基于LabVIEW RT的多实时任务控制系统

　　在冶金行业中,多功能材料试验机被广泛应用于热加工过程,包括轧制、锻造、焊接、铸造等工艺过程的物理模拟研究,在金属材料加工的科研和生产中具有重要的地位。通过试验对钢材的微观组织性能进行研究,以便开发出超级钢、军用钢等特殊的钢材。以往这种试验机都是进口,而且价格昂贵,因为这种试验机对控制系统要求非常苛刻,即有多个周期为2 ms或10 ms的PID控制闭环,同时在完成高速PID闭环控制的过程中,大量的数据需要记录和存储,以便试验后分析处理。此外还有复杂的逻辑控制,因此必须选用一种既能高速、高精度PID控制,又能高速、大量数据采集的软件和硬件,因此笔者选用了NI公司的软件和硬件作为模拟量控制,利用西门子公司的S7-200作为逻辑控制,本系统在精度和速度上完全能达到上述要求。

　　1　控制系统结构

　　根据对被控对象的控制精度、速度、点数等要求来确定控制系统的硬件结构,HostPC机主要完成编程器、人机交互界面、数据分析及处理等功能,PXI-8156B通过PXI4472和PXI6052E完成数据采集和PID控制,利用S7-200PLC实现逻辑控制,PXI-8156B通过串口与PLC通信。该控制系统结构如图1示。

　　该系统的工艺原理是:试样被快速升温→保温→变形→降温→淬火等,在整个过程中要记录下所有变化量,以便进一步分析研究。为了完成上述功能,控制系统利用两块PXI6052E分别做温度控制、位移控制和扭转闭环控制。温度控制的方法是采用直接电阻加热,试样两端夹头水冷的方式,即将热电偶丝直接焊接到试样的轴向中心位置,将10 kA(低电压10 V左右)左右的电流通过试样,使其快速升温。这样做的优点是测量温度较准确地反映了试样温度的变化情况,缺点是测温时,电磁干扰太大,因此利用同步变压器监测变压器原边电压的变化,在主回路断电瞬间进行温度采集,进而进行温度控制。为了降低可控硅的容量而采取变压器原边调节可控硅的方法。位移控制是采用进口高精度的LVDT位移传感器,通过控制超高响应伺服阀的开度,使液压缸推动锤头高速打击试样,使其产生形变,利用NI4472记录下变形过程中试样的横向应变、纵向应变、变形过程的温度,力,扭矩等参数,以便分析材料的微观结构和组织性能。扭转控制是利用PXI6052E板上的24位计数器对增量编码器的脉冲计数,再利用LS7084芯片及电阻、电容构成防抖动滤波电路,可以得到4分频的脉冲信号,以此信号作为扭转控制的反馈信号,极大地提高了控制精度。另外由于逻辑关系较复杂,为了节省CPU时间而选用S7-200PLC用于逻辑控制,即226CPU及128点DIO模块,控制加热变压器、液压油泵、冷却油泵、真空泵、液压系统回路电磁阀、真空系统阀、淬火系统阀、气泵、保护电磁阀、电控气动阀、面板按钮及指示灯、报警器等。控制算法为积分分离式PID,主要利用LabVIEW RT提供的PID算法软件包中控件,同时引入逻辑判断功能来限制积分项起作用,这样不仅可以减少超调量,还可以取得积分校正的预期效果。