（机械工程专业论文）基于lab+view振动控制分析虚拟仪器研究.pdf

基于l a b v i e w 振动控制分析虚拟仪器研究 摘要 目前，国内运输包装测试水平比较低，而在包装振动测试中很难得到准 确的分析，同时振动波形单一，很少能真正模拟实际运输过程中的振动情景。 虽然国外已经研制出精度高、易拓展的、操作简单的用于包装振动测试系统， 但是价格昂贵，同时在技术上对华禁售，因此我国振动测试发展缓慢。随着 国内科学技术的发展以及工艺的改进，国内也开发设计出了高速度、高精度 的采集卡等硬件，价格也便宜，因此对于更加真实、更加准确的包装件振动 试验成为可能。 根据运输包装振动测试的需要，研究开发了基于l a b v i e w 的振动控制 分析虚拟仪器来做振动实验，该程序可以对振动台的频率和幅值进行控制、 数据采集、分析处理，得到振动传递率曲线，通过时域分析和频域分析等来 评估包装的可靠性，找出包装件的固有频率，从而为缓冲包装设计提供有力 的数据支撑。本论文的研究侧重于对设备的控制以及分析软件的开发。 研究了目前国内振动试验机的现状，针对目前市面上测试软件的扩展性 差、整套设备价格昂贵、测试精度低、仅能做特定波形激励的振动试验，因 此课题的研究就是为了解决其中一些这些不足，在充分利用现有设备的情况 下，尽可能的满足振动测试要求。 硬件方面采用电动振动台、功率放大器、加速度传感器、计算机和采集 卡来组装整个测试系统。虚拟仪器生成激励通过采集卡的d a 传送给功率 放大器，然后传给振动台，驱动振动台面的振动，p i d 闭环控制对振动台面 的振幅和频率进行控制，三轴向加速度传感器对试验品的振动响应( 振动情 况) 由采集卡进行采集，对所采集的信号进行滤波、f f t 变换等时频分析、 振动传递率计算，从而得到所需的测试数据。软件同时还可以对所采集的数 据存储、回放以及生成试验报告。 在软件的编程上，采用了多种结构嵌入使用，运行效率更高。同时应用 m 开发的p i d 控制包，以及p i d 高级算法，很好完成对振动的控制。加上 功能强大的时域分析v i 和频域分析v i ，能快捷的得到信号的时频谱。控制 属性节点和调用属性节点，拓展了程序的功能，使得用户界面更加友好。 采用先进的p i d 闭环控制算法对振动进行控制，免去了传统测试所需要 的振动控制仪，开发的虚拟仪器有着优秀的数据采集、处理、分析、存储和 回放功能，同时也可以自动生成实验报告。这一成果降低了振动试验机的成 本，提高了测试的精度与准确性。 关键词：p i d 控制，振动测试，虚拟仪器，l a b v i e w b a s e do nl a b v i e w b r a t i o nc o n t r o l & a n a l y z i n g r t u a li n s t r u m e n tr es e a r c h a b s t r a c t a tp r e s e n t ，d o m e s t i ct r a n s p o r tp a c k a g i n gt e s tl e v e li sr e l a t i v e l yl o w i ti s v e r yd i f f i c u l tt og e tt h ea c c u r a t ea n a l y s i sa n dt h ev i b r a t i o nw a v e f o r m s a r ev e r y f e wa tt h ev i b r a t i o nt e s t t h e r ea r en o tr e a ls i m u l a t i n gv i b r a t i o nc o n d i t i o n sa t t r a n s p o r t i n g f o r e i g nc o u n t r i e sh a v ed e v e l o p e dh i g hp r e c i s i o n ，e a s ye x p a n s i o n ， e a s y t o u s e df o rp a c k a g i n g v i b r a t i o nt e s ts y s t e m s ，b u tt h ep r i c eo ft h ev i b r a t i o n t e s ts y s t e mw h i c hc o n t a i n sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei se x p e n s i v ea n dt h ew e s t c o u n t r i e sf o r b i ds e l l i n gt h ea d v a n c e dt e s tt e c h n o l o g i e st oc h i n a o u rc o u n t r y d e v e l o p ss l o w l yi nt h i sa r e a w i t ht h ed o m e s t i cs c i e n t i f i cd e v e l o p m e n t a n dt h e t e c h n o l o g i c a lp r o g r e s si m p r o v e m e n t s ，o u rc o u n t r yh a s a l s od e s i g n e dh i g h - s p e e d ， h i g h p r e c i s i o nd a t ea c q u i s i t i o nc a r da n d o t h e rh a r d w a r ew i t hc h e a p e rp r i c e s ，s oi t i sp o s s i b l ef o ru st os i m u l a t et h em o r er e a l i s t i ca n dm o r ea c c u r a t ep a c k a g e v i b r a t i o nt e s t a c c o r d i n gt ot h et r a n s p o r tp a c k a g e sv i b r a t i o n t e s t sn e e d s ，t h i sp a p e r r e s e a r c h e dv i b r a t i o nc o n t r o la n da n a l y s i sv i r t u a li n s t r u m e n t sb a s e do nl a b v i e w t od ot h ev i b r a t i