基于LabVIEW的多轴运动控制系统半实物仿真平台设计

第一章绪论1.1课题来源以及研究的背景、目的和意义1.1.1课题来源本课题来源于某自动测试系统研究项目中的一部分，研究的硬件平台是一个四轴的运动执行机构，主要工作是设计出上位机软件和运动轨迹规划，要求软件具有易操作性、简单高效性、兼容性，实现运动执行机构的两个动子在X、Y两个方向上的协调运动快速精确的移动到指定的位置，误差范围控制在±3um内。

1.1.2课题研究的背景、目的和意义随着科技的飞速进步和社会的快速发展，于20世纪末，运动控制开始快速发展，并成为了自动化技术的一个关键的分支。

现代文明社会以及和谐社会的标志之一便是生活质量及水平，运动控制技术的发展也同时推动并代表了生活质量及水平。

在现代工业中，运动控制涉及了极其广泛的领域，并迅速地向前推进着，已经涵盖了汽车、纺织机械、冶金机械、家用电器、工业机器人等领域[1]。

虽然运动控制发展的时间并不算悠久，但是运动控制技术的提高也随着制造业对于产品加工的要求的提高在不断地水涨船高。

这也就导致了运动控制技术非常迅速的发展开来，尤其在高科技技术的方面为其提供了极为广阔的发展空间及市场。

现如今，运动控制技术及系统的普及和应用在自我进步的途中，影响了更多的产业，并与微电子技术、传感器技术等技术的发展和科技的进步相辅相成。

与此同时，运动控制在工业化技术中，承担起了重大的任务，因此，对于此技术进行分析，不但能够更深一层次的了解它的理论，还可以更好的在实际生活当中运用。

总而言之，运动控制技术的发展与其相关的技术的发展是共同进退的，其发展空间是巨大的，其将会创造的价值是不可估量的。

运动控制技术正逐渐成为一门具有显著特点，广泛应用于工业、军事及商业等领域，能够产生巨大经济效益的高新技术。

1.2运动控制系统的发展和研究现状人类对运动的控制可以追溯到我国古代用来指示方向的指南针，为中国的马均于公元235年研制的用齿轮传动、能自动指示方向的指南车模型。

指南车作为人类历史上第一架有稳定的机械结构，巧妙地运用了负反馈原理，非常类似于现在的恒值控制系统。

基于LabVIEW与Proteus的测控仿真实验系统设计周春明【摘要】A method of design of measurement and control simulation experiment system based on LabVIEW and Proteus was proposed with the remote temperature controlling system as an example. AT89C51 in Proteus was used as the slave computer to achieve the functions of temperature acquisition, A/D conversion and data transmis-sion to the host computer. LabVIEW was employed to construct the master system to achieve the PID control of the received temperature. It transmitted the PID adjustmentdata to SCM in order to adjust its PWM wave’ s duty rati-o. So the working state of“OVEN” could be controlled and the purpose of the remote temperature controlling could be achieved. The master system communicated with the slave computer by a pair of virtual serial ports constructed by Virtual Serial Port Driver 6 . 9 . Simulation results demonstrated the validity of the methods of design of measure-ment and control system. It has a practicability in the field of experiment teaching and project development.%以单片机远程温度控制系统为例，给出了一种基于LabVIEW与Proteus的测控仿真实验系统的设计方法，利用Proteus中的AT89 C51单片机仿真下位机运行，实现温度的采集、 A/D转换器的控制及向上位机传输数据等功能。

基于ＬａｂＶＩＥＷ的数字仿真实验平台的设计作者：吴正明李君来源：《中国教育技术装备》2009年第02期摘要利用虚拟仪器软件开发平台，在计算机上通过对前面板和后面板的编写来完成实验室及电子课程实验教学中所涉及的数字电路的制作，实现数字电路的逻辑功能的模拟仿真，在实验教学过程中具有实际意义。

关键词虚拟仪器；数字电路；仿真中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）02-0081-02随着低成本高性能的计算机资源普及运用，数字化仪器平台逐渐取代传统电子仪器已成为一种趋势。

我国理工科学校的教学、科研需要大量的测量分析仪器设备，特别是电子类实验教学，每种仪器都必须配置多套，而且有些仪器设备价格十分昂贵。

因此购置仪器设备的巨大投入经费，一般学校难以承受，造成仪器设备缺乏和过时陈旧等现象，严重影响教学科研效果[1]。

如果把虚拟仪器运用到实验教学和科研中，不但可以节约大量仪器设备的经费投入，而且能够提高实验教学和科研的质量与效率。

1 LabVIEW的编程简介[2-3]在LabVIEW环境下开发的应用程序称之为VI。

VI是LabVIEW的核心，由一个人机交互的界面——前面板(Front Panel)和相当于源代码功能的框图程序——后面板（Diagram）组成。

前面板是程序的界面，在这一界面上有控制量(Controls)和显示量(Indicators)两类对象。

在前面板中，控制量模拟仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序，例如开关、旋钮；而显示量则是模拟仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据，例如用于显示波形的窗口等。

