第2节 应用方案
应用方案：
在PXI这一先进、统一的测试测量平台上，配合测试系统所需要的特殊功能模块，如信号发生器、负载模拟、DMM、数据采集模块、SPST等硬件，再辅以NI公司的LabVIEW7.1专业版软件开发比例控制器测试系统界面，最终得以在上位机上完成整个测试过程，充分体现虚拟仪器的“软件就是仪器”的理念。
正文：
前言
电液比例控制技术作为联结现代微电子技术和大功率工程控制设备的桥梁，已经成为现代控制工程的基本技术构成之一。它与传统的电液伺服技术相比，具有可靠、价廉等特点，近年来在航空、航天和军事领域得到普遍的重视。电液比例阀（泵）是电液比例控制系统的关键元件，比例控制放大器是电液比例阀（泵）的驱动装置，根据比例阀（泵）的控制需要对控制信号进行处理、运算和功率放大；比例电磁铁是比例控制元件的电－机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输出的电信号转换成力或位移，操作阀（泵）的输出。因此，比例控制放大器和比例电磁铁是比例元件的关键部件，其性能直接影响电液比例元件的性能，根据实际经验，即使二者都合格，也不一定能保证电液比例元件的性能，其原因是二者在性能上必须进行匹配，才能使电液比例元件达到最佳性能。基于此目的设计了该测试系统，目标是完成比例控制放大器和比例电磁铁的性能测试和二者性能的匹配，另外，测试系统还可以完成普通电磁铁的性能测试以及电子元器件性能测试等辅助功能。
在PXI这一先进、统一的测试测量平台上，配合测试系统所需要的特殊功能模块，如信号发生器、负载模拟、DMM、数据采集模块、SPST等硬件，再辅以NI公司的LabVIEW7.1专业版软件开发比例控制器测试系统界面，最终得以在上位机上完成整个测试过程，充分体现虚拟仪器的“软件就是仪器”的理念。
正文：
前言
电液比例控制技术作为联结现代微电子技术和大功率工程控制设备的桥梁，已经成为现代控制工程的基本技术构成之一。它与传统的电液伺服技术相比，具有可靠、价廉等特点，近年来在航空、航天和军事领域得到普遍的重视。电液比例阀（泵）是电液比例控制系统的关键元件，比例控制放大器是电液比例阀（泵）的驱动装置，根据比例阀（泵）的控制需要对控制信号进行处理、运算和功率放大；比例电磁铁是比例控制元件的电－机械转换器件，其功能是将比例控制放大器输出的电信号转换成力或位移，操作阀（泵）的输出。因此，比例控制放大器和比例电磁铁是比例元件的关键部件，其性能直接影响电液比例元件的性能，根据实际经验，即使二者都合格，也不一定能保证电液比例元件的性能，其原因是二者在性能上必须进行匹配，才能使电液比例元件达到最佳性能。基于此目的设计了该测试系统，目标是完成比例控制放大器和比例电磁铁的性能测试和二者性能的匹配，另外，测试系统还可以完成普通电磁铁的性能测试以及电子元器件性能测试等辅助功能。
一、测试系统构成
1. 测试系统要求
比例控制放大器性能测试主要包括颤振信号波形、初始状态调整等；比例电磁铁特性测试包括稳态特性和动态特性；普通电磁铁性能测试以及其他辅助功能。在比例电磁铁稳态特性测试时，给定连续变化的控制信号（电流或者位移），同时记录电磁铁的输出性能曲线；动态测试时，给定一定幅值的阶跃信号和扫频信号，同时记录电磁铁的输出性能曲线。测试时需要信号源、模拟负载及控制、数据实时显示、后期数据处理（计算比例电磁铁特性指标）、数据保存和生成报告等要求。另外，还要根据测试结果调整比例放大器的参数与比例电磁铁匹配，直到最佳输出性能。
1. 测试系统要求
比例控制放大器性能测试主要包括颤振信号波形、初始状态调整等；比例电磁铁特性测试包括稳态特性和动态特性；普通电磁铁性能测试以及其他辅助功能。在比例电磁铁稳态特性测试时，给定连续变化的控制信号（电流或者位移），同时记录电磁铁的输出性能曲线；动态测试时，给定一定幅值的阶跃信号和扫频信号，同时记录电磁铁的输出性能曲线。测试时需要信号源、模拟负载及控制、数据实时显示、后期数据处理（计算比例电磁铁特性指标）、数据保存和生成报告等要求。另外，还要根据测试结果调整比例放大器的参数与比例电磁铁匹配，直到最佳输出性能。