o nt e s t t h ep r o g r a mc a nc o n t r o lt h e 仔e q u e n c ya n da m p l i t u d eo f t h et a b l e ，a c q u i r ed a t e s ，a n a l y s ea n dp r o c e s si no r d e rt og e tt h ev i b r a t i o n t r a n s m i s s i o nr a t ec u r v ea n df i n dt h en a t u r a l 丹e q u e n c yo ft h ep a c k a g e st h r o u g h t h et i m ed o m a i na n a l y s i sa n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i s t h et e s tr e s u l tp r o v i d e s s t r o n gd a t as u p p o r tf o rb u f f e rc u s h i o nd e s i g n e r t h i st h e s i sr e s e a r c hf o c u s e d o n t h ec o n t r o lo ft h ee q u i p m e n ta n da n a l y s i ss o f t w a r ed e v e l o p m e n t t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h es t a t u so ft h ed o m e s t i cv i b r a t i o nt e s tm a c h i n e ，i n a l l u s i o nt ot h ec u r r e n t l ya v a i l a b l ev i b r a t i o nt e s te q u i p m e n tw h i c hh a sh i g hp r i c e ， t h et e s ts o f t w a r ec a nn o te x p a n d ，t h et e s tp r e c i s i o ni sl o w , s ot h i sp a p e ra i m st o s o l v es o m e s h o r t c o m i n g s o ft h e ma n do nc o n d i t i o nf u l lu s eo fe x i s t i n g e q u i p m e n t ，t h ep r o g r a mi s a sm u c ha sp o s s i b l et om e e tt h ev i b r a t i o nt e s t r e q u i r e m e n t t h ee n t i r ev i b r a t i o nt e s t s y s t e m c o n s i s t so f h a r d w a r ea n dt e s t p r o g r a m h a r d w a r ec o n t a i n se l e c t r i cv i b r a t o r , p o w e ra m p l i f i e r , t h ea c c e l e r a t i o n i i i s e n s o r , d a t ea c q u i s i t i o nc a r da n dc o m p u t e r t e s tp r o g r a ma d o p t sl a b v i e w 2 011 t oe x p l o r e f i r s t ，t h ev i r t u a li n s t r u m e n tg e n e r a t e sad a t es i g n a l ，t h ed a t es i g n a l t h r o u g ht h ed at r a n s f e r , o u t p u tm o d u l es i g n a l ，a n dt h e nt h r o u g ht h ep o w e r a m p l i f i e r , p a s s e dt ot h ev i b r a t o rt od r i v et h ev i b r a t o ra n dt h ep i dc l o s e d l o o p c o n t r o lt h ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo ft h ev i b r a t o r ，a n dt h e nt h ed a t ea c q u i s i t i o n c a r ds t a r tt oa c q u i r et h et h r e ea x i a la c c e l e r a t i o ns e n s o r ss i g n a l s ，t h ep r o g r a m t r e a tt h e s es i g n a l sw i t hf i l t e ra n df f tt og e tt h et i m ed o m a i na n a l y s i sa n d f r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sa n d t h ev i b r a t i o nt r a n s m i s s i o nr a t e ，w ec a na l s os a v e t h ed a t e sa n dp l a y b a c kt h ed a t e sa n dg e n e r a t et e s tr e p o r t s i nv i r t u a li n s t r u m e n tp r o g r a m m i n gu s i n gav a r i e t yo fs t r u c t u r e s ，s u c ha s w h i l el o o p ，c a s es t r u c t u r e ，t h o s em a k eh i g ho p e r a t i n ge f f i c i e n c y a tt h es a m e t i m e ，a d o p t e dt h en