每一个程序前面板都对应着一段框图程序。

框图程序用LabVIEW图形编程语言编写，可以把它理解成传统程序的源代码。

框图程序由端口、节点、图框和连线构成。

其中端口被用来同程序前面板的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义框图内的数据流动方向。

基于LabVIEW的控制原理虚拟实验台开发-----⼆阶系统⼆阶系统时域分析虚拟实验系统⼀、⼆阶系统时域分析原理能⽤⼆阶微分⽅程描述的系统为⼆阶系统。

它在控制⼯程中的应⽤⼗分⼴泛，此外，许多⾼阶系统在⼀定的条件下，常常近似地作为⼆阶系统来研究。

1、数学模型⼆阶系统的运动⽅程⼀般具有以下⼀般形式22()()2()()d c t dc t T T c t r t dt dtζ++=式中，ζ为⼆阶系统阻尼⽐，⽆量纲；T 为⼆阶系统时间常数，单位为秒。

对上式进⾏拉⽒变换的⼆阶系统的传递函数为 22()1()()21C s s R s T s Ts ζΦ==++ 引⼊参数1Tω=，称作⼆阶系统的⽆阻尼⾃然振荡⾓频率，单位为rad/s 。

传递函数变为 222()()()2n n n C s s R s s s ωζωωΦ==++ ⼆阶系统的结构框图如下所⽰2、单位阶跃响应对于单位阶跃输⼊()1()r t t =，1()R s s=，于是 2222221()(2)2n n n n n n s C s s s s s s s ωζωζωωζωω+==-++++212()()n s s s s s ω=-- 求其拉⽒反变换可得到⼆阶系统的单位阶跃响应。

当ζ为不同值时，⼆阶系统的特征根在s 平⾯上的位置不同，所对应的响应就具有不同的形式。

a ζ=0 (零阻尼)222221()()n n n sC s s s s s ωωω==-++ 时域响应为 ()1cos n c t t ω=- (0)t ≥ b ζ>1 (过阻尼)2221()2n n ns C s s s s ζωζωω+=-++ 此时，1,2(n n s ζωωζω=-±=- 可见系统具有两个不相等的负实数极点。

于是，系统单位阶跃响应为12//2121()1/1/1t T t T e e c t T T T T --=++--式中，1T =；2T =c ζ=1（临界阻尼）222211()(2)()n n n n n n C s s s s s s s ωωζωωωω==--++++ 因此， ()1n n tt n c t ete ωωω--=-- (0)t ≥，此时闭环系统的两个极点是1,2n s ω=-。

通过NI LabVIEW 平台完成控制系统的设计、仿真及实现LabVIEW 图形化系统设计平台使用LabVIEW 图形化系统设计平台，您能够在同一个软件环境中完成控制系统的设计、仿真以及实现。

20 多年来，LabVIEW 作为一种直观的图形化语言，可以自然地表达整个系统，使得更多的软件设计和算法容易理解并被重复使用。

通过开放的LabVIEW 环境和与之无缝集成的硬件，能够方便地将设计从理论阶段带入实现阶段，完成系统辨识、控制设计、动态系统仿真以及实时系统实现。

宽泛的硬件集成选择由于NI 与第三方硬件之间结合紧密，几乎可以使用任何传感器、执行器、微处理器或FPGA ，调试算法并将算法发布到具有实时可靠性的硬件系统上。

/china/embedded图形化设计设计并优化复杂的动态系统模型交互式算法开发快速调节算法或交互式地修改仿真参数开放式设计平台整合使用第三方软件包（例如The MathWorks ，Inc. Simulink ®软件）建立的模型直观的用户界面交互地使用表盘、刻度计、波形图表、三维图形等方式更好地显示数值结果多种计算模型快速而有效地将图形化编程、文本数学公式以及状态图结合在一起，或是重用已有算法使用LabVIEW设计控制系统LabVIEW提供了一套完整的简化控制设计的工具。

