插装阀实验台测控系统的pid改进设计

插装阀实验台测控系统的pid改进设计

该实验台是一种能够测试插装阀的综合能的实验台。其结构由三部分组成：原油、电气和测量。实验台能够在同一实验台上利用计算机处理与分析数据,从而能够检测国家标准所规定的7种阀的33种性能,这33种性能可以分为8个类型:阀的开启、压力损失、稳态压力流量特性、耐压特性、动态响应特性、耐久性、力矩的调节以及泄漏。借助此实验台,通过相应阀的组合,可以进行任何国标所规定的插装阀的相关测试文中主要从软件方面对该测控系统的结构思想进行论述。此系统的测控系统主要能实现以下3个方面的功能:(1)可通过PID控制器调节输出信号,控制先导式比例溢流阀的开合量,实现对整个液压系统压力的控制;(2)能够采集系统中的压力、温度、流量等数据,并且计算机在分析和处理之后能够将数据保存起来;(3)具有自动生成报表的功能,利用LabVIEW同时结合微软的ACCESS数据库,可实现实时的动态报表生成。1基于液压论的装置和控制结构1.1比例溢流阀的作用整个实验台的液压结构部分主要包括变量泵、先导式比例溢流阀、液控换向阀、液控单向阀以及被测试阀。油液通过变量泵输出,然后经过电磁换向阀到达被测试阀处,先导式比例溢流阀的作用是根据输入的电流信号无极调节液压系统的压力大小。调节系统的压力,逐渐升高压力值,观察并记录数据,当值达到被实验的阀的临界最高压力值时,被试验的插装阀导通,油液通过液控单向阀及换向阀返回油箱。电磁换向阀的作用还包括改变油液进入被实验阀的入口位置,这样做的目的是可以从不同的油液流动方向对插装阀进行测试。液压系统的简化示意图如图1所示。1.2模拟量信号输出系统测控硬件系统可以实现数据的采集与显示,同时还能对采集到的数据进行分析处理,然后储存起来或者生成报表。现场中还有压力计和流量计的前端显示,操作人员可以现场检查查看其值来做出大概的判断与决策。整个系统还具备模拟量输出能力,借助模拟量的信号输出来控制相应的被控对象。实验台电气结构框图如图2所示。该系统的核心是一台工控机,工控机通过PCI总线与研华PCI1710多功能数据采集卡连接,同时工控机连接有显示器、打印机等辅助设备。系统中的2个压力表、3个流量计和1个温度计,所反馈的信号是一种电流信号,其值为4~20mA,采集卡的信号输入端为电压信号,范围是0~5V,所以必须通过相应的电流电压信号转换模块将电流信号转换为电压信号。系统的控制为压力控制,电磁比例阀的开闭程度可以调节整个液压系统的压力,其控制方式为100~800mA的电流信号控制,此处所用的放大器的作用是将采集卡的电压信号转换为电流信号后放大,转换放大后的信号才能直接控制比例阀,从而实现对整个系统压力的控制。2插装阀的运行流程在实验的过程中,需要灵活地给系统指令,并不定时地记录数据、保存数据以及生成报表。所以整个测控系统功能的实现主要由3个部分组成:压力控制、数据采集以及报表的自动生成。整个程序的运行流程为:当打开程序之后,通过系统压力控制模块给系统一个压力值,此值可改变,在操作者期望的压力下就可测试插装阀的性能。通过数据采集模块采集数据至Excel或数据库,是否采集数据、数据储存位置都可以通过用户界面选择。同时可以选择的还有是否进行报表生成,当确定报表生成后,报表生成模块会完成生成报表的任务。具体结构情况用下面几部分详细说明。2.1插装阀模型的建立PID控制是工业过程控制中用得最多的一种传统算法。对于常规的PID算法,PID中积分部分的作用是消除余差,使得对被控对象的控制更加精确,但是由于有比较大的余差会在系统输出的开始产生,导致PID运算积分的积累使系统产生较大的超调,降低了系统的稳定性。插装阀实验台的作用是测试插装阀在设定压力条件下的各种性能,所以要保证系统的稳定性,因此选择一种改进算法积分分离PID作为此测控系统的压力控制算法,能有效提高系统稳定性。其基本思想是:系统输出误差较大时,废除积分部分,使系统能够平稳;余差小时,加入积分部分,使得控制更加精准。其算法如下:其中:ε为人为设定的阀值;β为积分项控制系数;T为采样时间。