應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)自動(dòng)化

挑戰(zhàn)： 使用一個(gè)實(shí)時(shí)控制器,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)位移、扭轉(zhuǎn),、溫度,、流量的高速、精確控制并完成數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ),。

應(yīng)用方案： 使用National Instruments 公司的LabVIEW RT軟件 和E系列的控制器,、高精度數(shù)據(jù)采集卡、執(zhí)行程序生成器和LabVIEW 來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)經(jīng)濟(jì),、可靠的基于PC機(jī)和PXI嵌入式控制器的多實(shí)時(shí)任務(wù)控制系統(tǒng),。

使用的產(chǎn)品：LabVIEW RT；RT系列的嵌入式控制器,；E系
列的數(shù)據(jù)采集卡

簡(jiǎn)介：在控制系統(tǒng)中,，既要完成高速閉環(huán)控制，又要實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的高速采集和存儲(chǔ),，是比較困難的事,，因?yàn)槟芡瓿蓪?shí)時(shí)控制的軟件，其大量數(shù)據(jù)處理的能力就弱,， 而在 LabVIEW RT 系統(tǒng)中通過(guò)軟件總體結(jié)構(gòu)的合理布局,，利用一個(gè)實(shí)時(shí)控制器，可以完成多個(gè)實(shí)時(shí)控制任務(wù),，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多通道數(shù)據(jù)采集,、存儲(chǔ)，降低了成本又節(jié)省了開(kāi)發(fā)時(shí)間,。

1 實(shí)驗(yàn)機(jī)的物理構(gòu)成

多任務(wù)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)應(yīng)用在MMS100 改進(jìn)后的多功能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)中,，這種實(shí)驗(yàn)機(jī)是一種快速模擬鋼廠熱連軋過(guò)程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它可以用來(lái)研究鋼材等有色金屬在不同的升溫速率和變形量的情況
下,，其微觀組織結(jié)構(gòu)及組織性能的變化規(guī)律,，被廣泛地應(yīng)用于冶金、航天,、軍事等領(lǐng)域的新材料開(kāi)發(fā)和研究,。

1．1 實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理

本實(shí)驗(yàn)機(jī)的工作原理是將試樣安裝在兩個(gè)夾頭之間,，以上萬(wàn)安培的電流通過(guò)試樣，使其快速被加熱,，同時(shí)在兩個(gè)夾頭中通有循環(huán)冷卻水,，當(dāng)電流增大產(chǎn)生的熱量大于水冷帶走的熱量時(shí)，試樣的溫度就升高,，反之試樣的溫度就降低,，當(dāng)二者相等時(shí)試樣的溫度保持不變，從而達(dá)到控溫的目的,。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)要求,，當(dāng)試樣被加熱到規(guī)定的溫度時(shí)，通過(guò)控制液壓缸,，推動(dòng)錘頭高速打擊（壓縮實(shí)驗(yàn)）或拉伸（拉伸實(shí)驗(yàn)）或扭轉(zhuǎn)（扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)）,，使試樣發(fā)生形變，同時(shí)要記錄并存儲(chǔ)試樣在發(fā)生形變過(guò)程中的所有參數(shù),，如液壓缸位移,、橫向位移、縱向位移,、力,、扭矩等，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,，由host PC（主機(jī)）對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制工藝要求的曲線(xiàn),，如位移-力曲線(xiàn)，位移-應(yīng)力曲線(xiàn),，應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)等,。有些實(shí)驗(yàn)要求在真空狀態(tài)下進(jìn)行，防止試樣表面被氧化,，要求將試樣加熱室抽成真空,，根據(jù)需要還可以充保護(hù)氣（惰性氣體）。淬火實(shí)驗(yàn)要求試樣溫度達(dá)到某一值時(shí)進(jìn)行淬水,、淬氣,、氣水混合等以滿(mǎn)足不同的工藝需要。

1．2 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)工藝對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,、精度等技術(shù)指標(biāo)的特殊要求來(lái)確定控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，由于本設(shè)備包括結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),、液壓系統(tǒng),、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng),、水冷卻系統(tǒng),、淬火系統(tǒng),、氣動(dòng)控制系統(tǒng)等多個(gè)單元，為了提高控制精度和速度,，而將邏輯控制從PXI 系統(tǒng)中分離出去,，由PLC 控制，二者以通訊方式交換信息,。所有的實(shí)時(shí)控制任務(wù),、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由PXI-8156B 完成，hostPC 機(jī)主要完成編程器,、人機(jī)交互界面,、數(shù)據(jù)分析及處理等功能。