LabVIEW作为一个完整的编程环境，能够提供与传统编程语言相同的灵活性；同时，其图形化特性能够提高进行自定义算法开发、分析以及可视化的效率。

系统辨识——根据用NI硬件测量到的实际系统的激励和响应，推导数学模型。

控制设计与仿真——设计控制器及动态系统参数，仿真验证控制器性能，无需重新编译直接将代码发布到实时系统硬件上。

高级控制算法——现成可用的高级控制算法，例如自适应PID以及模型预测控制（MPC）等，或是通过一个简单的软件模块自定义控制算法。

使用NI硬件对控制系统进行原型验证以及发布无论是快速原型开发、硬件在环测试或是控制系统的最终实现，都可以利用NI的硬件平台完成。

基于LabVIEW的运动控制系统的软件设计一、本文概述随着工业自动化的快速发展，运动控制技术在各个领域中扮演着越来越重要的角色。

作为实现精确、高效运动控制的关键环节，运动控制系统的软件设计显得尤为重要。

本文旨在探讨基于LabVIEW的运动控制系统的软件设计方法，以期为相关领域的工程技术人员提供有益的参考和借鉴。

本文将首先介绍LabVIEW软件平台及其在运动控制系统中的应用优势，包括其图形化编程环境、丰富的库函数和强大的数据处理能力等。

随后，文章将详细阐述基于LabVIEW的运动控制系统软件设计的整体架构和关键模块，包括运动控制算法的实现、硬件接口的集成、数据采集与处理等。

本文还将探讨软件设计过程中的优化策略，以提高系统的实时性、稳定性和可靠性。

二、基础知识LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美国National Instruments（NI）公司开发的一种图形化编程环境，广泛应用于数据采集、仪器控制、自动化测试等领域。

LabVIEW的强大之处在于其提供了丰富的虚拟仪器（VI）和图形化编程语言G，使得工程师和科学家能够通过直观的图形化编程来实现复杂的数据和信号处理任务。

运动控制系统是指利用计算机技术和自动控制理论，对机械运动部件的位置、速度、加速度等参数进行精确控制的系统。

在LabVIEW 中，通过集成的运动控制模块和驱动器，可以实现对步进电机、伺服电机等执行机构的精确控制。

理解运动控制的基本原理，如PID控制、前馈控制、反馈控制等，对于设计高效的运动控制系统至关重要。

数据采集是运动控制系统中的关键环节，它涉及到从传感器获取数据并将其转换为计算机可以处理的数字信号。

LabVIEW提供了强大的数据采集功能，用户可以通过各种硬件接口（如DAQ卡、USB、以太网等）连接传感器，并利用LabVIEW内置的函数和控件进行数据的采集、分析和处理。

利用LabVIEW进行控制系统设计和仿真随着科技的发展和技术的不断进步，控制系统在工业自动化和实验室研究中起着至关重要的作用。

而LabVIEW作为一款流行的程序设计和开发环境，具有强大的功能和灵活的应用性，被广泛用于控制系统设计和仿真。

本文将介绍如何利用LabVIEW进行控制系统设计和仿真，以及该软件在实践中的应用。

一、LabVIEW简介LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是由美国国家仪器公司（National Instruments）开发的一种基于图形化编程的集成开发环境（IDE）。

它以可视化方式与仪器设备和测量设备进行交互，提供了一个灵活、高效而又直观的开发平台。

LabVIEW具有模块化的设计、多线程并行处理、易于调试和可视化的优势，被广泛用于测量、控制和数据采集等领域。

二、LabVIEW在控制系统设计中的应用1. 系统建模与仿真利用LabVIEW，可以将复杂的控制系统建模，并对其进行仿真分析。

LabVIEW提供了丰富的信号处理和系统建模的工具箱，可以通过拖放组件和连接线，搭建系统模型。

通过调整参数和输入信号，可以模拟系统不同的工作状态，快速验证和优化控制策略。

2. 实时控制与数据采集LabVIEW的强大之处在于其实时控制和数据采集的能力。

通过与硬件设备的交互，LabVIEW可以快速实现对进程或系统的实时控制，并实时采集数据并进行处理。

这对于工业自动化和实验室研究提供了便利，同时也为数据分析和算法优化提供了基础。

3. 界面设计与人机交互LabVIEW具有友好的界面设计和人机交互功能。

通过LabVIEW的界面编辑器和可视化控件，可以轻松创建出美观、直观的用户界面，并实现与用户的交互。

这对于操作员的实时监控和系统操作提供了便利，提高了整体系统的可用性和易用性。

三、利用LabVIEW进行控制系统设计和仿真的案例下面以一个汽车制动控制系统为例，简要介绍如何利用LabVIEW 进行控制系统设计和仿真。

基于LabVIEW的软件仿真平台的设计与实现的开题报告一、选题背景及意义随着计算机技术的不断发展，仿真技术得到了广泛应用，并已成为当前研究热点之一。

在仿真技术中，基于LabVIEW的软件仿真平台应用广泛，该平台具有交互性强、易于学习、开发效率高等特点，便于工程师进行数据采集、信号处理和控制操作。

因此，开发一套基于LabVIEW 的软件仿真平台对于工程领域和科学研究具有重要的意义。

本文选题旨在设计和实现一套基于LabVIEW的软件仿真平台，提供一个综合性的数据采集、信号处理和控制操作的环境。

鉴于目前市场上相关仿真平台的定制化和需求缺乏，开发一套专属的仿真平台既可以满足工程领域和科学研究的需求，还可以促进该领域的发展。

二、研究内容及目标本文研究的重点是基于LabVIEW的软件仿真平台的设计和实现，旨在实现以下目标：1.设计并实现基于LabVIEW的软件仿真平台系统，提供一个全面的数据采集、信号处理和控制操作的环境。

