插裝閥實驗臺測控系統(tǒng)的pid改進(jìn)設(shè)計

插裝閥實驗臺測控系統(tǒng)的pid改進(jìn)設(shè)計

該實驗臺是一種能夠測試插裝閥的綜合能的實驗臺。其結(jié)構(gòu)由三部分組成：原油、電氣和測量。實驗臺能夠在同一實驗臺上利用計算機(jī)處理與分析數(shù)據(jù),從而能夠檢測國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的7種閥的33種性能,這33種性能可以分為8個類型:閥的開啟、壓力損失、穩(wěn)態(tài)壓力流量特性、耐壓特性、動態(tài)響應(yīng)特性、耐久性、力矩的調(diào)節(jié)以及泄漏。借助此實驗臺,通過相應(yīng)閥的組合,可以進(jìn)行任何國標(biāo)所規(guī)定的插裝閥的相關(guān)測試文中主要從軟件方面對該測控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)思想進(jìn)行論述。此系統(tǒng)的測控系統(tǒng)主要能實現(xiàn)以下3個方面的功能:(1)可通過PID控制器調(diào)節(jié)輸出信號,控制先導(dǎo)式比例溢流閥的開合量,實現(xiàn)對整個液壓系統(tǒng)壓力的控制;(2)能夠采集系統(tǒng)中的壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù),并且計算機(jī)在分析和處理之后能夠?qū)?shù)據(jù)保存起來;(3)具有自動生成報表的功能,利用LabVIEW同時結(jié)合微軟的ACCESS數(shù)據(jù)庫,可實現(xiàn)實時的動態(tài)報表生成。1基于液壓論的裝置和控制結(jié)構(gòu)1.1比例溢流閥的作用整個實驗臺的液壓結(jié)構(gòu)部分主要包括變量泵、先導(dǎo)式比例溢流閥、液控?fù)Q向閥、液控單向閥以及被測試閥。油液通過變量泵輸出,然后經(jīng)過電磁換向閥到達(dá)被測試閥處,先導(dǎo)式比例溢流閥的作用是根據(jù)輸入的電流信號無極調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力大小。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力,逐漸升高壓力值,觀察并記錄數(shù)據(jù),當(dāng)值達(dá)到被實驗的閥的臨界最高壓力值時,被試驗的插裝閥導(dǎo)通,油液通過液控單向閥及換向閥返回油箱。電磁換向閥的作用還包括改變油液進(jìn)入被實驗閥的入口位置,這樣做的目的是可以從不同的油液流動方向?qū)Σ逖b閥進(jìn)行測試。液壓系統(tǒng)的簡化示意圖如圖1所示。1.2模擬量信號輸出系統(tǒng)測控硬件系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與顯示,同時還能對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,然后儲存起來或者生成報表?，F(xiàn)場中還有壓力計和流量計的前端顯示,操作人員可以現(xiàn)場檢查查看其值來做出大概的判斷與決策。整個系統(tǒng)還具備模擬量輸出能力,借助模擬量的信號輸出來控制相應(yīng)的被控對象。實驗臺電氣結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)的核心是一臺工控機(jī),工控機(jī)通過PCI總線與研華PCI1710多功能數(shù)據(jù)采集卡連接,同時工控機(jī)連接有顯示器、打印機(jī)等輔助設(shè)備。系統(tǒng)中的2個壓力表、3個流量計和1個溫度計,所反饋的信號是一種電流信號,其值為4~20mA,采集卡的信號輸入端為電壓信號,范圍是0~5V,所以必須通過相應(yīng)的電流電壓信號轉(zhuǎn)換模塊將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。系統(tǒng)的控制為壓力控制,電磁比例閥的開閉程度可以調(diào)節(jié)整個液壓系統(tǒng)的壓力,其控制方式為100~800mA的電流信號控制,此處所用的放大器的作用是將采集卡的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號后放大,轉(zhuǎn)換放大后的信號才能直接控制比例閥,從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)壓力的控制。2插裝閥的運行流程在實驗的過程中,需要靈活地給系統(tǒng)指令,并不定時地記錄數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)以及生成報表。所以整個測控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)主要由3個部分組成:壓力控制、數(shù)據(jù)采集以及報表的自動生成。整個程序的運行流程為:當(dāng)打開程序之后,通過系統(tǒng)壓力控制模塊給系統(tǒng)一個壓力值,此值可改變,在操作者期望的壓力下就可測試插裝閥的性能。通過數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)至Excel或數(shù)據(jù)庫,是否采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)儲存位置都可以通過用戶界面選擇。同時可以選擇的還有是否進(jìn)行報表生成,當(dāng)確定報表生成后,報表生成模塊會完成生成報表的任務(wù)。具體結(jié)構(gòu)情況用下面幾部分詳細(xì)說明。2.1插裝閥模型的建立PID控制是工業(yè)過程控制中用得最多的一種傳統(tǒng)算法。對于常規(guī)的PID算法,PID中積分部分的作用是消除余差,使得對被控對象的控制更加精確,但是由于有比較大的余差會在系統(tǒng)輸出的開始產(chǎn)生,導(dǎo)致PID運算積分的積累使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào),降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。插裝閥實驗臺的作用是測試插裝閥在設(shè)定壓力條件下的各種性能,所以要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此選擇一種改進(jìn)算法積分分離PID作為此測控系統(tǒng)的壓力控制算法,能有效提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。