基于LabVIEW的液压控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于LabVIEW的液压控制系统，包括液压缸、装有LabVIEW的计算机、比例放大器、方向阀、位移传感器，以及串口通信装置；计算机通过串口通信装置向比例放大器发出控制电流信号，比例放大器将该电流信号放大后输出至方向阀，方向阀接收比例放大器输出的电流信号控制液压缸中油液的流动方向和压力，液压缸的液压杆发生位移，位移传感器检测液压杆的位移，并通过串口通信装置向计算机发出液压缸位移变动所产生的电压信号，计算机接受该电压信号，并再次向比例放大器发出控制电流信号。采用本发明专利技术的控制系统和控制方法可以使得控制液压缸位置精度和响应速度相比于传统PID控制更高。

Hydraulic control system and control method based on LabVIEW

【技术实现步骤摘要】
基于LabVIEW的液压控制系统及其控制方法
本专利技术涉及电液比例阀控缸先导控制
，尤其涉及一种基于Labview的电液比例系统液压缸控制系统及位置控制方法。
技术介绍
电液比例技术的发展对液压设备的操控性能有着重要的影响，为提高液压设备电液比例的控制性能，仅从液压和机械的硬件层面研究，很难再有突破性进展。因此，研发出一种控制精度更高的液压非线性控制系统及控制方法势在必行。LabVIEW是一种程序开发环境，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种使得控制液压缸位置精度和响应速度相比于传统PID控制更高的，基于LabVIEW的非线性控制方法。技术方案：本专利技术所述基于LabVIEW的液压控制系统，包括：液压缸、装有LabVIEW的计算机、比例放大器、方向阀、位移传感器，以及为LabVIEW建立通信接口层的串口通信装置；计算机通过所述串口通信装置向所述比例放大器发出控制电流信号，比例放大器将该电流信号放大后输出至方向阀，所述方向阀接收比例放大器输出的电流信号控制液压缸中油液的流动方向和压力，液压缸的液压杆发生位移，所述位移传感器检测液压杆的位移，并通过所述串口通信装置向计算机发出液压缸位移变动所产生的电压信号，计算机接受该电压信号，并再次向所述比例放大器发出控制电流信号。本专利技术进一步的改进，所述串口通信装置包括数据采集卡和模拟量输出板；所述数据采集卡分别与所述位移传感器和计算机通讯连接，且其与LabVIEW内含的NI-DAQmx自定义测量系统匹配，用于采集液压缸位移变动所产生的电压信号；模拟量输出板分别与放大器和计算机通讯连接，用于将计算机发出的4～20mA的电流信号输出到比例放大器中。进一步地，所述数据采集卡通过对采集卡驱动的安装以及DAQ助手采集的设置采集位移传感器输出的电压信号。本专利技术的基于LabVIEW的液压控制系统的控制方法，包括如下步骤：(1)在液压系统位置设定模块输入一个期望控制值，装有LabVIEW的计算机根据该期望控制值生成控制指令，并通过PID控制器传递给比例放大器；(2)方向阀接收并执行计算机发出的控制指令，控制液压缸中油液的流动方向和压力，使液压缸的液压杆发生位移；(3)位移传感器测量液压缸位移信号，并通过串口通信装置将液压缸位移数据传输至计算机，计算机对液压缸位移变动产生的信号和期望值进行对比，得出偏差及偏差微分，然后将偏差及偏差微分导入模糊算法，经过模糊化、模糊推理以及解模糊的过程，为液压系统提供一个控制补偿量；(4)计算机根据该控制补偿量再次生成控制指令，并控制方向阀和液压缸执行该指令，完成对液压缸的控制。作为优选地，步骤(3)中采用用数据采集卡采集液压缸位移变动所产生的电压信号，数据采集卡内数据通过串口通信数据线传输至计算机的串口接收数据，将串口接收的数据经过数据处理在LabVIEW的工作界面上显示输入输出差值及PID输出幅值连续实时数据采集曲线图。优选地，步骤(1)中，在液压系统位置设定模块输入期望控制值的具体方法为：①添加“正弦仿真信号”数据输出控件，设置正弦波幅值为100，偏移量为100；②将“正弦仿真信号”控件输出的期望值通过“除”函数控件等效转换成与位移传感器输出相同的0～10V电压信号；③通过“DAQ助手”控件输出液压缸的位移信号，再将该位移信号与处理后的期望值通过“减”函数控件相减；④设置“条件结构”为“真”，添加“毫秒计时器”控件，设置等待时间为50ms，使每次循环都延迟50ms；若相减后的数值满足条件“>0.01”，则将相减后的数值输入至初始值设定为“0”的“PID”控件，完成期望值的输入。