2.建立系统模型，包括搜集数据、可视化数据和控制系统等，对其进行设计和实现，并建立仿真实验平台。

3.利用该平台实现数据采集、信号处理和控制系统的实验，验证平台的可行性和可靠性。

三、研究方法和技术路线本文的研究方法主要是基于实验和分析，采用以下技术路线：1.采集数据：通过各种传感器采集数据，获取所需数据，并建立数据模型。

2.信号处理：基于实际数据对其进行分析，并确定信号处理方法，对数据进行处理和滤波，得出处理后的数据。

3.控制系统：设计数字控制系统，实现对数据的控制操作，优化系统效率。

4.界面设计：基于LabVIEW平台设计界面，实现数据和控制操作的用户界面。

五、预计研究成果本文利用基于LabVIEW的仿真平台，实现了一套综合性的数据采集、信号处理和控制操作的环境。

本文达到如下预期目标：1.构建基于LabVIEW的仿真平台的原型系统，并实现数据采集、信号处理和控制系统的实验操作。

2.通过实验验证该平台的可行性和可靠性，并获得了一些仿真实验的数据。

基于LabVIEW地自动控制原理虚拟实验系统设计学生姓名：熊汉鑫班级：090432指导老师：刘清平摘要：根据“自动控制原理”课程实验教案在高校实验实践中遇到地困难和实验教案改革地需要，本文提出了建立基于Labview地自动控制虚拟实验系统方案.文中分析了目前常见地虚拟实验系统，相应地应用Labview编程语言实现了包含“自动控制原理”课程常见实验地虚拟实验系统.最后，利用Matlab语言编程进行对比分析，进行正确性验证.关键词：Labview；自动控制实验；Matlab指导老师签名：Automatic control theory virtual experiment based on LabVIEW System design Student name :xionghanxin Class: 090432Supervisor: liuqinpingAbstract:On the basis of problems encountered in actual experiment teaching of Automatic Control Theory in universities and need of experiment teaching revolution,a new kind of automatic control theory virtual experiment system based on Labview is advanced.Strong-point and weadness of common virtual experiment systems at present are analyzed and a virtual experiment system including common experiments in Automatic Control Theory is compleleted successfully using Labview equivalently.In addition,proposal for hardware experiment expansion is put forwand.At last,Matlab programming is used for comparison and accuracy certification.Keywords:Labview。

LabVIEW与控制系统设计实现复杂控制算法与系统模型实现复杂控制算法与系统模型的LabVIEW与控制系统设计LabVIEW是一款广泛应用于科学研究和工程实践的图形化编程环境。

它提供了一种直观的方式来实现复杂控制算法与系统模型，并且能够更加高效地进行控制系统的设计与开发。

本文将介绍LabVIEW在控制系统设计中的应用，并探讨如何利用LabVIEW实现复杂的控制算法与系统模型。

一、LabVIEW的基本原理和特点LabVIEW采用图形化编程语言(G)来编写程序，程序员可以通过将函数图标拖拽到面板上，并用连接线将它们连接起来，来实现程序的功能。