2. 硬件配置
根据上述测试要求，系统控制器、数据采集、信号发生器、步进电机控制器等采用NI公司的PXI架构系统，以简化系统结构，测试系统硬件原理如图1所示。
比例电磁铁的控制信号由任意波形发生器提供给比例放大器，由放大器再驱动电磁铁工作。步进电机用于模拟系统负载，同时还用来调整电磁铁的衔铁位置，以便使电磁铁工作在比例段；步进电机由专用步进电机控制器通过UMI驱动控制器，控制电机的工作。测试系统信号如位移、力由相应的传感器
根据上述测试要求，系统控制器、数据采集、信号发生器、步进电机控制器等采用NI公司的PXI架构系统，以简化系统结构，测试系统硬件原理如图1所示。
比例电磁铁的控制信号由任意波形发生器提供给比例放大器，由放大器再驱动电磁铁工作。步进电机用于模拟系统负载，同时还用来调整电磁铁的衔铁位置，以便使电磁铁工作在比例段；步进电机由专用步进电机控制器通过UMI驱动控制器，控制电机的工作。测试系统信号如位移、力由相应的传感器
图1 测试系统硬件原理结构图
图2 电流-力特性测试系统前面板
经过变送后输入到A/D，电流信号由DMM采集。另外，由DMM和A/D还可以完成其他辅助测试，如测试比例放大器的颤振波形、频率、放大器的初始电流、电器元件的参数（如电阻、电容和电感等）。
3. 系统软件
系统硬件主要起到联结外界信号的媒体作用，软件的作用是完成对不同功能的硬件进行管理、规划测试过程，以及后期处理等工作，因此，软件是测试系统的关键。因为LabVIEW软件有很强的数据处理和硬件管理能力，并且提供丰富的Demo程序，因此选择LabVIEW7.1专业版软件作为该系统开发平台。
系统硬件主要起到联结外界信号的媒体作用，软件的作用是完成对不同功能的硬件进行管理、规划测试过程，以及后期处理等工作，因此，软件是测试系统的关键。因为LabVIEW软件有很强的数据处理和硬件管理能力，并且提供丰富的Demo程序，因此选择LabVIEW7.1专业版软件作为该系统开发平台。
3.1 软件结构
根据测试内容的特点，程序结构划分成不同功能的模块作为子程序，以简化主程序结构，相同功能模块在不同测试项目中可以重复调用，且便于测试系统的维护。如电机控制模块，在每个测试项目中都要调用，如果不采用子程序结构，必然使程序结构复杂化。
根据测试内容的特点，程序结构划分成不同功能的模块作为子程序，以简化主程序结构，相同功能模块在不同测试项目中可以重复调用，且便于测试系统的维护。如电机控制模块，在每个测试项目中都要调用，如果不采用子程序结构，必然使程序结构复杂化。
3.2 软件功能
3.2.1 硬件管理
测试系统中除必要的人工操作（如安装测试对象，外部电源的通断等）外，大部分硬件都由上位机进行控制。根据测试要求调用不同功能的模块，使其同步触发、实时控制；控制测试系统硬件的通/断，避免不需要的硬件长时间通电。
3.2.1 硬件管理
测试系统中除必要的人工操作（如安装测试对象，外部电源的通断等）外，大部分硬件都由上位机进行控制。根据测试要求调用不同功能的模块，使其同步触发、实时控制；控制测试系统硬件的通/断，避免不需要的硬件长时间通电。
3.2.2 测试项目管理
该测试系统所涉及的测试内容比较多，而且各项目之间没有关联和继承性。在程序设计时，采用主程序管理下子程序嵌套结构，保证各部分的相对独立，在测试过程中遇到不利情况，可以随时中断测试过程，保证测试系统硬件的安全，而且也便于系统升级。
该测试系统所涉及的测试内容比较多，而且各项目之间没有关联和继承性。在程序设计时，采用主程序管理下子程序嵌套结构，保证各部分的相对独立，在测试过程中遇到不利情况，可以随时中断测试过程，保证测试系统硬件的安全，而且也便于系统升级。
3.2.3 测试过程控制
