基于LabVIEW的液压伺服测试系统研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 7 4 2.74MB 77 页 15积分
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摘 要
随着液压阻尼器在核电站、高层建筑和大跨度桥梁中的广泛应用，对其进行
动态性能测试显得越来越重要。本课题以实际需求为前提，根据阻尼器负载功率
大，试验要求精度高等特点，采用液压伺服系统设计开发出一套液压阻尼器动态
性能试验台。
本文将虚拟仪器与液压伺服技术相结合，充分发挥各自的优势，完成了一系
列的测控任务。第一，在总结、考察各种虚拟仪器开发平台的基础上，选择图形
化编程语言 LabVIEW 作为开发平台，并以此为核心开发出软件控制平台。第二，
根据系统需求，选择性能可靠的信号输出和数据采集卡（包括 PCI1730 和
PCI6221），作为虚拟仪器的外围设备，并利用其进行运动控制和数据采集。第三，
根据具体要求和系统工作环境，采用数字滤波和傅立叶变换等技术手段进行数字
信号处理。第四，依据实际使用要求，建立数据库，并将数据库与试验平台建立
连接及时进行数据存储、方便后期的数据查询，并可以将存储的波形数据重新复
现满足用户的特殊需求。同时也开发了报表生成模块，自动生成标准的工程报表。
第五，考虑控制优化问题，建立了系统数学模型，研究了经典的 PID 控制和模糊
控制算法，并将其运用到实际系统中对控制算法进行了仿真试验。第六、对系统
进行了实验与分析，为后期的控制策略改进提供了重要的参考依据。
该系统已经通过调试验收，应用于某电力技术开发有限公司，为其生产的液
压阻尼器提供了性能稳定、质量可靠的试验平台。经过一段时间的试运行基本满
足了用户的各项功能要求和技术指标，为其技术提高和市场开拓带来了巨大的推
动力。
关键词：液压伺服 虚拟仪器 LabVIEW PID 模糊控制
ABSTRACT
As the application of hydraulic damper in nuclear power stations, high buildings
and big span bridges, it is becoming more and more important to test its dynamic
performance. This project took actual requirements as premise and designed a total
set of hydraulic damper dynamic performance test platform according to its special
requirements, such as high load power and high precision.
This project integrated virtual instrument into servo hydraulic technology, totally
exerting each advantage, and completed a series of test and control task. First, chose
graphic language—LabVIEW as core development platform and developed a software
control platform, in the base of studying and referring to many virtual instruments
development platform. Second, chose stable performed signal I/O cards as outer device
of the virtual instrument (including PCI1730 and PCI6221) to achieve motion control
and data acquisition, according to system requirements. Third, finished data processing
by means of digital filter and Fourier transfer according to specific requirements and
working surroundings. Forth, built data base and connect to test platform. So that data
can be stored in real time. It can also be queried and represent signal. In the mean time,
report generation block was developed, which can generate standard test report. Fifth,
considering control optimization, built system mathematic model and studied classic
PID control and fuzzy logic control arithmetics. Using them completed simulation
experiment in the real system. Sixth, perform real test and analysis on the system,
which provide vital reference for improving control method.
This test system has passed user’s check and has been accepted. Using in one
Power Equipment Co., Ltd, it provided a stable performed and high quality test
platform. After a period of test running, this system basically satisfied user’s every
item of requirement and technical target and brought powerful impetus for technology
improvement and market development.