这种编程方式使得程序的开发更加直观且易于理解，同时也提高了程序的可重用性和可维护性。

LabVIEW还具有以下特点：1. 支持多种数据类型：LabVIEW支持整数、浮点数、数组、字符串等多种数据类型，使得程序的输入输出更加灵活。

2. 强大的信号处理功能：LabVIEW内置了丰富的信号处理函数和工具箱，能够满足各种信号处理的需求。

3. 良好的可视化界面：LabVIEW提供了丰富的控件和面板装饰，使得程序的界面更加美观且易于操作。

4. 丰富的模块化功能：LabVIEW支持将程序进行模块化设计，提供了封装和调用子VI(SubVI)的功能，使得程序的复杂度得到了有效的简化。

二、LabVIEW在控制系统设计中的应用1. 系统建模与仿真LabVIEW提供了丰富的工具箱和函数库，可以用于建立系统的数学模型，并进行仿真和验证。

通过拖拽函数图标并将其连接起来，我们可以快速地建立系统的状态空间模型、传递函数模型等，并对其进行仿真以验证其性能和稳定性。

2. 控制算法的实现LabVIEW内置了多种控制算法的函数和工具箱，如比例积分微分（PID）控制器、状态反馈控制器等。

我们可以通过拖拽这些控制器的图标并进行参数设置，来实现不同类型的控制算法。

同时，LabVIEW也支持自定义控制算法的开发，可以根据具体需求编写相应的程序。

利用LabVIEW软件进行控制设计和仿真入门这个章节将集中介绍LabVIEW软件中的控制系统设计的基本特性。

我们在这里假定读者们已经熟悉了LabVIEW软件的其它部分。

（如果你对LabVIEW软件的其它部分不熟悉，请参考Robert H. Bishop的‘Learning with LabVIEW’）。

每一章的专用信息会包含在那一章的简介中在我们开始之前，请确保你的计算机上已经安装了可使用的控制设计和仿真工具包。

它们不是LabVIEW 基本软件的一部分，而是需要单独购买的。

LabVIEW软件的控制设计工具包控制设计工具包可以在结构框图的All Functions选板中找到。

下面将简要介绍控制设计选板中每个单独工具的用法。

我们将介绍在子选板中出现的函数。

如需进一步的描述，请查看LabVIEW软件的帮助文档。

当帮助菜单中的文字帮助窗口被打开时，你可以在相应的文字帮助窗口中看到关于每个函数的描述。

模型创建选板：这节中的函数用于创建各种类型的模型，例如状态空间模型、传递函数模型和零点/极点/增益模型等。

下面将讨论创建状态空间模型和创建传递函数模型函数。

控制设计工具包中的创建状态空间模型函数的端子如上图所示。

如果采样间隔端子没有连接，那么系统被默认为是连续采样。

将一个值连到采样间隔端子上会使系统变为离散系统，它使用给定的时间作为采样间隔。

状态空间模型的A、B、C、D 矩阵都有对应的端子。

一旦LabVIEW软件创建了状态空间模型（其输出端子可用），该模型就可以用于其它函数并且可以转化成其它的形式，在这一节里我们将进行更加深入的讨论。

下面就是创建状态空间模型的一个例子。

它的输出端可以连接到控制设计工具包中很多其它函数上，作为它们的输入端。

输入端子既可以是常数（在结构框图中），也可以是控制量（在前面板中）。

为了使这个手册更容易理解，我们演示的大多数例子都是在结构图中使用常数，但是，使用前面板上的控制量时常会使效率更高。

第31卷第6期2012年6月实验室研究与探索RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYVol．31No．6Jun．2012基于LabVIEW和Simulink的过程控制工程虚拟实验平台开发哀微，卢明阳（华南理工大学自动化科学与工程学院，广东广州510640）摘要：设计了针对典型过程控制系统进行的虚拟仿真控制平台，利用虚拟仪器软件LabVIEW和仿真工具Simulink进行平台的开发，通过Simulation Interface Toolkit（SIT）实现两者通信。

该平台的系统开发选取过程控制工程课程中的典型控制环节，平台的功能包括：典型控制系统的流程图动画界面显示，后台控制器设计，以及实时参数和控制效果显示等。

最后还设计了平台选择程序，实现程序的封装。

该系统能作为过程控制工程的辅助教学软件，达到将实验环节引入课堂的良好效果。

关键词：labVIEW；Simulink；过程控制工程；虚拟实验平台；SIT；实时参数中图分类号：TP271+．6文献标志码：A文章编号：1006－7167（2012）06－0065－05Development of a Virtual Simulation Platform for Typical Process Control System Based on LabVIEW and SimulinkAI Wei，LU Ming-yang（South China University of Technology，College of Automation Science and Engineering，Guangzhou510640，China）Abstract：The course of Process Control requires theoretical learning and actual practice．In order to improve the teaching quality and enhance students’understanding of the course，a virtual simulation platform aiming at typical process control systems is proposed．The virtual instrument software LabVIEW and the modeling tool Simulink are used to develop the platform and the simulation interface toolkit（SIT）is used to achieve the communication between the two．A typical two-tank liquid level control system is chosen as an example of the platform systems．The process of the virtual simulation platform is introduced which is similar to the development of other systems．Platform features include physical animation of the system，model simulation and control algorithms，real-time parameters and waveform display．Finally，the platform selection program is designed and packed．The whole system can be used as auxiliary teaching tool in process control engineering course and is expected to acquire good effect in introducing experimental procedures into class．Key words：labVIEW；simulink；process control engineering；virtual experiments platform；SIT；real-time parameter收稿日期：2011－07－26基金项目：2011中央高校基本科研业务费资助项目（2011ZM0120）；华南理工大学2011教学研究项目（X2zd-Y1100060）作者简介：哀微（1979－），女，湖北宜都人，博士，讲师，主要从事过程控制工程、化工自动化及仪表等课程的教学，研究领域为无模型控制、数据驱动控制、闭环辨识等。