图2是比例电磁铁的电流－力特性测试的子界面（前面板），操作部分主要由类似硬件按钮的“软”按钮完成性能测试。在测试过程中，可以实时显示测试数据（曲线和数字指示），随时终止测试过程；测试结束后，保存数据、计算结果和生成报告等功能。图3是电流采集的子程序框图程序（局部），框图程序由硬件初始化、数据采集、显示数据等组成。测试过程中，利用VI Server节点进行动态调用，实时显示测试数据。
图2是比例电磁铁的电流－力特性测试的子界面（前面板），操作部分主要由类似硬件按钮的“软”按钮完成性能测试。在测试过程中，可以实时显示测试数据（曲线和数字指示），随时终止测试过程；测试结束后，保存数据、计算结果和生成报告等功能。图3是电流采集的子程序框图程序（局部），框图程序由硬件初始化、数据采集、显示数据等组成。测试过程中，利用VI Server节点进行动态调用，实时显示测试数据。
图3 子程序框图程序（局部）
二、关键技术实现
1. 信号源
信号发生器的任务是为被测对象产生一个激励，用来检测产品的特性和验证其功能。在比例电磁铁性能测试中，所需要的信号源有直流信号、阶跃信号和扫频信号等。类似测试系统一般采用几个信号源，不利于信号的控制和数据采集，本系统采用任意波形发生器PXI5411很好的解决上述问题。
2.准确定位和同步
比例电磁铁的衔铁位置由直线步进电机调整，磁致伸缩位移传感器检测，初始状态调整后，设定步进电机的终止和折返位置。在测试过程中，通过位移传感变送器的检测值与设定值进行实时比较，决定电机的换向。因为衔铁是封闭在电磁铁壳体内，衔铁的运动位置是不能观察的，因此，传统的测试方法很难实现。为防止电机行程越过极限值，破坏系统硬件，除在硬件上采取必要的措施外，在软件执行过程中还采取强制换向措施。
测试过程中的同步要求主要包括动态性能测试时激励信号与采集信号的同步、执行元件与采集信号的同步等。如果位移量采集与步进电机运动不能同步控制，就可能造成电磁铁损坏和力传感器超载而破坏，这是该系统要求同步的其中一例。
3. 数据采集与结果显示
根据比例电磁铁性能测试的要求，同样条件下，至少需要重复3次测试过程，每次都要实时显示相应的数据和曲线，最后显示3次测试结果（曲线）。如果测试一次就保存一次数据，会给用户带来不必要的麻烦，同时在最后数据合成显示时也使程序变的复杂。
在程序设计时，利用LabVIEW的Event Structure功能控制测试过程，一次测试结束后，采用对话框（测试是否继续、取消和重做）的形式询问。测试过程的数据利用While循环的Shift register将数据保存。测试过程中只实时显示当前曲线，测试结束后利用Build Array 合成数据，同时显示多次测试后的结果（参考图2中不同的颜色），以图形文件格式保存测试数据。
4. 数据处理
比例电磁铁性能测试后，涉及不同性能的指标计算，如比例电磁铁的电流－力特性指标包括滞环、线性度和重复精度。保存数据时，用Bundle函数将3组（X-Y格式）数据攒成一个簇，计算时，用Unbundle函数按照测试次序将数据分开（每次测试的数据分开，同时不同方向的数据也分开，即(Xi,Yi)和（Xj,Yj）），检索出|Yi-Yj|满足一定条件对应的行，将其对应的Xi,Xj带入相应的公式得到需要的计算指标。其中线性度采用最小二乘法算法拟合，在程序中调用Formula Node进行数据处理和计算。另外还有一些指标计算，如阶跃响应指标的计算可以调用LabVIEW的Transition Measurments.vi直接测量得到上升时间、超调量等性能指标。
1. 信号源
信号发生器的任务是为被测对象产生一个激励，用来检测产品的特性和验证其功能。在比例电磁铁性能测试中，所需要的信号源有直流信号、阶跃信号和扫频信号等。类似测试系统一般采用几个信号源，不利于信号的控制和数据采集，本系统采用任意波形发生器PXI5411很好的解决上述问题。
2.准确定位和同步
