1 车体静强度试验台测控系统硬件设计

车体静强度试验台测控系统硬件结构如图1所示，主要由液压缸作用力控制回路、泵站控制PLC、远程信息化服务器三个部分构成。

图1 车体静强度试验台测控系统硬件结构

Fig. 1 System hardware structure of measurement and control system for car body static strength test bench

1.1　液压缸作用力控制回路

液压缸作用力控制回路主要实现液压缸作用力的采集与控制。其中，拉压力变送器安装在液压缸活塞杆与车体接触面上，实时采集液压缸对车体的作用力并转换成-5~5 V（负值为压力，正值为拉力）的标准信号。上位机通过串口RS485接收经模拟量输入模块A/D转换后的作用力数据并执行控制算法，然后通过串口RS485输出控制电压信号，经模拟量输出模块D/A转换后驱动比例阀。比例阀的控制电压范围为0~10 V，通过控制比例阀电压即可控制液压缸作用力的大小，液压缸作用力的方向可通过控制换向阀进行切换^[10]。

1.2　泵站控制PLC

泵站控制PLC负责采集泵站状态数据（液压油液位、温度等）及对泵站中液压元件（电磁阀、液压泵等）进行控制。采用西门子S7-200 SMART PLC作为泵站控制PLC，相较于S7-200 PLC，它具有更多的 I/O点数和更快的处理速度，同时其CPU（central processing unit，中央处理器）上集成了以太网接口，可实现无需在PLC内部编程即可方便地与上位机通信^[11]。在采集到泵站状态数据及各种报警信号之后，S7-200 SMART PLC通过以太网将数据上传至上位机进行监控，同时，该PLC还接收用户在上位机人机界面的操作命令来控制相应液压元件，实现对泵站的远程操作。

1.3　远程信息化服务器

远程信息化服务器对上位机软件的登录、退出、试验信息及采集的数据进行记录与信息化管理，该服务器与上位机通过以太网进行通信。

2 车体静强度试验台测控系统软件设计

车体静强度试验台测控系统软件由信息化服务器软件、基于LabVIEW 2014的上位机软件、PC Access SMART（OPC服务器软件）、NI VISA（virtual instrument software architecture，虚拟仪器软件结构）串口通信模块及Word2013和Excel2013组成，如图2所示。

图2 车体静强度试验台测控系统软件组成

Fig. 2 Software composition of measurement and control system for car body static strength test bench

试验时，用户先登陆上位机软件，进行液压控制，即液压缸作用力控制和泵站控制。对于液压缸作用力控制部分，上位机软件与模拟量输入模块和模拟量输出模块之间通过NI VISA串口通信模块实现通信^[12]，完成液压缸作用力数据的采集、处理、显示、存储及报表生成，执行自适应PID控制算法和输出控制信号等。为方便查看和后期处理，采用ActiveX技术将数据存储为Excel格式，报表生成为Word格式^[13,14]。对于泵站控制部分，上位机与PLC之间通过OPC技术实现通信，本文选择PC Access SMART作为OPC服务器软件，直接与PLC以太网通信模块通信以读取或写入数据。

2.1　远程信息化系统设计

上位机软件与信息化服务器软件交互的流程如图3所示。上位机软件的使用主要分为超级管理员和一般用户两级权限。超级管理员在使用上位机软件时，除登录时会向信息化服务器软件发送数据外，其余过程不受信息化服务器软件控制。一般用户在使用上位机软件时，其登录信息会通过TCP/IP（transmission control protocol/internet protocol，传输控制协议/网络协议）^[15]被发送至信息化服务器软件，如果允许登录，信息化服务器软件会基于Web技术提供上位机软件内嵌网页让用户完成试验任务信息的填写以实现上位机软件的登录，否则返回不允许使用的原因并提示用户。在进行试验时，上位机软件将通过UDP（user datagram protocol，用户数据报协议）定时向信息化服务器软件发送试验台状态数据。当用户结束试验申请退出上位机软件时，信息化服务器软件首先判断试验台状态，当存在故障时通过上位机软件弹出故障维修申请网页供用户填写，待用户填写完毕后退出上位机软件。