基于PMAC与LabVIEW的多轴运动控制系统的开发韦宏利;史媛;温军会【摘要】According to the need of real-time and fast positioning of the mechanical moving parts, a method used to fast develop motion control systems to achieve high control accuracy was designed. The system uses the structure of PC and PMAC. System hardware consists of PC, PMAC multi-axis motion control cards, motors and other components. System software uses LabVIEW2009 environment as development platform to develop multi-axis motion control system. Proposed Active X automation technology to achieve the communication with host computer and lower machine. The result shows that the developed system not only has a friendly interactive, but also has great capability and the specialty of short exploitation time and easy using. It is very convenient to expand more functions.%针对目前机械运动部件实时快速定位的需要,研究了一种快速开发运动控制系统并达到高控制精度的方法.采用了PC+PMAC的结构,硬件主要由PC机、PMAC运动控制卡、电机等组成,系统软件使用LabVIEW2009环境为开发平台,对多轴运动控制系统进行开发,提出了通过Active X自动化技术实现上位机和下位机的通信.结果表明,所开发的系统不仅有友好的人机交互界面,而且具有开发周期短,易于操作,实现功能的扩充方便等特点.【期刊名称】《西安工业大学学报》【年(卷),期】2012(032)002【总页数】7页(P112-118)【关键词】LabVIEW;多轴运动控制卡;多轴运动;Active X自动化【作者】韦宏利;史媛;温军会【作者单位】西安工业大学电子信息工程学院,西安710032;西安工业大学电子信息工程学院,西安710032;陕西雷光环保科技有限公司,西安710043【正文语种】中文【中图分类】TP311.5运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动．近年来，随着通用运动控制技术的不断进步和完善，已经被越来越多的产业领域接受．随着运动控制器的不断更新发展，快速的开发运动控制器已经成为了发展的趋势．目前国内有利用VC＋＋在Windows平台上对ADT850运动控制卡进行二次开发，该系统已经成功的应用到了南京工业大学研发的二维交流伺服系统的高精度XY坐标绘图仪上，取得了很好的控制性能．同其他的高级语言相比，LabVIEW具有更快的开发速度和更友好的人机界面［1］．文中所研究的多轴运动控制系统采用虚拟仪器技术，以PC机和多轴运动控制卡作为系统硬件，以虚拟仪器语言LabVIEW 2009为软件的开发平台［2］，对运动控制卡进行二次开发．采用Active X自动化技术实现了上位机和下位机的通信［3］，对伺服电机和直线电机进行精确的控制，实现了多轴运动控制的功能．采用LabVIEW设计的控制软件可将各个轴的运动状态实时的在一块面板上显示，可根据用户的要求实现不同的运动和记录测量数据，明显缩短了软件的开发周期．1 系统硬件组成原理系统采用“PC＋运动控制卡”的结构，采用这种结构进行设计的特点就是只需根据被控对象的控制要求，在Windows操作系统下设计出符合用户需求的友好的用户界面和功能程序．整个多轴运动控制系统的硬件主要由PC机，多轴运动控制卡，直线电机和伺服电机，电机驱动器，光栅，执行机构等部分构成，PC机和运动控制卡通过以太网通信．多轴运动控制系统的结构框图如图1所示．图1 系统结构原理框图Fig．1 System structure and principle diagram控制系统采用两级计算机控制系统，上位机采用普通PC机，下位机采用可编程多轴运动控制卡PMAC．PC作为上位机，完成各个轴的位置，速度，加速度，运动方式等参数的设定，数据的存储以及人机界面交互．下位机运动控制卡接受PC机发送的控制命令，发送指令给电机驱动器，通过精确的算法控制电机完成所要求的多轴运动，并将采集的各轴当前的坐标反馈回人机交互界面．精密光栅对运动的位置进行实时的监测并将位置信息反馈回运动控制卡构成一个全闭环的控制系统．多轴运动控制卡作为该运动控制系统的一个非常重要的部件，PMAC选择美国Delta tau最新产品Turbo PMAC Clipper，较之其他产品具有比较高的性能，在控制速度和精度上也有了明显的提高．它采用80MHz DSP56303作为 PMAC的CPU，可以处理所有轴的所有计算．四个编码器输入端口，可以同时控制4个轴运动，可以执行运动程序和PLC程序，采用 USB，Ethernet和RS－232三种通讯方式和上位机通信．传感器采用光栅编码器对运动位置进行精密的检测．2 系统软件设计多轴运动控制软件分为三个主要部分：上位机和下位机通信模块；执行机构运动控制模块；数据采集和记录．通信模块完成初始化板块、开板块、发指令、上载和下载运动程序、关板块等功能；运动控制模块实现X轴0～1 500mm，Y轴和Z轴0～300mm连续直线运动，X轴实现正弦运动，A轴±5°水平旋转，B轴±5°俯仰运动；数据采集和记录模块以每秒10次的速率在UDP端口以广播方法发送位置信息，并以记录文件的形式保存．2．1 前面板设计前面板设置运动方式，运动位移，速度，加速度等运动控制参数．