基于LabVIEW与PLC通信的电液伺服振动台PDF控制
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鄢华林，祁圣民，张鹏，李亚南
（ 江苏科技大学，江苏镇江 212003 ）
摘要： 利用 ActiveX 技术使 PLC 与 LabVIEW 通信，并将其作为电液伺服振动台的控制器 。建立液压伺服振动台的数学 ， 模型 利用 PDF 算法对电液伺服振动台进行位置控制 ， 通过得出的试验曲线可以明显看出 PDF 控制在液压伺服中的优越 性。 关键词： LabVIEW； PLC； 通信； 电液振动台； PDF 控制 中图分类号： TH137 文献标识码： B 文章编号： 1001 － 3881 （ 2014 ） 20 － 108 － 3
Abstract： ActiveX technology was used to make PLC communicate with LabVIEW，and it was used as the control of an electrohydraulic servo vibration table． The mathematical model of the hydraulic servo vibration table was established，the PDF algorithm was used to realize position control to electrohydraulic servo vibration table． Through the test curve，the advantages of PDF control in hydraulic servo is shown ． Keywords： LabVIEW； PLC； Communication； Electrohydraulic servo vibration table； PDF control
图2
微分反馈控制方框图
图3
伪微分反馈控制方框图
图5
LabVIEW “调用节点” 工作原理图
· 110·
机床与液压
第 42 卷
如图 6 所示为 LabVIEW 程序 ， 液压伺服振动台 需要 正 弦 激 励 ， 此 系 统 使 用 “Create Analog Signal ” VI 来产生正弦信号 ， 将信号换算成对应的位移值后
令的关键位置采用指令冗余技术 ，能够使系统错误动 作减少 。而当 “乱飞 ” 程序进入到未使用的空间时 ， 冗余指令便无法使程序纳入正轨 ，此时 ，设定软件陷 阱，有效拦截 “乱飞 ” 程序 ， 并将其引导到一 个指 ［8 ］ 定位置 。
5
结论
图3
铲斗角度控制流程图
以液压式挖掘机为研究对象 ，以简化液压式挖掘 机的操作为目的 ，对系统的组成进行了分析 ，完成了 系统的硬件和软件设计 。该操作系统综合应用了液压 技术 、传感器技术以及计算机技术 ，简化了液压控制 机构 ，对减轻驾驶员劳动强度有积极的作用 ； 提高了 作业效率 ，也在一定程度上减少了驾驶员操作技术差 异导致的不良影响 ，为简化液压式挖掘机的操作提供 了一种新的可能性 。
另外 ，由于挖掘机工作环境恶劣 ，受外界干扰较 多 ，比如振动 、噪声 、温度和湿度变化等 ，这些因素 会导致采集到的数据的精度和可靠度得不到保证 ，所 以为该系统设计了辅助程序滤波模块 ，主要采用了程 序判断滤波 、 去极值平均滤波和一阶惯性滤波的方 式。
电液伺服振动台是一种重要的实验设备 ，它广泛 应用于航天 、汽车 、建筑等许多重要工业领域 。将实 验对象固定在实验台上 ， 通过模拟试件受载时的情 况 ，来研究载荷对试件的影响 、分析试件的可靠性或 者研究减震系统的性能 。控制器作为电液伺服振动台 的控制核心显得非常重要 。 通过利用 ActiveX 技术使 PLC 与 LabVIEW 通 信 来 实 现 对 电 液 伺 服 台 的 控 制 ， 该控制系统的控制方式为 PDF 控制 ， 通过得出的试 验曲线，可突出 PDF 控制方式在液压伺服振动台应 用中的优越性 。
参考文献：