2 控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)任務(wù)

2．1 加熱控制系統(tǒng)

試樣的加熱采用直接電阻加熱的方法,，其特點(diǎn)是低電壓,、大電流；快速響應(yīng)加熱,；瞬間斷電采集數(shù)據(jù),；熱膨脹測(cè)量與補(bǔ)償；10ms 控制周期,。具體方法是通過(guò)在變壓器原側(cè)調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)角,，來(lái)改變變壓器副側(cè)試樣兩端電壓，從而改變流過(guò)試樣中電流大小,，實(shí)現(xiàn)控溫的目的,。這種加熱方法優(yōu)點(diǎn)是可以降低試樣內(nèi)部的熱梯度，防止集膚效應(yīng),，獲得更好的等溫區(qū),。其缺點(diǎn)是由于熱電偶是直接焊在試樣上的，當(dāng)加熱時(shí)試樣內(nèi)流過(guò)上萬(wàn)安培的電流,，周?chē)鷮a(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng),，嚴(yán)重地影響溫度測(cè)量的精度，但NI 公司的軟件和硬件提供了觸發(fā)采集的功能,，可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題,。方法是通過(guò)一個(gè)小的同步變壓器獲得變壓器原側(cè)的電壓相位，根據(jù)這個(gè)電壓信號(hào)的峰值可以計(jì)算出觸發(fā)采集電壓與觸發(fā)角的關(guān)系,，通過(guò)限制觸發(fā)電壓值和適當(dāng)選擇觸發(fā)采集電壓,，就可以使可控硅觸發(fā)角留出20 度～30 度的斷電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)斷電采集,。通過(guò)一個(gè)整流橋可以將正弦交流電負(fù)半周也變成正半周,，使每個(gè)控制周期控制兩次，控制周期為10ms。

2．2 位移控制系統(tǒng)

主液壓缸的控制是通過(guò)控制高速伺服閥,，完成控制液壓缸推動(dòng)錘頭移動(dòng),。工藝要求控制周期越短越好，利用PFI7針完成PID 輸入觸發(fā)輸出循環(huán)控制,，控制周期為2ms,。在高速伺服閥放大器板上有一個(gè)硬件PID 控制環(huán)，它是將高速伺服閥的閥芯位置作為反饋信號(hào),，這個(gè)閉環(huán)作為內(nèi)環(huán),，而軟件PID 將位移傳感器的實(shí)際位置作為反饋信號(hào)，這個(gè)閉環(huán)作為外環(huán),，這樣大大提高了液壓缸的控制精度,。

2．3 扭轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

扭轉(zhuǎn)控制的作用是扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)完成高速扭轉(zhuǎn)閉環(huán)控制，另外在多道次壓縮或拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)完成試樣第二道次以后的變形量定位控制的功能,?？刂品椒ㄊ抢肞XI6052E的高速計(jì)數(shù)器1 測(cè)量編碼器的脈沖，通過(guò)控制高速伺服閥控制液壓馬達(dá),，完成扭轉(zhuǎn)控制,。扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)適應(yīng)超級(jí)鋼、軍用鋼等高性能鋼種開(kāi)發(fā)研究的需要,，將剪切變形與壓縮變形復(fù)合,，從而大幅度提高變形程度和變形速率，實(shí)現(xiàn)組合連續(xù)大變形的學(xué)術(shù)思想,。

2．4 流量控制系統(tǒng)

淬火的方式分為淬水,、淬氣、氣水混合等方式,，在淬火時(shí)不同的實(shí)驗(yàn)工藝,，要求對(duì)淬火的水流量進(jìn)行相應(yīng)的控制，以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)工藝,?？刂品椒ㄊ菍⒘髁坑?jì)的檢測(cè)信號(hào)作為反饋，控制電磁球閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制,。

3 硬件連接問(wèn)題

3．1 接地問(wèn)題

PXI 總線(xiàn)的機(jī)箱,，其機(jī)殼地與AIGND和DGND是相通的，這一點(diǎn)與其他控制系統(tǒng)中有所區(qū)別,。為了減少控制系統(tǒng)的干擾,，系統(tǒng)接地非常重要，為此將數(shù)據(jù)線(xiàn)的屏蔽層單獨(dú)接地,，將二次儀表的電源地與機(jī)殼地一起單獨(dú)接地,。另外二次儀表電源的輸入端通過(guò)一個(gè)UPS 使其與電網(wǎng)進(jìn)行隔離,，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)干擾。

