柔性测控系统在快组式液压试验台CAT中的应用

２０１４年２月第４２卷第４期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＦｅｂ２０１４Ｖｏｌ４２Ｎｏ４ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊｉｓｓｎ１００１－３８８１２０１４０４０３２收稿日期：２０１３－０１－２８基金项目：陕西铁路工程职业技术学院研究生资助基金项目（２０１１－６３）作者简介：温银萍（１９７６—），女，硕士，助教，主要研究方向为纳机电研究。Ｅ－ｍａｉｌ：１５５９１６６２８６２＠１６３ｃｏｍ。柔性测控系统在快组式液压试验台ＣＡＴ中的应用温银萍（陕西铁路工程职业技术学院机电工程系，陕西渭南７１４０００）摘要：常见快速组合式液压试验台测控系统通用性较差，无法配合其高度开放的硬件实现设计性、创新性液压试验。采用虚拟仪器实现液压试验台柔性测控系统改造，使之适用于拼装的任何液压试验回路，改造过程中针对数据采集卡定时／计数器个数有限的问题，提出了基于＂软定时／计数器＂的方法精简数据采集卡设备。改造后的测控系统对数据采集硬件要求低，具有高度通用性、灵活性和扩展性的特点。关键词：虚拟仪器；液压试验台；ＣＡＴ；软定时／计数器；柔性测控系统中图分类号：ＴＨ１７３５１　　文献标识码：Ｂ　　文章编号：１００１－３８８１（２０１４）４－１０３－４ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦｌｅｘｉｂｌｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＣＡＴＲａｐｉｄＣｏｍｂｉｎｅｄＨｙｄｒａｕｌｉｃＴｅｓｔｂｅｄＷＥＮＹｉｎｐｉｎｇ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＳｈａａｎｘｉＲａｉｌｗａｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＷｅｉｎａｎＳｈａａｎｘｉ７１４０００，Ｃｈｉｎａ）　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｉｔｙｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｃｏｍｍｏｎｒａｐｉｄｃｏｍｂｉｎｅｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｅｓｔｂｅｄｗａｓｒａｔｈｅｒｐｏｏｒ，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｎｏｔｃｏｏｐｅｒａｔｅｗｉｔｈｉｔｓｈｉｇｈｌｙｏｐｅｎｅｄｈａｒｄｗａｒｅｔｏｒｅａｌｉｚｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｅｓｔ．Ｂｙｕｓｉｎｇｏｆｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ａｆｌｅｘｉｂｌｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｅｓｔｂｅｄｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄ，ｗｈｉｃｈｍａｄｅｉｔｆｉｔｔｏａｎｙｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｅｓｔｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｎｕｍｂｅｒｓｏｆｔｉｍｅ／ｃｏｕｎｔｅｒｉｎｔｈｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃａｒｄｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓ，ａｆｌｅｘｉｂｌｅｔｉｍｅ／ｃｏｕｎｔｅｒｍｅｔｈｏｄｔｏｓｉｍｐｌｉｆｙｔｈｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃａｒｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｈａｒｄｗａｒｅｉｓｌｏｗ，ａｎｄｉｔｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｇｈｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｔｙ，ａｇｉｌｉｔｙａｎｄｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙｉｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｅｓｔｂｅｄ；ＣＡＴ；Ｆｌｅｘｉｂｌｅｔｉｍｅ／ｃｏｕｎｔｅｒ；Ｆｌｅｘｉｂｌｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ　　快速组合式液压试验台是常见的试验设备，是理论和实践相结合的桥梁和纽带，在液压传动教学及科研过程中发挥了重要作用。随着计算机、传感器和虚拟仪器技术的发展，国内外已出现自动化、智能化程度较高的液压试验装置，如杨征瑞等［１］研制了一种将虚拟仪器技术与智能监测技术相结合的液压试验台，减轻了测试人员的工作强度，提高了测试和调试效率，并且提高了测试准确度。苏东海等［２］介绍了一种基于虚拟仪器的电液比例阀计算机辅助测试系统，根据电液比例阀特性测试项目的要求，设计开发了测试系统软件，高效地完成电液比例阀特性的测试工作。谭心等人［３］介绍了一种基于虚拟仪器技术的液压ＣＡＴ系统，测试系统的软件是基于ＬａｂＶＩＥＷ平台，可完成液阻特性试验、压力形成试验、液压泵性能试验、节流调速回路性能试验、溢流阀静动态性能试验以及减压阀静动态性能试验等六项试验。吉林大学机械学院研制的ＪＳＰ０４Ｅ型液压试验台具有ＶＢ编写的简单的计算机辅助测控系统，通过工控机对试验设备进行控制以及对试验数据进行采集处理，可进行一些回路类试验、液压泵性能试验、变量泵性能试验、溢流阀动态性能试验等试验内容。然而，上述液压试验台还存在问题，其一是测控系统通用性较差，只适合不具有科研试验功能的实验。其二是由于常规数据采集卡上的定时／计数器个数有限，要用其构建含多个脉冲型信号传感器的液压回路试验测量系统存在一定的困难。解决上述问题，常规的办法是硬件扩展法，即利用多路转换开关或者增加定时／计数器卡，如湖南宇航公司研发的ＪＳＰ０４Ｅ快速组合式全功能液压实验平台，由于需要测量１路流量信号和１路转速信号，在采用研华公司的ＰＣＩ８１８多功能数据采集卡的基础上采用ＰＣＩ８３６多功能定时／计数器卡进行扩展，这类系统具有结构复杂、程序复杂、响应速度慢、性价比低等缺陷，使得现有试验平台已不满足现代新技术发展中的液压试验教学科研的需要［４－６］。该测控系统在原有快速组合式液压试验台的基础上，采用虚拟仪器技术对液压试验台测控系统进行升级改造，将机－电－液融合为一体，实现液压元件性能参数测试与数据采集的自动化、虚拟化，使之具有如下优点：其一是测控系统高度开放。目前，快速组合式液压试验台的硬件高度开放，用户可以根据需求设计和组合任一合适的液压系统。然而，由于常见液压试验台配套的软件功能模块有限，因此限制了试验平台的应用。文中提出的柔性测控系统的思路，使之更加适用于开放性的硬件。其二是精简数据采集设备。从液压试验台传感器信号的特点和信号采集的角度，提出采用模拟通道替代定时／计数器采集流量等脉冲信号的“软定时／计数器”的方法，研究信号采集卡的高效应用。其三是依据液压课程试验教学大纲，保留了液压泵性能试验等传统教学实验。使之既能满足常规的液压试验教学的要求，又能为学生自己的创新性液压回路设计提供硬件以及软件方面的支持。１　快速组合式液压试验台组成文中改造的液压试验台功能模块可以划分为液压泵站、液压回路快速组合平台、测控系统三大部分。其中，液压回路快速组合平台是采用快速拼装结构，上有专用于放置液压元件的凹槽，试验人员可根据预设的试验项目原理图，选用相应的液压元件组成不同液压试验回路，通过测控系统实现对电磁换向阀动作的控制和相关液压阀的调节进行试验以及采集传感器信号，试验台如图１所示。图１　快速组合式全功能液压教学实验平台２　液压试验台柔性测控系统设计传统的测控系统是“以对象为主，测控系统为辅”的固定系统，一旦软件开发完成（尤其是在用户仅能获得可执行文件的情况下），难以实现二次开发或扩展。如目前国内很多高校都在努力开发基于虚拟仪器的开放性液压试验台ＣＡＴ，但由于固定的软件模型只能做几个固定的液压回路的实验，如液压泵性能实验，而对于研究者自行开发的液压回路没有与之相匹配的软件界面，只适合教学不适合设计性回路科研验证。