图3 上位机软件与信息化服务器软件交互流程

Fig. 3 Interaction flow of upper computer software and information server software

2.2　上位机软件液压控制程序设计

上位机软件液压控制界面如图4所示。在该界面上，用户可进行传感器清零、液压缸作用力闭环控制、液压泵站元件控制等操作及查看传感器数据和报警信号等。在设计液压控制程序时，由于程序既要响应用户事件，又要进行数据的采集、处理、显示以及保存等多个任务，同时各个任务之间还要进行通信，因此采用基于队列的状态机模式^[16]。

图4 上位机软件液压控制界面

Fig. 4 Hydraulic control interface of upper computer software

3 液压缸作用力数字滤波与控制算法

3.1　液压缸作用力数字滤波

在采集液压缸作用力数据时，会受到现场电磁噪声等干扰。为了准确测量和控制，对测量信号进行滤波是非常有必要的。由于数据采集硬件滤波的局限性，需要在软件中对信号进行数字滤波。

液压缸作用力信号为低频信号。相比其他类型的低通滤波器，巴特沃斯滤波器具有通频带的频率响应曲线最平滑的特点，因此本文采用巴特沃斯低通滤波器对液压缸作用力信号进行滤波以减少信号干扰^[17]。由于液压缸作用力控制过程属于平稳过程，在设计滤波器时，可通过在较为理想的情况下采集大量数据并分析其频谱以设置滤波器参数。采集的液压缸作用力数据在经过FFT（fast Fourier transform，快速傅里叶变换）变换后，其单边幅度谱如图5所示。

图5 液压缸作用力单边幅度谱

Fig. 5 Hydraulic cylinder force single-sided amplitude spectrum

本文采样频率f_s=2 Hz，奈奎斯特频率为1 Hz。结合实际情况并分析图5可知，液压缸作用力响应信号分布在0.5 Hz以内，因此滤波器参数设计指标为：通带截频ω_p=π，通带波纹R_p=1 dB，阻带截频ω_s=1.6π，阻带最小衰减A_s=60 dB^[18]。

3.2　液压缸作用力控制算法

在设计车体静强度试验台测控系统中液压缸作用力控制算法时，为了保证测控系统的安全性和鲁棒性，需根据实际情况对PID算法进行改进，同时对其参数进行自适应整定。本文以600 t液压缸作用力控制为例来说明本文控制算法的设计流程和效果。自适应改进PID控制器结构如图6所示，其中：T_ref为液压缸作用力给定值，kN；Tk为拉压力传感器反馈的液压缸作用力， kN； u(k)为控制电压，V；e(k)为误差，kN；ΔKi和ΔKd分别表示PID控制器积分系数Ki和微分系数Kd的调整量。

图6 自适应改进PID控制器结构

Fig. 6 Adaptive improved PID controller structure

3.2.1　改进的PID控制算法

PID算法是工业上应用最广泛且控制效果较好的控制算法^[19]，根据液压缸实际加载特性，本文对PID作如下改进：

当误差ek较大，即ek>3.2 kN时，使用积分控制，由于液压缸作用力和控制电压呈正相关，因此可以根据误差快速平稳地改变控制电压来使液压缸作用力逼近给定值。

同时，为保证液压缸作用力加载过程中车体的安全,需要考虑两部分：1）开始加载时液压缸和车体之间有一定的机械间隙，在液压缸活塞与车体紧贴之前传感器反馈的液压缸作用力保持为0 kN，为防止在开始加载至液压缸活塞与车体紧贴的这段时间内控制电压过度累积而发生严重超调，在控制电压达到1.85 V且传感器反馈的液压缸作用力不大于50 kN时，保持控制电压不再上升；2）为防止液压缸作用力增大速度过快而引发安全隐患，当液压缸作用力增大速度vk=Tk-Tk-1fs>14 kN/s时，立即减小控制电压，并结合自适应算法调整积分参数以使液压缸作用力增大速度在安全区间内。