KEY WORDS：Servo Hydraulic, Virtual Instrument, LabVIEW, PID,
Fuzzy Logic Control
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题来源及其现实意义 ....................................... 1
§1.2 虚拟仪器技术的发展现状 ..................................... 2
§1.3 液压伺服系统的发展现状 ..................................... 4
§1.4 本文要完成的工作 ........................................... 6
第二章 系统硬件选择 .................................................. 7
§2.1 概论 ....................................................... 7
§2.2 执行部分的选用 ............................................. 8
§2.2.1 伺服阀 ..................................................8
§2.2.2 比例溢流阀 ............................................. 10
§2.3 信号比较、放大部分的选用 .................................. 11
§2.4 传感器测量系统的选用 ...................................... 12
§2.4.1 位置传感器 .............................................12
§2.4.2 力传感器 ...............................................14
§2.5 虚拟仪器部分 .............................................. 15
§2.5.1 数据采集理论 ...........................................16
§2.5.2 数据采集卡的选择和使用 .................................17
§2.5.3 系统的软件部分 ......................................... 21
§2.5.4 LabVIEW 8 的新特性 ..................................... 24
第三章 控制算法及其应用仿真 ......................................... 27
§3.1 PID 控制算法 ............................................... 27
§3.2 模糊控制理论 .............................................. 31
§3.2.1 模糊数学的重要概念 .....................................32
§3.2.2 模糊控制系统的组成及设计方法 ...........................33
§3.3 控制算法实现 ............................................... 34
§3.3.1 PID 算法的实现 ......................................... 35
§3.3.2 模糊控制算法的实现 .....................................38
§3.4 系统数学模型建立及控制算法仿真 ............................. 41
§3.4.1 建立系统数学模型 ....................................... 41
§3.4.2 系统分析及控制算法仿真 ................................. 45
第四章 试验台软件系统开发 ........................................... 51
§4.1 软件系统功能要求 .......................................... 51
§4.2 软件的总体结构 ............................................ 52
§4.3 关键技术开发 .............................................. 55
§4.3.1 菜单式人机交互界面 .....................................55
§4.3.2 信号产生 ............................................... 56
§4.3.3 数据处理 ............................................... 57
§4.3.4 数据存储及数据操作 ..................................... 61
§4.3.5 报表生成 ............................................... 63
第五章 实验及系统分析 ............................................... 65
§5.1 实验目的及实验条件 ......................................... 65
§5.2 实验数据及频域分析 ......................................... 66
§5.3 时域分析 ................................................... 68
