块：模拟输入AI，模拟输出AO，数字输入DI，数字输出DO。由于伺服系统分为两个液压通道，因此将AI配置为双通道，用来接收测控单元采集到的位移传感器信号，并由PXI系统进行分析处理，最后将信号传送给工控机用以在面板上显示。同样地，AO也采用两个通道，将界面上由人工设置的参数信号通过AO输出，经由测控单元相应硬件调理，输入给伺服机构一个控制电液伺服阀开度的电流信号，通过流经伺服阀的流量来控制作动筒活塞的位移，完成输入参数所指定的位置要求。
    DI数字输入／DO数字输出模块是伺服机构中开关阀、微动开关、报警器等其他状态信息的输入／输出通道，其传输的信号都为开关量。  DI为数字输入，用于微动开关的状态传输。微动开关动作由相关电路调理后，产生的电信号由DI传送给PXI的实时系统，最终由界面显示。DO数字输出，用于开关阀的状态信息传输。
    本系统的测控单元采用自行设计的电路板形式实现对伺服机构中信号的采集、调整、输出等功能。该单元是连接下位机和伺服机构的中介模块。它接收伺服机构中位移传感器及其他设备的信号，经过相应的电压／电流转换及调理后，将信号输入PXI的实时操作系统处理分析，最后传送给工控机用以显示。同时，测控单元也可接收由PXI单元通过工控机输入的控制信号，经过相应信号的转换及调理，对伺服机构的各种状态进行控制。
    为了使控制系统能够更好地工作，具备优越的工作性能，在设计本控制系统时考虑到该装置在应用中的重要性，特别在测控单元配备有伺服机构所需的二次电源，由测控单元里的驱动器提供，主要用来驱动机构中电液伺服作动器的电磁开关。另外，测控单元为伺服机构中的位移传感器提供激磁电源，由单元中的激励器提供。测控单元中的调理器是对位移信号及其他状态信号进行调理以使信号能够更加准确无扰动误差地进行传输。

3 控制系统的软件设计
    系统的软件设计采用虚拟仪器开发软件LabVIEW，运用图形化G语言作为编程形式。G语言是一种面向对象的模块化编程语言，可以显著提高程序的复用性。由于该控制系统应用的工程装置的工况特殊，所以要求系统处理速度快，实时性好，具有良好的人机界面。
    本系统软件设计分为输出人机交互界面与控制程序两部分，都是在LabVIEW图形化集成开发环境下开发的，将编写之后的程序代码下载到PXI实时操作系统中，有效地缩短了软件的开发时间，同时提高了系统的开发效率。
    实际工作状态下，下位机与测控单元之间进行直接的信号传输，同时把相关数据传送到上位机，实现测控参数的显示及控制。系统软件所实现的功能在操作面板上有相应的设置，操作面板如图5所示。由于伺服机构工作状态分为正常模态和失压模态，因此在面板上设置有模态选择控件，使系统可在两种模态下进行切换。

    根据系统结构原理，系统分为通道1和通道2，因此在界面上设置两个通道，每个通道都可对主控阀和作动筒上位移传感器所采集的位移信号进行显示或调节。设置开关阀控件，可随时对伺服系统进行开关操作，方便快捷，并且在各个通道上有两个状态显示灯，若工作正常则状态灯亮，若出现故障，此时液压系统中的微动开关动作，经DI输入使面板上的故障灯亮，实时地显示系统工作状态，安全性高。
    在控制过程中，该系统可实现对输入参数的PID控制，根据已存的测试数据生成PID优化参数，以使系统在参数调节时更加稳定，控制面板右方显示PID调节过程波形图，可实时显示系统PID控制过程，使系统性能更加全面优越。

4 结语
    本控制系统采用LabVIEW平台及PXI测试平台对机械系统的作动器进行监测与控制，解决了作动器伺服机构开环控制精度低，安全性差等问题。在LabVIEW集成环境下开发了系统软件部分，可以实现灵活而持久的操作，用于确定性实时测量和控制，并且提出了基于PXI控制电液伺服作动器的新方法，具有操作简单、结构紧凑、程序复用性高以及系统通用性强等优点。