LabView RT在多任務(wù)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

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。而在LabViewRT系統(tǒng)中通過軟件總體結(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)。由此，本文設(shè)計(jì)了多任務(wù)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用在MMS100改進(jìn)后的多功能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)中，是一種快速模擬鋼廠熱連軋過程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。它可以用來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。

實(shí)驗(yàn)機(jī)原理及構(gòu)成
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，以上萬安培的電流通過試樣，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，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，由主機(jī)對(duì)所記錄的數(shù)據(jù)繪制工藝要求的曲線，如位移-力曲線、位移-應(yīng)力曲線、應(yīng)力-應(yīng)變曲線等。有些實(shí)驗(yàn)要求在真空狀態(tài)下進(jìn)行，即將試樣加熱室抽成真空，根據(jù)需要還可以充保護(hù)氣。防止試樣表面被氧化。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、氣水混合等以滿足不同的工藝需要。
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)的特殊要求來確定控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。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。而所有的實(shí)時(shí)控制任務(wù)、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)由PXI8156B完成。主機(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。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1示。

控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)任務(wù)
加熱控制系統(tǒng)
試樣加熱采用直接電阻加熱方法，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)；熱膨脹測量與補(bǔ)償；10ms控制周期。具體方法是通過在變壓器原側(cè)調(diào)節(jié)可控硅的觸發(fā)角，來改變變壓器副側(cè)試樣兩端電壓，從而改變流過試樣中電流大小，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)流過上萬安培的電流，周圍將產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，嚴(yán)重地影響溫度測量的精度。但通過NI公司的軟件和硬件提供的觸發(fā)采集功能，可以很好地解決這個(gè)問題。方法是通過一個(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℃~30℃的斷電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)斷電采集。通過一個(gè)整流橋可以將正弦交流電負(fù)半周變成正半周，使每個(gè)控制周期控制兩次，控制周期為10ms。
位移控制系統(tǒng)
主液壓缸的控制是通過控制高速伺服閥，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。
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，以及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?？刂品椒ㄊ抢肞XI6052E的高速計(jì)數(shù)器1 測量編碼器的脈沖，通過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，從而大幅度提高了變形程度和變形速率，實(shí)現(xiàn)了組合連續(xù)大變形的學(xué)術(shù)思想。
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，以滿足實(shí)驗(yàn)工藝?？刂品椒ㄊ菍⒘髁坑?jì)的檢測信號(hào)作為反饋，控制電磁球閥實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

硬件連接問題
接地問題
PXI總線的機(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。
E系列數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器濾波問題
NI網(wǎng)站的an084Quadrature Encoders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，消除由于噪聲和抖動(dòng)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量精度。

控制系統(tǒng)的軟件
軟件分為三個(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Windows 2000平臺(tái)下，利用Labview軟件；實(shí)時(shí)控制軟件是在Windows2000環(huán)境下利用LabviewRT編程，然后下載到嵌入式控制器中；邏輯控制軟件是利用Siemens公司的Step_MicroWin軟件編程。
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)及處理以及故障報(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。
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)閷?duì)于解決有順序控制問題來說，狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)是最有效的方法。它由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，從而使整個(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)來確定其執(zhí)行的周期大小。并通過RTFIFO將變形過程的數(shù)據(jù)記錄下來。當(dāng)變形結(jié)束時(shí)，即CPU時(shí)間寬裕時(shí)，將數(shù)據(jù)寫入磁盤。將數(shù)據(jù)從RTFIFO寫入文件的SubVI結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示?？刂茀?shù)的輸入是通過通訊的方式，由主機(jī)傳到實(shí)時(shí)控制器的。實(shí)驗(yàn)過程采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也是通過通訊從控制器傳到主機(jī)的，只是傳輸?shù)乃俾室鸵恍?/P>

結(jié)語
本設(shè)計(jì)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)得到了很好地協(xié)調(diào)和運(yùn)行?？刂凭群退俣韧耆珴M足設(shè)計(jì)要求，溫度控制的動(dòng)態(tài)最大偏差為