第六章 结论 ......................................................... 70
附 录 ............................................................... 73
参考文献 ............................................................ 75
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 77
致 谢 .............................................................. 79
第一章 绪 论
1
第一章 绪论
§1.1 课题来源及其现实意义
随着国民经济的快速提高和科学技术的飞速发展，人们在空间拓展和核能利
用等领域的研究工作也在一步步的走向深入，同时许多相关的大型基础建设也随
之拔地而起，比如大跨径斜拉索桥、高层防震大厦和大型核电站等。在初期研究
阶段，由于受当时科技水平的限制，人类曾多次遭遇惨痛的教训。1976 年建成于
加拿大的 Long’s Creek 大桥，80 年代中期建成于比利时的 Ben Ahin 大桥是最
早出现风雨振的实例,以后类似的事件相继发生。随着研究的深入,欧美和日本相
继开发出液压阻尼器,并得到了广泛的应用。液压阻尼器是利用充满液压油的液
压缸通过阻尼控制阀的作用，在液压缸两腔产生压力差，从而对负载产生阻尼力，
该阻尼力的大小与负载速度有关[1]。由于液压阻尼器可以吸收负载振动、冲击，
限制负载速度、位移，防止共振，补偿热膨胀位移。将其应用在上述建筑中可以
有效保护提高安全等级，提高建筑可靠性和工作寿命。这些建筑工程大多造价高
昂，任何损坏都会造成极其重大的经济损失，甚至带来灾难性的后果（比如桥梁
坍塌，核物质泄露等），所以对液压阻尼器的性能指标进行全面检测就显得尤为
重要。
伺服液压系统具有控制功率大，易于实现直线运动，速度刚度大、配置柔性
大，动力传输和控制方便等优点，非常适合作为阻尼器测试系统的动力元件。随
着新材料、新工艺的应用，加工手段的逐步完善，电子技术、计算机控制技术和
液压技术的相结合，液压传动元件的性能、寿命和可靠性都得到显著提高，液压
传动在工程机械中的应用也突飞猛进。目前，液压技术不仅应用于工程机械的工
作装置、转向系、行走系、传动系和制动系，而且还用于工程机械的模拟加载、
转速控制、发动机燃料进给控制，以及车辆主动悬挂装置等。总之，液压技术几
乎遍及工程机械的每个运动部件，达到了“无液不成机”的程度。据统计，95%
以上的工程机械都采用了液压技术，应用液压技术的程度已成为衡量一个国家工
业水平的重要指标。因此对液压伺服系统进行系统研究和优化控制有着重大的经
济意义和社会价值。
液压测试系统中包含了信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达
与输出。传统仪器的这些功能块都是以硬件的形式存在的。虚拟仪器系列化软件
将传统仪器的三大功能块全部放在PC机上来实现, 在PC 机上插数据采集卡, 然
后用软件在屏幕上生成仪器面板, 用软件来进行信号分析, 在软件生成的界面上
显示结果, 实现传统仪器功能。也就是说利用PC 机强大的图形环境和在线帮助,
基于 LabVIEW 的液压伺服测试系统研究
2
建立中英文界面的虚拟仪器面板, 完成信号采集, 数据分析与显示, 代替传统仪
器, 改变传统仪器的使用方式,扩展仪器的功能,提高使用效率, 大幅度降低仪器
的价格。与传统仪器相比, 虚拟仪器具有巨大的优越性.因此将虚拟仪器和伺服液
压控制技术相结合的开发应用模式也将成为今后的发展方向。
§1.2 虚拟仪器技术的发展现状
虚拟技术、计算机通讯与网络是信息技术最重要的组成部分，他们被称为 21
世纪科学技术的三大核心技术。虚拟仪器(Virtual Instrument)是虚拟技术的重
要组成部分，也是许多发达国家所重点研究的对象。1982 年出现了一种与 PC 配
合使用的模块仪器，它必须借助于 PC 强大的图形环境和在线帮助功能建立“虚
拟的”仪器面板，完成对仪器的控制、数据分析与显示。这种与 PC 结合构成的
包含实际仪器使用与操作信息软件的仪器，被称为“虚拟仪器”[2]。其中，以美
国国家仪器公司((National Instruments,简称 NI)，惠普公司(Hewlett Packard，
简称 HP), Tektronix 和 Racal 等公司的虚拟仪器比较有影响。其中，又以美国
国家仪器公司(NI)的图形化编程语言 LabVIEW 和惠普公司(HP)的 VEE 最具有代表
性。
Acquisition and Control
(采集与控制)
Plug-in Data Acquisition
Board
（插入式数据采集板）
GPIB(IEEE-488)
（GPIB 仪器）
VXI
（VXI 仪器）
RS232
（RS-232 仪器）
Data Analysis
（数据分析）
Digital Signal
Processing
（数字信号处理）
Digital Filtering
(数字滤波)
Statistics
(统计)
Numerical Analysis
(数字分析)
Data Presentation
（数据表达）
Networking
（网络）
Hardcopy Output
(硬拷贝输出)
File I/O
(文件 I/O)
Graphical User Interface
(图形用户接口)
图 1-1 虚拟仪器的内部功能划分
虚拟仪器通过应用程序将通用计算机与仪器硬件结合起来，用户可以通过友好
的图形界面（通常叫做虚拟前面板）操作这台计算机，它以透明的方式把计算机
资源（如处理器、内存、显示器等）和仪器硬件（如 A/D、D/A、数字 I/O、定时
器、信号调理等）的测试功能、控制能力结合在一起，通过软件实现对数据的分
析处理、表达以及图形化用户接口，如图 1-1。应用程序将可选硬件（如 GPIB、