由于前面板直接面向用户，是多轴运动控制系统软件的核心，主要考虑界面美观，操作简单，用户能够根据面板上的各种按钮、开关等控制多轴运动控制系统进行运动控制．PC机和PMAC卡通过以太网建立通信，在前面板界面上，输入运动方式，运动位移，速度，加速度等运动控制参数，PMAC卡就会根据命令信息控制电机运动，实时的读取各个轴当前的坐标并显示在界面上，前面板如图2所示．图2 前面板界面Fig．2 The front panel interface界面的图形显示是前面板设计中的关键，它主要任务是将执行机构的运动过程动态显示在前面板上，图形显示的程序框图如图3所示．LabVIEW在绘图方面没有很强的优势，所以首先将专业绘图工具画好的各个执行机构的部件图存储在上位机的文件目录中，利用LabVIEW得到它们的像素数据，将得到的像素数据，还原像素图，平化像素图，绘制平化像素图，将各个执行机构的部件图显示在前面板上，给各个图片设置合适的位置坐标，对应各轴反馈回来的当前坐标实现图形的动态显示．2．2 通信模块的设计美国Dault Tau公司的PMAC多轴运动控制卡不是NI公司的硬件设备，可以采用labVIEW提供的强大的外部程序接口Active X自动化技术来调用运动控制卡所提供的服务器程序Pmac－Server实现上位机和下位机的通信，从而实现多轴运动控制卡的相应功能．PmacServer提供了对运动控制卡操作的多种属性和方法，在该设计中只调用了开板卡，发送命令，下载程序，关板卡等方法．计算机与PMAC卡建立通信的方法如图4所示，实际上就是将lab－VIEW作为自动化客户端，运动控制卡提供的函数作为自动化服务器，客户端调用服务器的程序实现它们之间的通信［4］．通信模块在开板卡成功时才开启，一旦开板卡成功，就可以给PMAC卡发指令question，接收PMAC卡返回的信息panswer，或者下载运动程序到PMAC 卡．当开板卡失败时，系统会给出尝试打开设备失败的提示．发指令程序如图5所示．图3 图形显示的后面板程序Fig．3 Graph display program on back panel图4 计算机和运动控制卡建立通信的方法Fig．4 Communication between computer and movement controller图5 发送指令的程序后面板Fig．5 Sending command program on back panel运动控制卡和上位机通信成功后，不仅可执行上位机发送的指令，也可执行运动控制程序实现较复杂的运动．下载文件用平铺式顺序结构，首先将运动程序写入临时生成的文件中，采用while循环控制运动程序写入硬盘，然后通过外部程序接口Active X自动化技术调用运动控制卡提供的下载文件函数，把运动程序下载到运动控制卡，最后关闭临时生成的文件以释放内存．程序如图6所示．图6 下载文件的后面板程序Fig．6 Downloading file program on back panel 2．3 运动控制模块的设计多轴运动控制的硬件基础是多轴运动控制卡，运动控制卡执行运动程序实现运动控制的功能．X，Y，Z三个轴实现直线运动和正弦往复运动，A，B轴实现定角度旋转，定终点旋转和自由旋转．以X轴定位移运动为例计算指定位移的流程如图7所示，计算了正方向运动时给定位移的实际值．避免了执行机构由于运动出界而造成的严重后果．图7 计算指定位移的流程图Fig．7 The flow chart of calculating given displacement多轴运动控制卡的关键技术是执行运动程序，运动程序编写中，首先定义坐标系及轴，PMAC中的坐标系指的是一个或者一组为了同步的目的而组织起来的电机，通过轴定义语句为电机分配轴来建立坐标系；其次，根据所需运动来选择适当的运动指令，然后按照PMAC语法编写运动程序，下载到PMAC内存中运行．X轴定位移运动的程序后面板如图8所示．控制系统的控制精度一方面与系统结构有关，另一方面也与控制算法有关，为了达到更高的控制精度［5］，选择了比光栅尺控制精度更高的激光干涉仪对光栅尺的读数进行校正．以X轴误差校正为例，利用激光干涉仪自动采集数据的功能，每10 mm采集一个数据，共采集150个数据，以激光干涉仪的数据为真值，与光栅尺读回的数据进行误差计算，将计算的误差值顺序存入误差校正值数组中，如图9所示．算法如式（1）所示，数据间隔为10 mm，n为需要校正原数据除以10，m为需要校正原数据除以10取余数，e（n）为第n个误差值．当需要校正的原数据为10的整数倍时，当需要校正原数据不是10的整数倍时，校正后数据＝原数据＋e（n）＋［e（n ＋1）－e（n）］×（m／10）图8 X轴定位移运动的程序后面板Fig．8 Back panel program of distance motion of X－axis图9 X轴误差校正后面板程序Fig．9 Back panel program of X－axis error correction2．4 数据采集模块的设计数据采集［6］模块利用多轴运动控制卡的数据采集功能将采集到的各个轴的位置信息以通知器的形式发送．通知器可以向一个或多个并行的任务传送数据．该设计中采用了两个通知器，一个用于在UDP端口以广播方法发送采集到的位置信息，一个用于将采集到的位置信息以记录文件的形式保存，如图10所示．数据采集线程采用标准状态机［7］的模式，状态机是一种具有指定数目的状态的概念机，概念机在某个指定的时刻仅处于一种状态，状态的改变是由输入事件的状态变化而引起的，作为对输入事件的响应，系统可能转变到相同或不同的状态，每一种状态对应一种相应的操作．该标准状态机采用case结构和while循环，输入状态为枚举变量，枚举变量包括了状态机所有的状态，在while循环结束后，将采集到的所有的数据信息发送给通知器．采集的数据信息依次为：当前时间，X轴位置信息，Y轴位置信息，Z轴位置信息，A轴位置信息，B轴位置信息，温度和湿度，移位寄存器保存采集到的数据信息．3 实验结果前面板用户界面是对五轴的执行机构进行测试的软件界面．在测试的过程中，根据测试要求输入测试的参数值，点击启动按钮后就开始整个测试过程．文中选择对X 轴的定位精度，重复定位精度和速度分辨率进行测量，测试数据见表1～3．