优选地，步骤(4)中计算机控制液压缸执行控制补偿量指令的具体方法为：①将“DAQ助手”控件输出的液压缸位移信号通过“乘”函数控件使数值放大20倍，得到液压缸的位移值；②将液压缸的位移值与“正弦仿真信号”控件输出的期望值通过“减”函数控件相减，得到期望值与所测量液压缸位移值的偏差，记为e(t)；③通过“从动态数据转换”控件将偏差e(t)转换为一个确定的数值e，利用“求导”函数控件对偏差e进行求导，得到偏差微分，记为ec；④将偏差微分ec通过“转换至动态数据”控件转换成动态数据，记为ec(t)；⑤将动态数据偏差e(t)和偏差微分ec(t)通过“合并信号”控件合并，并利用“从动态数据转换”控件转换成确定的数值，将该数值输入“FL模糊控制器”控件中，从“FL模糊控制器”控件中输出的数据即为模糊控制补偿量；⑥将“PID”控件输出的数值与模糊控制补偿量通过“加”函数控件相加，得到总控制量；⑦设置“条件结构”为“真”，当总控制量的绝对值满足条件“>0.01”时，将总控制量经过“除”函数控件缩小15倍，再利用“加”函数控件使数值增大12，最终输出一个4～20的数值作为电流控制信号，完成对液压缸的控制；⑧建立“While循环”结构，添加“毫秒计时器”控件，设置等待时间为50ms，使每次循环都延迟50ms；⑨最后点击LabVIEW前面板中的“停止”按钮，结束循环并退出程序。优选地，模糊控制器的具体设置方法为：a、添加“当前VI路径”控件，并使其与“拆分路径”控件“路径”端口相连。通过“拆分路径”控件可使当前VI路径拆分至上一级路径；b、将“拆分路径”控件中“拆分的路径”端口与“创建路径”控件中“基路径”端口相连；利用“字符串常量”控件将扩展名为fs的模糊控制规则文件连接至“创建路径”，完成路径的创建；c、将“创建路径”控件中“添加的路径”端口与“FL加载模糊系统”控件中“文件路径”端口相连，使路径文件传输至加载模糊系统中；d、最后将“FL加载模糊系统”控件与“FL模糊控制器”控件相连，使所有模糊控制器参数加载到模糊控制器VI中，完成模糊控制器的设计。优选地，计算机与位移传感器和放大器之间采用串口通信，具体的设置方法为：①设置硬件串口为“COM3”；②利用“VISA配置串口”控件对串口通信的参数进行设置，设置波特率为9600，数据位为8位，停止位为1.0；③建立“While循环”结构，“VISA配置串口”控件将数据发送至“VISA写入”控件，“VISA读取”控件将数据读取到计算机内存中，设置“VISA读取”控件每次读取的字节总数为16；④添加“发送通知”控件，并分别连接“获取通知器引用”控件和“等待通知”控件，建立“While循环”结构，当“VISA读取”控件要读取的字节数大于缓冲区的数据子节数，VISA读取函数操作将一直等待；当缓冲区的字节数达到要求的字节数，“发送通知”控件依次通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LabVIEW的液压控制系统，其特征在于，包括：液压缸、装有LabVIEW的计算机、比例放大器、方向阀、位移传感器，以及为LabVIEW建立通信接口层的串口通信装置；/n计算机通过所述串口通信装置向所述比例放大器发出控制电流信号，比例放大器将该电流信号放大后输出至方向阀，所述方向阀接收比例放大器输出的电流信号控制液压缸中油液的流动方向和压力，液压缸的液压杆发生位移，所述位移传感器检测液压杆的位移，并通过所述串口通信装置向计算机发出液压缸位移变动所产生的电压信号，计算机接受该电压信号，并再次向所述比例放大器发出控制电流信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于LabVIEW的液压控制系统，其特征在于，包括：液压缸、装有LabVIEW的计算机、比例放大器、方向阀、位移传感器，以及为LabVIEW建立通信接口层的串口通信装置；
计算机通过所述串口通信装置向所述比例放大器发出控制电流信号，比例放大器将该电流信号放大后输出至方向阀，所述方向阀接收比例放大器输出的电流信号控制液压缸中油液的流动方向和压力，液压缸的液压杆发生位移，所述位移传感器检测液压杆的位移，并通过所述串口通信装置向计算机发出液压缸位移变动所产生的电压信号，计算机接受该电压信号，并再次向所述比例放大器发出控制电流信号。


