Networked Measurement & Control System of Electrorheological Transmission Based on NI Virtual Instruments
应用领域：院校
挑战：建立网络化的机电液传动装置的测控系统，进行快速、精确检测电学、力学、热力学等信号，实现在线识别、智能控制机电传动装置，构建了开放、并行、资源共享的科研和教学实验平台。
应用方案：用信号分析仪NI- 4552、数据采集卡PCI-MIO-16E-1、运动控制卡Flexmotion-6C、接线端子UMI、任意波形编辑器PCI-5411和LabVIEW实现机电液传动系统的检测与控制、并用DataSocket技术实现远程测控。
关键词：LabVIEW 电流变液 电磁传动 电流变流体 远程测控
使用的产品：LabVIEW；PCI-MIO-16E-1；PCI-5411；NI-4552； PCI-Flexmotion-6C；UMI Terminal Block
摘 要：
电流变液是一种新型智能软物质，在外加电场作用下，迅速实现液固相的转变，在机电工程具有广阔应用前景。本文全面讨论了用NI虚拟仪器构建的电流变网络化远程检测与控制系统，详细地介绍了系统的结构、功能和实现过程。这是一个并行、开放的科研和教学实验平台, 它可以进行力学、电学和热力学参量的检测、分析与控制。
引言
电流变流体（简称ERF: Electrorheological Fluids）是一种新型智能软物质（soft matter），它的表观粘度、屈服应力等与外加电场、剪切速率等有确定性的因果关系。ERF具有“液”─“固”态转化的可逆性、连续可控性、响应的快速性、功耗小等高新技术特征。它将像半导体材料对于电子技术的影响一样，引起机电传动与控制技术的一场革命。
本文用电流变传动装置和NI虚拟仪器为主传动实验装置，构建了应用广泛、功能强大的机电液传动实验系统。
主传动实验装置
如图1所示的机电传动基本实验单元及组合结构（称“实验单元盘”），其中，核心（中心圆）是电流变传动机构和NI虚拟仪器测控系统，它是主体实验。第二层次（中间圆环）是单科性实验，第三层次（外圆环）是综合实验。这个“实验单元盘”的滚动，可以实现机械传动、流体传动、电磁传动、压电传动、电磁流变传动等许多不同形式的传动实验。
装置的检测与控制系统
ERF分为无机、有机和复合材料三种，它们的性能不同；电流变传动机构的用途不同，其控制方法也不一样；ERF的不同运行参数，它的传动特性也不同。用一般的方法很难满足电流变传动装置的测控要求，本文采用NI虚拟仪器系统构建计算机检测与控制系统， 使主传动机构对于不同材料、不同运行条件、不同用途、组合为不同的传动形式时，能用软件LabVIEW实现控制，并且解决了ERF需要智能控制的问题。]
如图2所示，需要检测速度、角度、电压、电流、温度、转矩等。控制系统要求步进电机的转速能按不同波形变化、能控制调速电机的转速、电子开关和调节高压电源（0-10kV）的电压。
本系统采用数据采集卡PCI-MIO-16E-1对输入输出的转矩、转速、转角、外加电压和温度信号进行数据采集，并实现对外加电压信号的控制。采集的信号送入动态信号分析仪NI-4552进行分析处理。利用运动控制卡PCI-Flexmotion-6C、接线端子UMI和任意波形编辑器PCI-5411等实现对步进电机进行控制。
如图3为电流变测控系统结构图。ERF的力学性质复杂，不同条件下表现为牛顿流体、Bingham流体、粘弹性流体和粘塑性体。利用数据采集卡PCI-MIO-16E-1把输出与输入的角度、速度、力矩信号进行比较，用实验和理论建立起来ERF的流变性、传动装置的力学参数和电控制信号之间关系的数据库、知识库，采用解释型的推理,对参考模型进行修正，实现控制结构（即控制电压与机械量的关系式）的变化，从而能够从力学的偏差量，确定控制信号量（电流变剪切场的速度、外加电场的方向、幅值、变化规律、时间、前馈增益等）。采用这样的基于虚拟仪器的智能控制方法，克服了ERF复杂流变机理和复杂流动特性所带来的困难。
由于电流变效应为毫秒级，系统采样速率定为40000scans/s。为了模拟人操纵机构，用PCI-
5411的波形编辑器Waveform Editor产生不同波形的信号，驱动步进电机。
建立网络化测控系统
网络化机电传动实验的关键是远程测控技术。这里采用基于虚拟仪器的远程测控方案。
远程虚拟测控系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统构成如图4所示。
在远程测控的情况下，系统的测量、分析、输出、控制等部分在空间上常常是分开的，仅一台计算机是难以实现数据的实时采集处理的。同时，随着环境和要求的不断变化，会对系统提出不同的任务，常规的测控系统很难满足上述要求。而远程虚拟测控系统很好地满足了上述要求，它在相应的硬件基础上，将系统功能划分有相应的功能模块分解到不同的计算机上，不同任务只要通过灵活改变系统软件模块来实现，通过网络把各模块联接起来并在各模块间传输数据。
软件系统是远程虚拟测控系统的关键部分，它的各项功能都是通过软件来实现的，从采用传感器采集数据，到对数据进行分析等等也都由软件来完成。本系统主要由被称为是工程师和科学家开发语言的，NI公司开发的LabVIEW来构建，它是一种多功能的图表制作程序语言，用户可用它快速地建立用户界面及其各种系统建立相互控制系统，并通过装配板块图面对其系统功能进行具体分类。LabVIEW具有功能强大、精度高、速度快、实时性好，且简单、直观、易学等特点，为工程技术人员构建所需的测控系统提供了很好的开发平台。
虚拟仪器的远程测控可以根据不同的情况采用不同的技术去实现。NI公司推出的DataSocket (DS)技术和Remote Device Access (RDA)均能很好地实现，在本系统中采用DS技术来实现。
对整个远程虚拟测控系统的操作在客户机上进行即可。系统的管理主要是安全和保密问题。服务器管理程序设有咨询服务、申请登陆、身份验证、实验方案评审、分配机时、实验报告评阅等功能。管理人员与用户（学生）可以交互通信。
实践与效果
用NI虚拟仪器构建了一套完善的电流变网络化测控系统，本系统是一个应用广泛、功能强大、开放、并行、资源共享的科研和教学实验平台。教师、进修人员、研究生和本科生在本系统上进行各种科研和教学实验，只要在计算机上采用编程的方法就可做各种复杂的实验，大大缩短了开发时间，同时降低了成本，取得相当好的效果。
图5为输入阶跃电压，传动系统输出力矩和转角的响应曲线。
图6为利用本系统采集的数据作为学习样本，用人工神经网络识别系统的曲线。