VXI、RS-232、DAQ 板卡）和可重复使用源代码库函数等软件结合在一起，实现了
第一章 绪 论
3
仪器间的通信、定时与触发。原码函数库为用户构造自己的 VI 系统提供了基本的
软件模块。由于 VI 的模块化、开放性和灵活性以及软件化的关键特点，当用户的
测试要求变化时，可以方便的由用户来增减硬、软件模块或重新配置现有系统以
满足新的测试要求。这样，当项目改变后就能简单地构造出新的 VI 系统而不丢弃
已有的硬件和软件资源。
概括起来，虚拟仪器有如下优点：
1) 虚拟仪器的硬、软件具有开放性、模块化、可重复使用以及互换性等特
点。为提高测试系统得性能，可以方便地加入通用仪器模块，而不用购
买一个完全新的系统，有利于测试系统得扩展。
2) 可由用户定义仪器功能。由于仪器的功能可以在用户级上产生，故它不
再完全由仪器厂家来确定，用户可以根据自己的需求，通过增加或修改
软件，为虚拟仪器加入新的测量功能，而不用购买新的仪器。
3) 测量输入信号特性（如电压、频率、上升时间等）只需要一个量化的数
据模块，要测量的数据特性能被数据处理器计算出来，这种将多种测试
集于一体的方法缩短了测试时间，从而提高了测试速度。
4) 嵌入式数据处理器的出现允许建立一些具有特定功能的数学模型（如快
速傅立叶变换 FFT 和数字滤波等），使测试数据不会随时间变化，因此可
以保证测量精度和重复性，不需要定期进行校准。
虚拟仪器技术实现了计算机技术和仪器完美的结合，开辟了现代仪器技术的
新天地。它的诞生虽然只有十几年的历史，但它的发展速度是惊人的。目前虚拟
仪器技术己广泛应用与科研生产的许多领域:声学测试、音波测试、汽车测试、生
物医学测试、光纤校准、半导体测试、电信测试，振动测试、工业自动化、实验
室自动化、机械监控、石油和天然气处理、过程自动化、过程控制等等。
目前在美国，许多大学都有自己的虚拟仪器实验室，不但进行虚拟仪器的研
究与开发，而且还将虚拟仪器作为一门课程向学生传授，为学生提供实验条件，
让学生亲自动手，学习建立自己的虚拟仪器系统。美国国家仪器公司(NI)每年在
美国各高校的大学生中举办虚拟仪器设计大赛，鼓励和推广虚拟仪器的使用。
对虚拟仪器的研究，我国从 90 年代中期开始，至今己有新的进展。己经有许
多厂家或科研单位在使用虚拟仪器进行测试方面作了一系列有益工作，开发了一
些虚拟测试仪器。如清华大学应用虚拟技术构建的用于检测汽车发动机性能的出
厂检测系统;哈尔滨工业大学推出自己的“仪器王”虚拟仪器系统;东方振动和噪
声技术研究所研制出可实现一机多功能、多用途的 INV 系列虚拟仪器，实现了“把
实验室拎着走”;重庆大学测试中心，成功解决了文件难以有序交换的制约，把多
基于 LabVIEW 的液压伺服测试系统研究
4
种测试仪器的功能、技术参数和精度指标集成在功能软件库中，用户只需把装有
程序的软盘和一个手掌大的硬卡分别插入计算机的软驱和总线，就能在计算机中
实现被集成仪器的各种功能。另外浙江大学、成都电子科技大学、上海同济大学、
上海交通大学、中科泛华电子科技公司等一批高校和高科技公司也正在不断进行
虚拟仪器的研究和应用，并取得了一定成果。我国在传统仪器方面还比较落后，
测量精度不高，自动化程度较低。虚拟仪器的研究和应用为我国缩小与国际先进
测试水平的差距提供了一个良好的机会。因此在国内广泛开展虚拟仪器技术的研
究和应用，有着非常现实的意义，广泛采用虚拟仪器技术有助于提高我国仪器的
整体水平，节省仪器开发的人力和费用。我们有理由相信，随着软件业和测试技
术的发展，虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。
§1.3 液压伺服系统的发展现状
液压伺服系统是由液压拖动装置作为动力源所构成的伺服系统。它与其它类型
的系统相比，具有特有的优点:
1） 液压元件的功率-重量比和力矩-惯量比大，传递的力(力矩)和功率很大。因此
可以组成体积小、重量轻、加速能力强和快速动作的伺服系统来控制大功率和
大负载[3]。
2） 液压执行元件响应速度快，在伺服控制中采用校正装置可以使回路增益提高，
频带加宽。
3） 液压执行机构传动平稳、抗干扰能力强，控制精确性高，调速范围广，特别是
低速性能好[4]。
因而液压伺服系统在航空、航天、军事、冶金、交通、工程机械等领域得到了
广泛的应用。随着现代科学技术特别是材料科学的发展，人们更加重视动态试验。
而电液伺服技术正是实现动态高周疲劳、程控疲劳和低周疲劳以及静态的恒变形
速率、恒负荷速率和各种模拟仿真试验系统的最佳技术手段。因此世界各国纷纷
对液压伺服系统投入了大量的科研力量。伺服阀是伺服系统中的关键元件，是电
液转换的关键环节，直接影响到伺服系统的响应速度和稳定性。美国MTS公司与世
界上最大的伺服阀生产公司MOOG联合设计生产了许多特殊用途的伺服阀，如
MTS-257伺服阀频率可达500Hz。根据最新资料，目前MTS公司已经开发出频响达到
1000Hz的伺服阀。还有大流量的三级伺服阀，流量可达到800升/分钟。这将有力
推动液压伺服系统向更大的领域推广应用。 我国的电液伺服发展水平目前还处
在一个发展阶段，尤其在电液伺服高端产品及应用技术方面，我们距离国外发达
国家的技术水平还有着很大的差距。电液伺服技术是集机械、液压和自动控制于
一体的综合性技术，要发展国内的电液伺服技术必须要从机械、液压、自动控制
摘要：

摘要随着液压阻尼器在核电站、高层建筑和大跨度桥梁中的广泛应用，对其进行动态性能测试显得越来越重要。本课题以实际需求为前提，根据阻尼器负载功率大，试验要求精度高等特点，采用液压伺服系统设计开发出一套液压阻尼器动态性能试验台。本文将虚拟仪器与液压伺服技术相结合，充分发挥各自的优势，完成了一系列的测控任务。第一，在总结、考察各种虚拟仪器开发平台的基础上，选择图形化编程语言LabVIEW作为开发平台，并以此为核心开发出软件控制平台。第二，根据系统需求，选择性能可靠的信号输出和数据采集卡（包括PCI1730和PCI6221），作为虚拟仪器的外围设备，并利用其进行运动控制和数据采集。第三，根据具体要求和系...

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