2.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的液压控制系统，其特征在于，所述串口通信装置包括数据采集卡和模拟量输出板；
所述数据采集卡分别与所述位移传感器和计算机通讯连接，且其与LabVIEW内含的NI-DAQmx自定义测量系统匹配，用于采集液压缸位移变动所产生的电压信号；
模拟量输出板分别与放大器和计算机通讯连接，用于将计算机发出的4～20mA的电流信号输出到比例放大器中。


3.根据权利要求1所述的基于LabVIEW的液压控制系统，其特征在于，所述数据采集卡通过对采集卡驱动的安装以及DAQ助手采集的设置采集位移传感器输出的电压信号。


4.一种权利要求1所述的基于LabVIEW的液压控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在液压系统位置设定模块输入一个期望控制值，装有LabVIEW的计算机根据该期望控制值生成控制指令，并通过PID控制器传递给比例放大器；
(2)方向阀接收并执行计算机发出的控制指令，控制液压缸中油液的流动方向和压力，使液压缸的液压杆发生位移；
(3)位移传感器测量液压缸位移信号，并通过串口通信装置将液压缸位移数据传输至计算机，计算机对液压缸位移变动产生的信号和期望值进行对比，得出偏差及偏差微分，然后将偏差及偏差微分导入模糊算法，经过模糊化、模糊推理以及解模糊的过程，为液压系统提供一个控制补偿量；
(4)计算机根据该控制补偿量再次生成控制指令，并控制方向阀和液压缸执行该指令，完成对液压缸的控制。


5.根据权利要求4所述的基于LabVIEW的液压控制系统的控制方法，其特征在于，步骤(3)中采用数据采集卡采集液压缸位移变动所产生的电压信号，数据采集卡内数据通过串口通信数据线传输至计算机的串口接收数据，将串口接收的数据经过数据处理在LabVIEW的工作界面上显示输入输出差值及PID输出幅值连续实时数据采集曲线图。


6.根据权利要求4所述的基于LabVIEW的液压控制系统的控制方法，其特征在于，步骤(1)中，在液压系统位置设定模块输入期望控制值的具体方法为：
①添加“正弦仿真信号”数据输出控件，设置正弦波幅值为100，偏移量为100；
②将“正弦仿真信号”控件输出的期望值通过“除”函数控件等效转换成与位移传感器输出相同的0～10V电压信号；
③通过“DAQ助手”控件输出液压缸的位移信号，再将该位移信号与处理后的期望值通过“减”函数控件相减；
④设置“条件结构”为“真”，添加“毫秒计时器”控件，设置等待时间为50ms，使每次循环都延迟50ms；若相减后的数值满足条件“>0.01”，则将相减后的数值输入至初始值设定为“0”的“PID”控件，完成期望值的输入。


7.根据权利要求6所述的基于LabVIEW的液压控制系统的控制方法，其特征在于，步骤(4)中计算机控制液压缸执行控制补偿量指令的具体方法为：
①将“DAQ助手”控件输出的液压缸位移信号通过“乘”函数控件使数值放大20倍，得到液压缸的位移值；
②将液压缸的位移值与“正弦仿真信号”控件输出的期望值通过“减”函数控件相减，得到期望值与所测量液压缸位移值的偏差，记为e(t)；
③通过“从动态数据转换”控件将偏差e(t)转换为一个确定的数值e，利用“求导”函数控件对偏差e进行求导，得到偏差微分，记为ec；
④将偏差微分ec通过“转换至动态数据”控件转换成动态数据，记为ec(t)；
⑤将动态数据偏差e(t)和偏差微分ec(t)通过“合并信号”控件合并，并利用“从动态数据转换”控件转换成...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾文华，范行知，刘言岩，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32