文中提出的快速式液压试验台的柔性测控系统，即“以测控系统为纲”，开发通用性的数据采集平台，适用于研究者自行开发的不同的液压回路，配合高度开放的硬件实现设计性、创新性液压试验。测控系统由工控机、数据采集卡、数据接口板及传感器共同组成，通过上位机软件可以实现自动控制、数据检测与处理、报表打印等功能。由于液压系统中主要需要传感器测量压力、流量、转速、转矩、速度等工作参数，共需要４个压力传感器、１个流量传感器、１个转速传感器、１个转矩传感器和４个行程开关，共涉及到１１个传感器，其中７路模拟信号用数据采集卡的模拟通道来测量，２路脉冲信号需要用数据采集卡的定时／计数器进行测量，４路开关信号需要采用数字通道来采集。此次设计的新型液压试验台测控系统，依托ＬａｂＶＩＥＷ操作平台，将所有传感器与ＮＩＰＣＩ６２２１数据采集卡接口联结，并在所有传感器虚拟通道放置在软件前面板，用户根据不同的液压回路试验要求在界面上勾选相应的传感器，液压试验台测控系统组成如图２所示。图２　快速组合式液压试验台测控系统组成开放性的液压试验平台测控系统软件应该具有以下功能：人机界面，测量控制，数据采集，数据处理报表生成等。其中，人机界面据用户使用习惯划分为常规功能实验界面和科研试验界面，提高功能集成度以便用户使用。根据软件系统的设计指标要求，具体的软件系统框图如图３所示。图３　快速组合式液压试验台测控系统软件组成·４０１·机床与液压第４２卷３　软定时／计数器方法在液压试验台测控系统中的应用液压试验过程中涉及到流量、转速等脉冲信号的测量，与数据采集卡上有限的定时／计数器（１～２个）形成矛盾。为防止硬件扩展带来的系统结构复杂、程序复杂、响应速度慢、性价比低等缺陷，文中提出了“软定时／计数器”的方法，即采用模拟通道替代定时／计数器采集脉冲型信号传感器信号，利用程序实现定时、计数的功能：（１）创建一个模拟输入，并指定采样频率；（２）采集包含若干周期的脉冲信号；（３）利用ＬａｂＶＩＥＷ里面的提取单频信号信息（ＥｘｔｒａｃｔＳｉｎｇｌｅＴｏｎｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）ｖｉ［７－８］，该函数可提取出信号的幅值、频率及相位，这里抽取的是信号的频率。具体程序如图４所示。图４　软定时／计数器测量数脉冲信号程序４　测控系统软件开发４１　系统界面系统界面是测控系统与用户交流信息的桥梁，通过前面板上的按钮、开关以及显示窗口用户可以很方便地观察实时检测的结果以及操作控制系统的工作情况，因此设计美观合理的操作界面对提高工作效率是很重要的。根据用户使用习惯本液压试验台软件系统划分为主选择界面和各实验界面组成，有各实验选择按钮、试验台系统说明按钮和退出系统按钮，见图５，从而提高功能集成度以便用户使用。图５　快速组合式液压试验台测控系统界面图４２　用于自定义液压试验的测控系统软件开发由于常规液压实验如液压泵性能实验中液压回路固定，因此可以直接进行针对性的软件开发，开发难度较低，目前国内此类系统较多，此处不再赘述，可参考文献［１－６］。文中主要论述用于自定义液压试验的测控系统软件开发，柔性液压试验台测控系统即不同于传统的以硬件为纲的测控系统，也不同于常规的通用性数据采集平台，它是为液压试验台量身而做的系统，能够满足用户自行搭接液压实验台及参数修改。（１）数据采集模块由第２节可知，液压试验台主要涉及到１１个传感器，其中７个传感器用数据采集卡的模拟通道来测量，４个形成开关采用数字通道来采集，在模拟量测量程序中，采用ＮＩＤＡＱ工具包编程，设计思路如下：创建物理通道，选择７个物理通道，ＡＩ０～ＡＩ６；设置模拟信号采样始终，进行采样频率和采样点数的设置；采集信号入缓存，将每路信号根据传感器的标定系数进行标定，获得信号的常用的压力或流量单位。流程图如图６所示。图６　液压试验台数据采集程序流程图　　在数据采集过程中，最关键的一步是用户选择传感器和物理通道。将前面板选择控件与物理通道通过条件循环进行关联。试验之前首先根据用户提供的试验要求，选择需要的传感器类型，然后在前面板界面勾选相应的传感器，此时该信号就会被采集到数据缓存中，从而满足用户的测试要求。自设计型科研试验·５０１·第４期温银萍：柔性测控系统在快组式液压试验台ＣＡＴ中的应用　　　传感器选择界面如图７所示。图７　自设计型传感器选择界面（２）试验报表生成模块液压试验结束后，需要生成完整整齐的试验报告，保存试验结果。文中使用ＬａｂＶＩＥＷＲｅｐｏｒｔＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｔｏｏｌｋｉｔ工具包。该工具包在工具库