图10 数据采集程序后面板Fig．10 Back panel program of data acquisition 表1 X轴定位精度测试数据Tab．1 X－axis positioning accuracy testing data 目标距离／mm 实测距离／mm 误差／μm 100 100．000 3 0．3 300 300．001 0 1．0 500 500．001 3 1．3 700 700．001 1 1．1 900 899．999 7 －0．3 1 100 1 099．998 7 －1．3 1 300 1 299．996 5 －3．5 1 500 1 499．997 8 －2．2在X轴的运动范围内，每隔200mm选取一个点进行测量，从表1可以看出，该测试系统X轴能够准确的定位，且定位精度误差小于±4μm／200 mm．在0～1 500mm范围内随机选取三段位移重复7次进行测试，从表2中可以看出X轴的重复定位精度小于0．5μm，达到测试精度的要求．该控制系统要求X轴能够运动的最小速度为0．000 5mm／s，最大速度为60mm／s，随机指定位移进行测量，从表3中可以看出，能够达到速度要求，且能够满足定位精度要求．表2 X轴重复定位精度测试数据Tab．2 X－axis repeat positioning accuracy testing data起始点／mm 实测距离／999 9 113．999 8 113．999 9 600～750 149．999 5 149．999 5 149．999 4 149．999 4 149．999 4 149．999 3 149．999 4 1 300～1 289 11．000 1 11．000 1 11．000 1 11．000 2 11．000 2 mm 0～114 113．999 8 113．999 8 113．999 7 113．999 8 113．11．000 1 11．000 2表3 X轴速度控制分辨率测试数据Tab．3 X－axis speed control resolution testing data给定速度／（mm／s）指定距离／mm 实测距离／mm 0．000 5 0．05 0．************．998 34 结论以PC机和多轴运动控制卡为主要硬件，以LabVIEW为开发语言对PMAC卡进行二次开发，通过操作用户界面来实现运动控制的功能．利用LabVIEW强大的外部接口，介绍了通过Active X自动化技术实现上位机和下位机的通信的方法．在测试过程中能够对执行机构各个轴当前的位置，运动速度进行实时监测和控制，并且达到了微米级控制的精度．本控制系统具有安装简便，测量精确，操作界面人性化，操作简单等优点，已经成功的应用到微米级微波测距精度演示验证实验平台上．【相关文献】［1］吴成东，孙秋野，盛科．LabVIEW虚拟仪器程序设计及应用［M］．北京：人民邮电出版社，2008．WU Cheng－dong，SUN Qiu－ye，SHENG Ke．Pro－gramming and Application of LabVIEW 8．5［M］．Beijing：Posts ＆Telecom Press，2008．（in Chinese）［2］阮奇桢．我和LabVIEW——一个NI工程师的十年编程经验［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2009．RUAN Qi－zhen．I and LabVIEW－a NI Engineer with Ten Years Programming Experience［M］．Beijing：Publishing House of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2009．（in Chinese）［3］岂兴明，周建兴，矫津毅．LabVIEW8．2中文版入门与典型实例［M］．北京：人民邮电出版社，2008．QI Xing－ming，ZHOU Jian－xing，JIAO Jin－yi．Studying and Typical Examples of LabVIEW 8．2Chinese Version［M］．Beijing：Posts ＆Telecom Press，2008．（in Chinese）［4］俞亚平．LabVIEW 与 C接口设计［J］．仪表技术，2005（3）：65．YU Ya－ping．The Design of Interface Between Lab－VIEW and C［J］．Instrument Technology，2005（3）：65．（in Chinese）［5］ MATSUKA H，SAWADA C．Japanese PC－based Open Control Systems for Manufacturing Equipment［J］．International Journal Japan Society Processing．Engineering，1996，30（3）：204．［6］伯全，潘海彬，罗开玉．LabVIEW平台下基于DLL的普通数据采集卡的驱动［J］．仪表技术，2004（2）：11．BO Quan，PAN Hai－bin，LUO Kai－yu．Based on DLL Ordinary Data Acquisition Card Actuation under Lab－VIEW Platform［J］．Instrument Technology，2004（2）：11．（in Chinese）［7］高瑞，苗长云，王中伟．基于LabVIEW 的多轴运动控制系统的设计与开发［J］．天津工业大学学报，2008，27（6）：58 GAO Rui，MIAO Chang－yun，WANG Zhong－wei．Designing and Development on Multi－axes Motion Control System Based on LabVIEW［J］．Journal of Tianjin PolyTechnic University，2008，27（6）：58．（in Chinese）。