［ 1］ 韩军， 常瑞丽． 基于工控机和 PLC 的过程装备控制实验 J］ ． 机床与液压， 2011 ， 39 （ 6 ） ： 98 － 100． 系统开发［
（ 下转第 119 页）
第 20 期
王鹏飞 等： 液压式挖掘机单杆操作系统的设计
· 119·
数据计算 ： 计算角度和控制中间值 ， 并对数据 进行软件滤波处理 。 主程序完成全局变量的初始化后 ，连接子程序以 保证控制系统正常运行 。铲斗角度控制程序和动臂控 制程序分别完成相应的任务 。铲斗角度控制流程如图 3 所示 。
图8
实验效果图
3
实验与总结
Biblioteka Baidu
从该伺服控制系统的输出微分方程可以看出 ，微 分方程右边只有一个强迫项 ，被控变量对参考输入具 有很好的跟 踪 能 力 ； 因 为 微 分 运 算 会 带 来 “噪 声 ” 问题，工程上应尽量避免对信号进行微分 。该电液伺 服振动台控制系统在前向通道中虽然没有对被控变量 液压缸的位移取微分 ，但在反馈回路中已实现对位移 的微分运算 。也就是说在控制过程中不仅实现了直线 位移反馈 ，也实现了线速度反馈 ，因而伺服控制性能
2014 年 10 月 第 42 卷 第 20 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDＲAULICS
Oct. 2014 Vol. 42 No. 20
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2014. 20. 033
基于 LabVIEW 与 PLC 通信的电液伺服振动台 PDF 控制
图1
系统工作流程图
收稿日期： 2013 － 08 － 24 作者简介： 鄢华林 （ 1957 —） ，男，研究员，硕士生导师， 研究方向为电液伺服控制 、 海洋装备。 E － mail： 1076327159 @ qq. com。
第 20 期
鄢华林 等： 基于 LabVIEW 与 PLC 通信的电液伺服振动台 PDF 控制
从图 2 中可看出对输出信号 C 微分经过积分环节 之后仍是 C ，这就说明没有必要对输出信号 C 进行微 分，可更改图 2 为图 3 。
2
控制系统实现方法
用 PLC 编写 PDF 程序的原理与数字 PID 的原理相
k
积分 似，积分实际上是偏差累积的过程即 k i ∑ E （ j） ，
j =0
原理图如图 4 所示 。
PDF Control of Eectrohydraulic Servo Vibration Table Based on Communication between LabVIEW and PLC
YAN Hualin，QI Shengmin，ZHANG Peng，LI Yanan （ Jiangsu University of Science and Technology ，Zhenjiang Jiangsu 212003 ，China）
· 109·
1. 2
电液伺服振动台 PDF 控制原理
负载流量线性化方程 ： （ 1） qL = Kq xV － Kc pL 式中： q L 为负载流量 ； K q 为流量增益 ； x V 为滑阀位 移 ； K c 为流量压力系数 ； p L 为负载压力 。 流量连续性方程 ： dx P V t dp L + C tP p L + （ 2） qL = AP dt 4 βe dt 式中： A P 为液压 缸 活 塞 有 效 面 积 ； x P 为 活 塞 位 移 ； C tP 为液压缸总泄漏系数 ； V t 为总压缩体积 ； βe 为有 效体积弹性模量 。 忽略阀腔和管道总容积和油液的压缩性 ， 将式 （ 2 ） 简化为 ： dx P （ 3） + C tP p L qL = AP dt 液压缸活塞的动力学平衡方程 ： d2 x P dx P （ 4） + FL F = AP pL = mt 2 + BP dt dt 式中： m t 为活塞及负载折算到活塞上的总质量 ； B P 为活塞及负载的黏性阻尼系数 ； F L 为作用在活塞上 的任意外负载力 。 缸输出位移对伺服阀输入电信号的传递函数 ： A P K q K SV X P （ s） = 2 E（ s） （ K c + C tP ） m t s + （ A2 P + K c B P + C tP B P ） s （ 5） 所以 ： 1 （ 6） as2 + bs A2 （ K c + C tP ） m t P + K c B P + C tP B P ；b = 。 式中 ： a = A P K q K SV A P K q K SV 由式 （ 6 ） 可知此系统为二阶系统 ， 系统框图如 图 2 所示 。 G（ s） =
