LabView RT在多任務(wù)控制系統中的應用

在控制系統中，既要完成高速閉環(huán)控制，又要實(shí)現大量數據的高速采集和存儲，是比較困難的事。而在LabViewRT系統中通過(guò)軟件總體結構的合理布局，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，本文設計了多任務(wù)實(shí)時(shí)控制系統。該系統應用在MMS100改進(jìn)后的多功能材料實(shí)驗機中，是一種快速模擬鋼廠(chǎng)熱連軋過(guò)程的實(shí)驗設備。它可以用來(lái)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(guān)組織結構及組織性能的變化規律。

實(shí)驗機原理及構成
本實(shí)驗機的工作原理是將試樣安裝在兩個(gè)夾頭之間，以上萬(wàn)安培的電流通過(guò)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，從而達到控溫的目的。根據不同的實(shí)驗要求，當試樣被加熱到規定的溫度時(shí)，通過(guò)控制液壓缸，推動(dòng)錘頭高速打擊(壓縮實(shí)驗)或拉伸(拉伸實(shí)驗)或扭轉(扭轉實(shí)驗)，使試樣發(fā)生形變，同時(shí)要記錄并存儲試樣在發(fā)生形變過(guò)程中的所有參數，如液壓缸位移、橫向位移、縱向位移、力、扭矩等。實(shí)驗結束后，由主機對所記錄的數據繪制工藝要求的曲線(xiàn)，如位移-力曲線(xiàn)、位移-應力曲線(xiàn)、應力-應變曲線(xiàn)等。有些實(shí)驗要求在真空狀態(tài)下進(jìn)行，即將試樣加熱室抽成真空，根據需要還可以充保護氣。防止試樣表面被氧化。淬火實(shí)驗要求試樣溫度達到某一值時(shí)進(jìn)行淬水、淬氣、氣水混合等以滿(mǎn)足不同的工藝需要。
控制系統的構成
根據工藝對控制系統動(dòng)態(tài)響應速度、精度等技術(shù)指標的特殊要求來(lái)確定控制系統的硬件結構。為了提高控制精度和速度，而將邏輯控制從PXI系統中分離出去，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)、數據采集及數據存儲由PXI8156B完成。主機主要完成編程器、人機交互界面、數據分析及處理等功能。該控制系統結構如圖1示。

控制系統的實(shí)時(shí)任務(wù)
加熱控制系統
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；快速響應加熱；瞬間斷電采集數據；熱膨脹測量與補償；10ms控制周期。具體方法是通過(guò)在變壓器原側調節可控硅的觸發(fā)角，來(lái)改變變壓器副側試樣兩端電壓，從而改變流過(guò)試樣中電流大小，實(shí)現控溫的目的。這種加熱方法優(yōu)點(diǎn)是可以降低試樣內部的熱梯度，防止集膚效應，獲得更好的等溫區。其缺點(diǎn)是由于熱電偶是直接焊在試樣上的，當加熱時(shí)試樣內流過(guò)上萬(wàn)安培的電流，周?chē)鷮a(chǎn)生強大的磁場(chǎng)，嚴重地影響溫度測量的精度。但通過(guò)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(wèn)題。方法是通過(guò)一個(gè)小的同步變壓器獲得變壓器原側的電壓相位，根據這個(gè)電壓信號的峰值可以計算出觸發(fā)采集電壓與觸發(fā)角的關(guān)系。通過(guò)限制觸發(fā)電壓值和適當選擇觸發(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)現斷電采集。通過(guò)一個(gè)整流橋可以將正弦交流電負半周變成正半周，使每個(gè)控制周期控制兩次，控制周期為10ms。
位移控制系統
主液壓缸的控制是通過(guò)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，這個(gè)閉環(huán)作為內環(huán)。而軟件PID將位移傳感器的實(shí)際位置作為反饋信號，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。
扭轉控制系統
扭轉控制的作用是扭轉實(shí)驗時(shí)完成高速扭轉閉環(huán)控制，以及在多道次壓縮或拉伸實(shí)驗時(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的高速計數器1 測量編碼器的脈沖，通過(guò)控制高速伺服閥控制液壓馬達，完成扭轉控制。扭轉實(shí)驗適應超級鋼、軍用鋼等高性能鋼種開(kāi)發(fā)研究的需要，將剪切變形與壓縮變形復合，從而大幅度提高了變形程度和變形速率，實(shí)現了組合連續大變形的學(xué)術(shù)思想。
流量控制系統
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)驗工藝，要求對淬火的水流量進(jìn)行相應的控制，以滿(mǎn)足實(shí)驗工藝?？刂品椒ㄊ菍⒘髁坑嫷臋z測信號作為反饋，控制電磁球閥實(shí)現閉環(huán)控制。

硬件連接問(wèn)題
接地問(wèn)題
PXI總線(xiàn)的機箱，其機殼地與AIGND和DGND是相通的，這一點(diǎn)與其他控制系統中有所區別。為了減少控制系統的干擾，系統接地非常重要。為此將數據線(xiàn)的屏蔽層單獨接地，將二次儀表的電源地與機殼地一起單獨接地。另外，二次儀表電源的輸入端通過(guò)一個(gè)UPS使其與電網(wǎng)進(jìn)行隔離，進(jìn)一步減小了系統干擾。
E系列數據采集卡的計數器濾波問(wèn)題
NI網(wǎng)站的an084Quadrature Encoders中詳細地闡述了利用LS7084芯片和電阻、電容構成一個(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。

控制系統的軟件
軟件分為三個(gè)部分，即上位機的人機界面軟件、實(shí)時(shí)控制軟件和邏輯控制軟件。
上位機軟件是在Windows 2000平臺下，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
上位機軟件的功能是工藝參數輸入、數據顯示、數據的存儲及處理以及故障報警顯示等；實(shí)時(shí)控制軟件的功能是完成溫度、位移、扭轉、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、電節點(diǎn)、報警器等。
軟件的結構
上位機和實(shí)時(shí)控制機軟件的總體結構均選用了LabVIEW提供的狀態(tài)機結構，因為對于解決有順序控制問(wèn)題來(lái)說(shuō)，狀態(tài)機結構是最有效的方法。它由While Loop內部的一個(gè)Case結構和位移寄存器中所攜帶的Case選擇器組成。這種Case結構的每個(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(hù)執行任意數量的執行操作，每一個(gè)操作都可以調用一個(gè)子程序，從而使整個(gè)程序的運行效率非常高。
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)數據記錄。其中幾個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)之間的結構While Loop加sequence結構，根據每個(gè)任務(wù)的控制周期的不同，利用i取余數來(lái)確定其執行的周期大小。并通過(guò)RTFIFO將變形過(guò)程的數據記錄下來(lái)。當變形結束時(shí)，即CPU時(shí)間寬裕時(shí)，將數據寫(xiě)入磁盤(pán)。將數據從RTFIFO寫(xiě)入文件的SubVI結構示意圖如圖2所示?？刂茀档妮斎胧峭ㄟ^(guò)通訊的方式，由主機傳到實(shí)時(shí)控制器的。實(shí)驗過(guò)程采集的實(shí)時(shí)數據也是通過(guò)通訊從控制器傳到主機的，只是傳輸的速率要低一些。

結語(yǔ)
本設計由于采用了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)調和運行?？刂凭群退俣韧耆珴M(mǎn)足設計要求，溫度控制的動(dòng)態(tài)最大偏差為