比例电磁铁的衔铁位置由直线步进电机调整，磁致伸缩位移传感器检测，初始状态调整后，设定步进电机的终止和折返位置。在测试过程中，通过位移传感变送器的检测值与设定值进行实时比较，决定电机的换向。因为衔铁是封闭在电磁铁壳体内，衔铁的运动位置是不能观察的，因此，传统的测试方法很难实现。为防止电机行程越过极限值，破坏系统硬件，除在硬件上采取必要的措施外，在软件执行过程中还采取强制换向措施。
测试过程中的同步要求主要包括动态性能测试时激励信号与采集信号的同步、执行元件与采集信号的同步等。如果位移量采集与步进电机运动不能同步控制，就可能造成电磁铁损坏和力传感器超载而破坏，这是该系统要求同步的其中一例。
3. 数据采集与结果显示
根据比例电磁铁性能测试的要求，同样条件下，至少需要重复3次测试过程，每次都要实时显示相应的数据和曲线，最后显示3次测试结果（曲线）。如果测试一次就保存一次数据，会给用户带来不必要的麻烦，同时在最后数据合成显示时也使程序变的复杂。
在程序设计时，利用LabVIEW的Event Structure功能控制测试过程，一次测试结束后，采用对话框（测试是否继续、取消和重做）的形式询问。测试过程的数据利用While循环的Shift register将数据保存。测试过程中只实时显示当前曲线，测试结束后利用Build Array 合成数据，同时显示多次测试后的结果（参考图2中不同的颜色），以图形文件格式保存测试数据。
4. 数据处理
比例电磁铁性能测试后，涉及不同性能的指标计算，如比例电磁铁的电流－力特性指标包括滞环、线性度和重复精度。保存数据时，用Bundle函数将3组（X-Y格式）数据攒成一个簇，计算时，用Unbundle函数按照测试次序将数据分开（每次测试的数据分开，同时不同方向的数据也分开，即(Xi,Yi)和（Xj,Yj）），检索出|Yi-Yj|满足一定条件对应的行，将其对应的Xi,Xj带入相应的公式得到需要的计算指标。其中线性度采用最小二乘法算法拟合，在程序中调用Formula Node进行数据处理和计算。另外还有一些指标计算，如阶跃响应指标的计算可以调用LabVIEW的Transition Measurments.vi直接测量得到上升时间、超调量等性能指标。
三、结束语
该系统已投入使用1年多，得
到用户的认可，归纳起来有如下特点。
1. 基于PXI架构的比例控制器测试系统，可以将不同功能的模块集成为一体，简化系统结构，容易做到不同功能块同步触发，保证测试系统要求。
2. 利用NI公司提供的Demo程序和硬件驱动程序，可以节省前期繁琐的编程时间，缩短产品开发周期。基于图形化的编程语言，使程序结构直观化，符合人的逻辑思维，调试方便、维护容易。
3. 利用“软件就是仪器”的概念，在LabVIEW软件平台上开发的软件操作系统，更便于试验人员的操作（只要点击鼠标即可完成类似硬件按钮的工作），与硬件操作系统相比，测试系统运行稳定、可靠，而且便于系统的维护和升级。
4. 利用LabVIEW软件强大的数据处理和数学计算能力，可以解决传统测试方法所不能解决的问题，能够为产品的研制和开发提供的精确数据。
更多解决方案请访问ni.com/solutions
该系统已投入使用1年多，得
到用户的认可，归纳起来有如下特点。
1. 基于PXI架构的比例控制器测试系统，可以将不同功能的模块集成为一体，简化系统结构，容易做到不同功能块同步触发，保证测试系统要求。
2. 利用NI公司提供的Demo程序和硬件驱动程序，可以节省前期繁琐的编程时间，缩短产品开发周期。基于图形化的编程语言，使程序结构直观化，符合人的逻辑思维，调试方便、维护容易。
3. 利用“软件就是仪器”的概念，在LabVIEW软件平台上开发的软件操作系统，更便于试验人员的操作（只要点击鼠标即可完成类似硬件按钮的工作），与硬件操作系统相比，测试系统运行稳定、可靠，而且便于系统的维护和升级。
4. 利用LabVIEW软件强大的数据处理和数学计算能力，可以解决传统测试方法所不能解决的问题，能够为产品的研制和开发提供的精确数据。
更多解决方案请访问ni.com/solutions