定值信号 ， 经过编写的 PLC 程序进行逻辑运算 ， 将 处理后的数据送给 D / A 模块 ， 经过功率放大器后将 信号传输给伺服阀来控制液压缸动作 ，液压缸的实际 位置由编码器采集并将数据反馈给 PLC 。
1 控制系统原理简介 1. 1 控制系统的构成
该试验台为一维单缸电液伺服振动台 ，主要是实 现对液压缸的位置控制 ，如图 1 所示是该系统的工作 流程图。 该系 统 主 要 由 PC、 编 码 器 、 PLC、 D / A 模 块 、 功率放大器 、 伺服阀 、 液压缸等组成 。 使用 ActiveX 技术保证 LabVIEW 与 PLC 进行正常通信 ， 将 PC 中 的 LabVIEW 作为参考量输入元件即指令元件 ， 编码 器作为测量反馈元件 ， PLC 作为控制器即比较元件 ， D / A 模块为数模转换装置 。 该控制系统将 LabVIEW 作为上位机与 PLC 进行通信 ， 从 LabVIEW 中输入设
把值传给 对 应 的 寄 存 器 中 。 LabVIEW 前 面 板 如 图 7 所示 。
图6
LabVIEW 程序
明显提高 。实验测得曲线如图 8 所示 。
图7
LabVIEW 前面板
通过指示灯的闪烁来判断 LabVIEW 与 PLC 是否 通信成功 ，双击 “Create Analog Signal ” VI 设定好振 幅与频率后 ， 将程序切换到前面板 ， 将 PLC 切换到 “run ” ，点击 LabVIEW 前 面 板 上 的 “按 钮 ” 便 可 进 行系统的实时监控 。
图4
PLC 积分编程原理
编程之前先用区间复位指令对 D0 与 D5 两个寄 存器进行复位操作 ，随后将偏差值付给 D0 ，再将 D0 与 D5 相加 ，加完后的值再赋给 D5 ， 并用 D5 的当前 值与更新的偏差值相加 ， 这样便实现了偏差的累积 。 C（ k ） － C （ k － 1 ） ］ ， 即是一个逐 微分实际上是 k d2 × ［ 步相减的过程 。原理与积分相类似 ， 这里不再赘述 。 根据此原理编写好 PLC 程序后再编写 LabVIEW 程序 ， 实现 LabVIEW 与 PLC 通信 ， 该控制系统在通信时借 助于 ActiveX 技术 ， 使用 LabVIEW 中的 ActiveX 容器 调用与 PLC 通信的 MX component 插件来实现两者之 间的通信 。利用 LabVIEW 中的 “调用节点 ” 可以实 现对 PLC 中的寄存器进行赋值 ， 同样也可以用 “调 用节点 ” 对 PLC 中的输入继电器进行置位 。 该系统 通信时 ，主要是为了能够将值通过 LabVIEW 输入到 对应的寄存器中 ，并且能够将处理后的值读出来并将 其以图表的形式反映在 LabVIEW 前面板上 ， 方便用 户实 时 观 察 被 控 对 象 的 运 动 情 况 。 此 外 ， 设 置 在 LabVIEW 前面板上的布尔控件能够对 PLC 中的继电 器实现控制 ，以保证程序的正常运转 。LabVIEW “调 用节点 ” 工作原理图如图 5 所示。
该控制系统使用的是工业领域常用的 PC + PLC 控制模 式 ， 它 以 PLC 为 核 心 控 制 器 ， 由 PC 完 成 对 PLC 上传数据的显示 、保存 、报警等任务 ， 并能更改 数据来控制 PLC ，既利用了 PLC 控制精度好 、可靠性 高、抗干扰能力强的优点 ， 又充分使用了 PC 强大的 数据处理能力与良好的可视化界面 。此系统适用于低 频液压系统 ，具有控制方便 、可靠 、开放的特点 。 该 系统已经在实验中得到应用 ，性能可靠 。