根据上述原理,可以得到如图3所示实验台测控系统中压力控制算法程序流程图,将积分分离PID在LabVIEW中封装为子程序,此子程序可在需要时由外部程序直接调用。2.2通道索引后的显示数据采集部分包括对压力流量的实时采集、采集值的动态显示及存储。此实验台要采集的数据包括2路压力信号、3路流量信号以及1路温度信号,所使用的采集卡为PCI-1710型多功能数据采集卡。PCI-1710具有自带的LabVIEW驱动程序,通过LabVIEW中相应的采集函数和采集模块,可以非常方便地通过其通道索引等信息采集到各通道信号,并且可以在前面板的波形显示控件中直观地显示出来,同时能将采集到的数据储存在Excel文件中。关于系统的采集值的采集过程如图4所示。首先,通过DeviceOpen函数打开采集设备并利用MuiltiChannelINTSetup子程序进行多通道模拟量输入的参数设置;其次,利用EnableEvent函数开始数据采集,然后判断采集到的数据是否为有效数据,当为有效数据时再进行下一步的操作;第三,通过BufferChangeHandler子程序开辟一个缓冲区以缓存数据。在这里进入缓存区的数据有3种用途:(1)直接以波形的形式显示在前面板的显示控件上;(2)利用LabVIEW相关函数将数据写入到指定Excel文件中;(3)存储于数据库以应用于后续过程中实时动态报表的生成。最后,当采集系统接收到退出命令后,会通过FAIStop函数停止数据采集并用DevieceClose子程序关闭采集设备。2.3对数据库的访问方式为了实现动态实时的报表生成功能,此实验台采用的是结合数据库的方式完成的。由于MicrosoftAccess非常适用于中小型信息管理系统,所以选择MicrosoftAccess数据库。数据库建立之后LabVIEW需与数据库进行通信,有两种方式可以实现:(1)利用DSN连接数据库;(2)利用UDL连接数据库,两种方式都能较好较方便地进行连接,文中选择的是利用DSN连接数据库。与数据库的连接完成之后需要对数据库进行访问,以对其中数据进行删除、添加以及查询等操作。LabVIEW对数据库的访问方式也有多种:采用LabVIEW的ActiveX功能;编写相应DLL程序,使用LabVIEW所带DLL接口访问;利用LabVIEW自带的工具包实现对数据库的访问。由于LabVIEW数据库工具包功能齐全,操作简单,所以文中采用LabVIEW自带工具包的方式。当软件可以对数据库进行各种操作之后就可以利用数据库进行其他的操作,比如报表生成。LabVIEW报表的生成方式也有几种:如通过DDE生成、通过ActiveX生成、利用NI提供的MSOfficeReport报表工具包以及利用ReportGeneration函数生成报表等。文中采用的是ReportGeneration函数生成报表,通过这条路径生成报表操作简单,且无需购买。首先定义一个Word模板,在需要插入数据或图标的地方插入书签,然后再在LabVIEW程序中利用相关函数操作,即可实现相应数据插入模板或图表中,生成所需要的报表。Access数据库与LabVIEW相结合的报表生成过程如图5所示。从图5可看出:当打开采集设备,选择存入数据库之后,数据开始通过缓存区存入数据库,同时也可选择停止存入数据库;然后点击报表生成,LabVIEW程序调用已经设计好的Word模板,并利用ReportGeneration函数将数据库中的数据插入到模板中,同时通过LabVIEW中相应函数可以对报表中的字体、颜色和格式等进行修改,使外表更加的完善;当确定报表满足实验要求且结果正确之后,就可以保存报表至指定的文件夹中,方便后续使用;报表生成完成之后,软件自动清空数据库数据,以准备下一次的报表生成。3测控系统的软件设计此实验台主要是为了测试测控系统的可靠性,主要试验内容为测试系统是否能够达到期望的压力值,同时采集流量值、压力值以及温度值并存储到指定文件中,并且能够进行自动报表的生成。图6为测控系统的软件界面。首先进行相关参数的设置,然后给整个系统10MPa的期望压力。经过实际试验,系统能够得到期望的压力值,并且采集储存相关数据,最后实时动态地生成报表。整个软件操作方便实用,能够达到