3．2 E 系列數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器濾波問(wèn)題

E 系列數(shù)據(jù)采集卡上的24 位計(jì)數(shù)器的抗干擾能力不是很強(qiáng),，為了彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，在NI 網(wǎng)站的 an084QuadratureEncoders 中詳細(xì)地闡述了利用LS7084芯片和電阻,、電容構(gòu)成一個(gè)濾波電路,，消除由于noise and jitter 等造成的干擾，此電路還可以對(duì)編碼器的輸出脈沖進(jìn)行4 分頻,，從而大大地提高了測(cè)量精度,。

4 控制系統(tǒng)的軟件

軟件部分分為三個(gè)部分，即上位機(jī)的人機(jī)界面軟件,、實(shí)時(shí)控制軟件和邏輯控制軟件,。

上位機(jī)軟件， 是在Windows2000 平臺(tái)下,，利用LabVIEW 軟件,，實(shí)時(shí)控制軟件是在Windows2000 環(huán)境下LabVIEW RT 編程，然后下載到嵌入式控制器中,，邏輯控制軟件是Siemens 公司的Step_MicroWin 軟件編程,。

4．1 各部分軟件的功能

上位機(jī)軟件的功能是工藝參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)顯示,、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及處理,，故障報(bào)警顯示等；實(shí)時(shí)控制軟件的功能是完成溫度,、位移,、扭轉(zhuǎn)、流量等的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制,；邏輯控制軟件的功能是完成控制柜的按鈕,、指示燈，液壓站,、變壓器等的接觸器,，氣路、油路和水路的電磁閥,、電節(jié)點(diǎn),、報(bào)警器等。

4．2 軟件的結(jié)構(gòu)

上位機(jī)和實(shí)時(shí)控制機(jī)軟件的總體結(jié)構(gòu)均選用了LabVIEW 提供的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu),，因?yàn)樵诔绦蛑兄T多任務(wù)都是有一定順序的,，對(duì)于解決有順序控制問(wèn)題來(lái)說(shuō)，狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)是最有效的方法,， 它是由While Loop 內(nèi)部的一個(gè)Case結(jié)構(gòu)和位移寄存器中所攜帶的Case 選擇器組成,，這種 Case 結(jié)構(gòu)的每個(gè)框架都可以向下一個(gè)迭帶中的其他框架
傳輸控制或直接終止While Loop,，這就允許用戶(hù)執(zhí)行任意數(shù)量的執(zhí)行操作，每一個(gè)操作都可以調(diào)用一個(gè)子程序,，使整個(gè)程序的運(yùn)行效率非常高,。

實(shí)時(shí)控制軟件分為三個(gè)部分，即通訊,，多實(shí)時(shí)任務(wù),，瞬時(shí)數(shù)據(jù)記錄。其中幾個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)之間的結(jié)構(gòu)While Loop加sequence 結(jié)構(gòu),，根據(jù)每個(gè)任務(wù)的控制周期的不同,，利用i取余數(shù)來(lái)確定其執(zhí)行的周期大小。利用RTFIFO 將變形過(guò)程的數(shù)據(jù)記錄下來(lái),，當(dāng)變形結(jié)束時(shí),，即CPU 時(shí)間寬裕時(shí)，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán),?？刂茀?shù)的輸入是通過(guò)通訊的方式由HostPC 傳到實(shí)時(shí)控制器的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也是通過(guò)通訊從控制器傳到HostPC 的,，只是傳輸?shù)乃俾室鸵恍?br />
5．系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

由于采用了PXI實(shí)時(shí)控制器和RT 系列的軟件,，使多個(gè)控制任務(wù)得到了很好的協(xié)調(diào)和運(yùn)行，控制精度和速度完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,，溫度控制的動(dòng)態(tài)最大偏差為±1.5℃,，靜態(tài)最大偏差為±0.2℃，位移測(cè)量精度1 微米,。使得實(shí)驗(yàn)機(jī)的總體性能達(dá)到了國(guó)外的同類(lèi)產(chǎn)品且功能增多,，其價(jià)格為國(guó)外產(chǎn)品的四分之一到三分之一。

6．結(jié)束語(yǔ)：

實(shí)驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)對(duì)控制精度和速度要求較高,，利用通訊,，將實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)分開(kāi)，采用實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和合理的軟件結(jié)構(gòu),，使多個(gè)控制任務(wù)的精度和響應(yīng)速度都多達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,，以前此類(lèi)設(shè)備都是從美國(guó)的一家公司進(jìn)口，成本較高,。為了加快大型設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的步伐,，鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)含量產(chǎn)品，國(guó)家科委給予此項(xiàng)目支持基金90 萬(wàn),，用于進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā),。