其基本思想是:系統(tǒng)輸出誤差較大時,廢除積分部分,使系統(tǒng)能夠平穩(wěn);余差小時,加入積分部分,使得控制更加精準(zhǔn)。其算法如下:其中:ε為人為設(shè)定的閥值;β為積分項控制系數(shù);T為采樣時間。根據(jù)上述原理,可以得到如圖3所示實驗臺測控系統(tǒng)中壓力控制算法程序流程圖,將積分分離PID在LabVIEW中封裝為子程序,此子程序可在需要時由外部程序直接調(diào)用。2.2通道索引后的顯示數(shù)據(jù)采集部分包括對壓力流量的實時采集、采集值的動態(tài)顯示及存儲。此實驗臺要采集的數(shù)據(jù)包括2路壓力信號、3路流量信號以及1路溫度信號,所使用的采集卡為PCI-1710型多功能數(shù)據(jù)采集卡。PCI-1710具有自帶的LabVIEW驅(qū)動程序,通過LabVIEW中相應(yīng)的采集函數(shù)和采集模塊,可以非常方便地通過其通道索引等信息采集到各通道信號,并且可以在前面板的波形顯示控件中直觀地顯示出來,同時能將采集到的數(shù)據(jù)儲存在Excel文件中。關(guān)于系統(tǒng)的采集值的采集過程如圖4所示。首先,通過DeviceOpen函數(shù)打開采集設(shè)備并利用MuiltiChannelINTSetup子程序進(jìn)行多通道模擬量輸入的參數(shù)設(shè)置;其次,利用EnableEvent函數(shù)開始數(shù)據(jù)采集,然后判斷采集到的數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù),當(dāng)為有效數(shù)據(jù)時再進(jìn)行下一步的操作;第三,通過BufferChangeHandler子程序開辟一個緩沖區(qū)以緩存數(shù)據(jù)。在這里進(jìn)入緩存區(qū)的數(shù)據(jù)有3種用途:(1)直接以波形的形式顯示在前面板的顯示控件上;(2)利用LabVIEW相關(guān)函數(shù)將數(shù)據(jù)寫入到指定Excel文件中;(3)存儲于數(shù)據(jù)庫以應(yīng)用于后續(xù)過程中實時動態(tài)報表的生成。最后,當(dāng)采集系統(tǒng)接收到退出命令后,會通過FAIStop函數(shù)停止數(shù)據(jù)采集并用DevieceClose子程序關(guān)閉采集設(shè)備。2.3對數(shù)據(jù)庫的訪問方式為了實現(xiàn)動態(tài)實時的報表生成功能,此實驗臺采用的是結(jié)合數(shù)據(jù)庫的方式完成的。由于MicrosoftAccess非常適用于中小型信息管理系統(tǒng),所以選擇MicrosoftAccess數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫建立之后LabVIEW需與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信,有兩種方式可以實現(xiàn):(1)利用DSN連接數(shù)據(jù)庫;(2)利用UDL連接數(shù)據(jù)庫,兩種方式都能較好較方便地進(jìn)行連接,文中選擇的是利用DSN連接數(shù)據(jù)庫。與數(shù)據(jù)庫的連接完成之后需要對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問,以對其中數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、添加以及查詢等操作。LabVIEW對數(shù)據(jù)庫的訪問方式也有多種:采用LabVIEW的ActiveX功能;編寫相應(yīng)DLL程序,使用LabVIEW所帶DLL接口訪問;利用LabVIEW自帶的工具包實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。由于LabVIEW數(shù)據(jù)庫工具包功能齊全,操作簡單,所以文中采用LabVIEW自帶工具包的方式。當(dāng)軟件可以對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行各種操作之后就可以利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行其他的操作,比如報表生成。LabVIEW報表的生成方式也有幾種:如通過DDE生成、通過ActiveX生成、利用NI提供的MSOfficeReport報表工具包以及利用ReportGeneration函數(shù)生成報表等。文中采用的是ReportGeneration函數(shù)生成報表,通過這條路徑生成報表操作簡單,且無需購買。首先定義一個Word模板,在需要插入數(shù)據(jù)或圖標(biāo)的地方插入書簽,然后再在LabVIEW程序中利用相關(guān)函數(shù)操作,即可實現(xiàn)相應(yīng)數(shù)據(jù)插入模板或圖表中,生成所需要的報表。Access數(shù)據(jù)庫與LabVIEW相結(jié)合的報表生成過程如圖5所示。從圖5可看出:當(dāng)打開采集設(shè)備,選擇存入數(shù)據(jù)庫之后,數(shù)據(jù)開始通過緩存區(qū)存入數(shù)據(jù)庫,同時也可選擇停止存入數(shù)據(jù)庫;然后點擊報表生成,LabVIEW程序調(diào)用已經(jīng)設(shè)計好的Word模板,并利用ReportGeneration函數(shù)將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)插入到模板中,同時通過LabVIEW中相應(yīng)函數(shù)可以對報表中的字體、顏色和格式等進(jìn)行修改,使外表更加的完善;當(dāng)確定報表滿足實驗要求且結(jié)果正確之后,就可以保存報表至指定的文件夾中,方便后續(xù)使用;報表生成完成之后,軟件自動清空數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù),以準(zhǔn)備下一次的報表生成。3測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計此實驗臺主要是為了測試測控系統(tǒng)的可靠性,主要試驗內(nèi)容為測試系統(tǒng)是否能夠達(dá)到期望的壓力值,同時采集流量值、壓力值以及溫度值并存儲到指定文件中,并且能夠進(jìn)行自動報表的生成。圖6為測控系統(tǒng)的軟件界面。首先進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置,然后給整個系統(tǒng)10MPa的期望壓力。經(jīng)過實際試驗,系統(tǒng)能夠得到期望的壓力值,并且采集儲存相關(guān)數(shù)據(jù),最后實時動態(tài)地生成報表。整個軟件操作方便實用,能夠達(dá)到