当误差较小，即ek ≤3.2 kN时，为抑制超调和振荡，引入微分控制来使Tk快速稳定于液压缸作用力给定值Tref上。

改进PID控制算法的流程图和程序框图分别如图7和图8所示，其中，K_i初始值为1.32×10-4，K_d初始值为3.25×10-5。

图7 改进的PID控制算法流程

Fig. 7 Flow chart of improved PID control algorithm

图8 改进的PID控制算法程序框图

Fig. 8 Block diagram of improved PID control algorithm

3.2.2　PID参数自适应整定

在车体静强度试验中，每次试验使用的车体不同，而不同车体之间的性能会略有差异。为保证控制效果，本文通过线性自适应算法对PID参数进行在线调整以改善其控制性能。

首先对K_i进行调节。在液压缸作用力增大过程中，控制目标是确保其增大速度在一个安全的区间内，本文测控系统设定的液压缸作用力增大速度vk∈[6,14] kN/s。K_i的调节算式为：

然后对K_d进行调节。试验时，K_d不能太小，太小起不到及时刹车作用；K_d也不能太大，太大会导致液压缸作用力减小而无法达到给定值。进入微分调节后，相邻2个采样周期作用力增大速度之比α=vk/vk-1，为保证α∈(0，0.6]时，对K_d进行调节，K_d的调节算式为：

由于自适应算法涉及大量数学公式，如果仍然采用图形化编程的方式将会导致编程效率和程序的可读性大大降低，为此，本文利用LabVIEW提供的公式节点，以文本的方式进行自适应算法的编程，用于调整本文PID参数自适应算法程序框图如图9所示。

图9 线性自适应算法程序框图

Fig. 9 Block diagram of linear adaptive algorithm

4 车体静强度测试试验

为了验证本文测控系统的性能，在车体静强度试验台（见图10）上进行了测试试验。

图10 车体静强度试验台

Fig. 10 Car body static strength test bench

试验时，车体静强度试验台测控系统正常工作，成功采集了液压缸作用力、泵站状态数据并对液压缸作用力进行了有效的控制。在不同车体上分别将液压缸作用力给定值从600 kN增大至800 kN，得到的液压缸作用力响应曲线如图11所示。

图11 液压缸作用力给定值从600 kN增大至800 kN时不同车体的液压缸作用力响应曲线

Fig. 11 Hydraulic cylinder force response curve of different car bodies when changing the hydraulic cylinder force setting value from 600 kN to 800 kN

由图11可知，在调试车体上改变液压缸作用力给定值后，其液压缸作用力上升过程十分平稳，并最终几乎无超调地稳定在800 kN上；在试验车体上同样改变液压缸作用力给定值后，在经过约6 s时液压缸作用力上升速度超过了安全区间，此时在控制算法的作用下液压缸作用力上升速度迅速降低，然后在经自适应算法调整参数后的PID控制作用下液压缸作用力平稳上升，最终也几乎无超调地稳定在800 kN上。由此说明，本文所设计的液压缸作用力控制算法具有较高的控制精度和较强的鲁棒性、安全性。

5 结束语

1）基于LabVIEW软件开发平台以及S7-200 SMART PLC等硬件，开发了车体静强度试验台测控系统。该测控系统实现了对泵站的远程操作与监控，及对液压缸作用力的闭环控制，提高了系统的鲁棒性和安全性，满足车体静强度试验中对测控系统的要求。

2）该测控系统充分利用LabVIEW的强大功能，完成了试验数据的采集、处理、保存、报表生成等功能，同时实现了试验台的远程信息化。该测控系统具有界面友好、操作简便、功能强大、高度自动化和信息化等诸多优点，可为其他类型测控系统的设计提供参考和借鉴。

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