（ 江苏科技大学，江苏镇江 212003 ）
摘要： 利用 ActiveX 技术使 PLC 与 LabVIEW 通信，并将其作为电液伺服振动台的控制器 。建立液压伺服振动台的数学 ， 模型 利用 PDF 算法对电液伺服振动台进行位置控制 ， 通过得出的试验曲线可以明显看出 PDF 控制在液压伺服中的优越 性。 关键词： LabVIEW； PLC； 通信； 电液振动台； PDF 控制 中图分类号： TH137 文献标识码： B 文章编号： 1001 － 3881 （ 2014 ） 20 － 108 － 3
Abstract： ActiveX technology was used to make PLC communicate with LabVIEW，and it was used as the control of an electrohydraulic servo vibration table． The mathematical model of the hydraulic servo vibration table was established，the PDF algorithm was used to realize position control to electrohydraulic servo vibration table． Through the test curve，the advantages of PDF control in hydraulic servo is shown ． Keywords： LabVIEW； PLC； Communication； Electrohydraulic servo vibration table； PDF control
图2
微分反馈控制方框图
图3
伪微分反馈控制方框图
图5
LabVIEW “调用节点” 工作原理图
· 110·
机床与液压
第 42 卷
如图 6 所示为 LabVIEW 程序 ， 液压伺服振动台 需要 正 弦 激 励 ， 此 系 统 使 用 “Create Analog Signal ” VI 来产生正弦信号 ， 将信号换算成对应的位移值后
令的关键位置采用指令冗余技术 ，能够使系统错误动 作减少 。而当 “乱飞 ” 程序进入到未使用的空间时 ， 冗余指令便无法使程序纳入正轨 ，此时 ，设定软件陷 阱，有效拦截 “乱飞 ” 程序 ， 并将其引导到一 个指 ［8 ］ 定位置 。
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结论
图3
铲斗角度控制流程图
以液压式挖掘机为研究对象 ，以简化液压式挖掘 机的操作为目的 ，对系统的组成进行了分析 ，完成了 系统的硬件和软件设计 。该操作系统综合应用了液压 技术 、传感器技术以及计算机技术 ，简化了液压控制 机构 ，对减轻驾驶员劳动强度有积极的作用 ； 提高了 作业效率 ，也在一定程度上减少了驾驶员操作技术差 异导致的不良影响 ，为简化液压式挖掘机的操作提供 了一种新的可能性 。
另外 ，由于挖掘机工作环境恶劣 ，受外界干扰较 多 ，比如振动 、噪声 、温度和湿度变化等 ，这些因素 会导致采集到的数据的精度和可靠度得不到保证 ，所 以为该系统设计了辅助程序滤波模块 ，主要采用了程 序判断滤波 、 去极值平均滤波和一阶惯性滤波的方 式。
电液伺服振动台是一种重要的实验设备 ，它广泛 应用于航天 、汽车 、建筑等许多重要工业领域 。将实 验对象固定在实验台上 ， 通过模拟试件受载时的情 况 ，来研究载荷对试件的影响 、分析试件的可靠性或 者研究减震系统的性能 。控制器作为电液伺服振动台 的控制核心显得非常重要 。 通过利用 ActiveX 技术使 PLC 与 LabVIEW 通 信 来 实 现 对 电 液 伺 服 台 的 控 制 ， 该控制系统的控制方式为 PDF 控制 ， 通过得出的试 验曲线，可突出 PDF 控制方式在液压伺服振动台应 用中的优越性 。
参考文献：
［ 1］ 韩军， 常瑞丽． 基于工控机和 PLC 的过程装备控制实验 J］ ． 机床与液压， 2011 ， 39 （ 6 ） ： 98 － 100． 系统开发［
（ 下转第 119 页）
第 20 期
王鹏飞 等： 液压式挖掘机单杆操作系统的设计
· 119·
数据计算 ： 计算角度和控制中间值 ， 并对数据 进行软件滤波处理 。 主程序完成全局变量的初始化后 ，连接子程序以 保证控制系统正常运行 。铲斗角度控制程序和动臂控 制程序分别完成相应的任务 。铲斗角度控制流程如图 3 所示 。
图8
实验效果图
3
实验与总结
Biblioteka Baidu
从该伺服控制系统的输出微分方程可以看出 ，微 分方程右边只有一个强迫项 ，被控变量对参考输入具 有很好的跟 踪 能 力 ； 因 为 微 分 运 算 会 带 来 “噪 声 ” 问题，工程上应尽量避免对信号进行微分 。该电液伺 服振动台控制系统在前向通道中虽然没有对被控变量 液压缸的位移取微分 ，但在反馈回路中已实现对位移 的微分运算 。也就是说在控制过程中不仅实现了直线 位移反馈 ，也实现了线速度反馈 ，因而伺服控制性能
2014 年 10 月 第 42 卷 第 20 期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆ HYDＲAULICS
Oct. 2014 Vol. 42 No. 20
DOI： 10． 3969 / j. issn. 1001 － 3881. 2014. 20. 033
基于 LabVIEW 与 PLC 通信的电液伺服振动台 PDF 控制
图1
系统工作流程图
收稿日期： 2013 － 08 － 24 作者简介： 鄢华林 （ 1957 —） ，男，研究员，硕士生导师， 研究方向为电液伺服控制 、 海洋装备。 E － mail： 1076327159 @ qq. com。
第 20 期
鄢华林 等： 基于 LabVIEW 与 PLC 通信的电液伺服振动台 PDF 控制
从图 2 中可看出对输出信号 C 微分经过积分环节 之后仍是 C ，这就说明没有必要对输出信号 C 进行微 分，可更改图 2 为图 3 。
2
控制系统实现方法
用 PLC 编写 PDF 程序的原理与数字 PID 的原理相
k
积分 似，积分实际上是偏差累积的过程即 k i ∑ E （ j） ，
j =0
原理图如图 4 所示 。
PDF Control of Eectrohydraulic Servo Vibration Table Based on Communication between LabVIEW and PLC
YAN Hualin，QI Shengmin，ZHANG Peng，LI Yanan （ Jiangsu University of Science and Technology ，Zhenjiang Jiangsu 212003 ，China）
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电液伺服振动台 PDF 控制原理
负载流量线性化方程 ： （ 1） qL = Kq xV － Kc pL 式中： q L 为负载流量 ； K q 为流量增益 ； x V 为滑阀位 移 ； K c 为流量压力系数 ； p L 为负载压力 。 流量连续性方程 ： dx P V t dp L + C tP p L + （ 2） qL = AP dt 4 βe dt 式中： A P 为液压 缸 活 塞 有 效 面 积 ； x P 为 活 塞 位 移 ； C tP 为液压缸总泄漏系数 ； V t 为总压缩体积 ； βe 为有 效体积弹性模量 。 忽略阀腔和管道总容积和油液的压缩性 ， 将式 （ 2 ） 简化为 ： dx P （ 3） + C tP p L qL = AP dt 液压缸活塞的动力学平衡方程 ： d2 x P dx P （ 4） + FL F = AP pL = mt 2 + BP dt dt 式中： m t 为活塞及负载折算到活塞上的总质量 ； B P 为活塞及负载的黏性阻尼系数 ； F L 为作用在活塞上 的任意外负载力 。 缸输出位移对伺服阀输入电信号的传递函数 ： A P K q K SV X P （ s） = 2 E（ s） （ K c + C tP ） m t s + （ A2 P + K c B P + C tP B P ） s （ 5） 所以 ： 1 （ 6） as2 + bs A2 （ K c + C tP ） m t P + K c B P + C tP B P ；b = 。 式中 ： a = A P K q K SV A P K q K SV 由式 （ 6 ） 可知此系统为二阶系统 ， 系统框图如 图 2 所示 。 G（ s） =
定值信号 ， 经过编写的 PLC 程序进行逻辑运算 ， 将 处理后的数据送给 D / A 模块 ， 经过功率放大器后将 信号传输给伺服阀来控制液压缸动作 ，液压缸的实际 位置由编码器采集并将数据反馈给 PLC 。
1 控制系统原理简介 1. 1 控制系统的构成
该试验台为一维单缸电液伺服振动台 ，主要是实 现对液压缸的位置控制 ，如图 1 所示是该系统的工作 流程图。 该系 统 主 要 由 PC、 编 码 器 、 PLC、 D / A 模 块 、 功率放大器 、 伺服阀 、 液压缸等组成 。 使用 ActiveX 技术保证 LabVIEW 与 PLC 进行正常通信 ， 将 PC 中 的 LabVIEW 作为参考量输入元件即指令元件 ， 编码 器作为测量反馈元件 ， PLC 作为控制器即比较元件 ， D / A 模块为数模转换装置 。 该控制系统将 LabVIEW 作为上位机与 PLC 进行通信 ， 从 LabVIEW 中输入设
把值传给 对 应 的 寄 存 器 中 。 LabVIEW 前 面 板 如 图 7 所示 。
图6
LabVIEW 程序
明显提高 。实验测得曲线如图 8 所示 。
图7
LabVIEW 前面板
通过指示灯的闪烁来判断 LabVIEW 与 PLC 是否 通信成功 ，双击 “Create Analog Signal ” VI 设定好振 幅与频率后 ， 将程序切换到前面板 ， 将 PLC 切换到 “run ” ，点击 LabVIEW 前 面 板 上 的 “按 钮 ” 便 可 进 行系统的实时监控 。
图4
PLC 积分编程原理
编程之前先用区间复位指令对 D0 与 D5 两个寄 存器进行复位操作 ，随后将偏差值付给 D0 ，再将 D0 与 D5 相加 ，加完后的值再赋给 D5 ， 并用 D5 的当前 值与更新的偏差值相加 ， 这样便实现了偏差的累积 。 C（ k ） － C （ k － 1 ） ］ ， 即是一个逐 微分实际上是 k d2 × ［ 步相减的过程 。原理与积分相类似 ， 这里不再赘述 。 根据此原理编写好 PLC 程序后再编写 LabVIEW 程序 ， 实现 LabVIEW 与 PLC 通信 ， 该控制系统在通信时借 助于 ActiveX 技术 ， 使用 LabVIEW 中的 ActiveX 容器 调用与 PLC 通信的 MX component 插件来实现两者之 间的通信 。利用 LabVIEW 中的 “调用节点 ” 可以实 现对 PLC 中的寄存器进行赋值 ， 同样也可以用 “调 用节点 ” 对 PLC 中的输入继电器进行置位 。 该系统 通信时 ，主要是为了能够将值通过 LabVIEW 输入到 对应的寄存器中 ，并且能够将处理后的值读出来并将 其以图表的形式反映在 LabVIEW 前面板上 ， 方便用 户实 时 观 察 被 控 对 象 的 运 动 情 况 。 此 外 ， 设 置 在 LabVIEW 前面板上的布尔控件能够对 PLC 中的继电 器实现控制 ，以保证程序的正常运转 。LabVIEW “调 用节点 ” 工作原理图如图 5 所示。
该控制系统使用的是工业领域常用的 PC + PLC 控制模 式 ， 它 以 PLC 为 核 心 控 制 器 ， 由 PC 完 成 对 PLC 上传数据的显示 、保存 、报警等任务 ， 并能更改 数据来控制 PLC ，既利用了 PLC 控制精度好 、可靠性 高、抗干扰能力强的优点 ， 又充分使用了 PC 强大的 数据处理能力与良好的可视化界面 。此系统适用于低 频液压系统 ，具有控制方便 、可靠 、开放的特点 。 该 系统已经在实验中得到应用 ，性能可靠 。