id e v e l o p e rp i d v i s t h ep i dv i sh a v ea d v a n c e da l g o r i t h m w h i c hi sg o o da tc o n t r o l l i n gt h ev i b r a t o r c o u p l e dw i t hap o w e r f u lt i m ed o m a i n a n a l y s i s v i sa n df r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sv i s ，w ec a ng e tt h es i g n a l s t i m e - f r e q u e n c ys p e c t r u me a s i l y c o n t r o l l i n ga t t r i b u t en o d e sa n dt r a n s f e r r i n gt h e p r o p e r t yn o d e se x p a n dt h ef u n c t i o n a l i t y o ft h ep r o g r a ma n dm a k et h eu s e r i n t e r f a c em o r ef r i e n d l y t h i sp a p e ra d o p t e da d v a n c e dp i dc l o s e d l o o pa l g o r i t h mt oc o n t r o lt h e v i b r a t i o n t h i ss y s t e md i d n tn e e dv i b r a t i o nc o n t r o ld e v i c e ，w h i c hc a ns a v e c e r t a i nm o n e y t h ed e s i g n e dv i r t u a li n s t r u m e n th a se x c e l l e n tc a p a b i l i t i e so fd a t e a c q u i s i t i o n ，a n a l y s i s ，p r o c e s s i n g ，s t o r a g e ，p l a y b a c ka n da u t o m a t i c a l l yg e n e r a t i n g t e s t r e p o r t t h i so u t c o m er e d u c e st h ec o s t o ft h ev i b r a t i o nt e s ts y s t e ma n d i m p r o v e st h ep r e c i s i o na n da c c u r a c yo f t h et e s t k e yw o l m s ：p i dc o n t r o l ，v i b r a t i o nt e s t ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w 基于l a b v i e w 振动控制分析虚拟仪器研究 1 绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 国内外发展状况 在日常的生活中，振动现象是随处都见的如拍手、敲锣打鼓等等都涉及到振动。而 关于振动的研究一直是各大高校的重要研究课题，振动发展到今天，随着科技的进步， 各种振动理论等不断的前进发展，其中一些能应用推论及实验论证，而还有许多需要人 们的不断的探索。而在分析一些振动现象的时候，需要有力的证据来证明，于是实验就 起到了很大的帮助。而在实验中测试也显得尤为重要了。 振动测试的发展也经历了几个重要的时期，如模拟电路等器件来测试，有用数字化 的设备以及如今的高度自动化智能化的仪器。模拟式的基本结构是由磁和机械组成的， 等效化的手段用电路来实现，准确性差、反应慢、易受外来因素影响等特点。而数字化 仪器相对模拟的先进多了，用数字电路做成，在准确度、反应速度等方面都有较大的改 善。而随着大规模的集成电路的发展，计算机的诞生，于是就催生了智能自动化的出现， 因此，智能化仪器应用的范围更广、更方便灵活、更容易开发、拓展、升级。在二十世 纪的后期，计算机的性能发展极为迅速，每秒运算万亿次，因此应用于测试的软件也问 世了，其在现实中的成功应用，促进了虚拟仪器的诞生。应用虚拟仪器技术，开发设计 者可自行开发设计，按使用要求进行编译，自行调试，缩短了开发周期，这就尽可能大 的提高了测试的效率。 虚拟仪器是一个新兴的技术应用于测试当中，自从上世纪八十年代后期，这一时期 的测试仪器与前几代相比，发展的速度更迅猛。其发展气势磅礴，波澜壮阔。这要归因 于虚拟仪器的测试功能强大，用户可以自行对其定义或者再开发，而不同于生厂商生产 的产品已经定型而无法改变，如想要其功能更好则需要重新购买新的测试设备。除了常 用的分析仪器如波形产生器，数字万用表，频率分析计等仪器之外，各行各业都有相当 数量的量需要测试，如果有了虚拟仪器的开发平台，那么只需要根据物理数学理论或原 理，在该平台上进行编程，然后调试，这样就可以设计制作自己所需要的测试设备了。 所以，作为虚拟仪器的使用及学习者，广大的进行科学研究的既是虚拟仪器的设计与发 展推动者。 如今，各种新型的理论及新型技术的发展及推动，如神经网络技术、模糊控制技术、 小波分析技术在各大领域内的应用及发展，硕果累累。而混沌理论才i 习f j f l i j 起步，就在测 试领域内表现出巨大的潜力。而这些技术的出现及应用，都是建立在计算机的基础之上 的，因为计算机几乎无处不在，这就使得虚拟仪器能得到广泛的应用及推广。总而言之， 陕西科技大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的振动控制与分析虚拟仪器的测试，用软件来替换某些硬件( 无法全是软 件而不需要硬件) ，更灵活方便、高效节能、功能强大等特点，其为当今的测试与控制 领域的焦点，无可厚非的标明未来测试仪器技术的发在方向。 而中国的测试仪器技术是相当的落后，与西欧日本等相比，测量的精准度与可靠性 及自动化智能化程度低下。目前，市面上有着各种的测试开发软件、各种集成电路、约 定成型的软件，系统技术和模块化仪器的出现，都给虚拟仪器的应用与研究创造了良好 的环境，同时也为中国提供了追赶外国缩小差距的机会。虚拟仪器在我国的推广与发在 有着重要的现实意义，其有助于提高我国的测试水平，缩短开发周期，节省资源和劳动 力。而目前的振动测试系统大都是用其他的编程语言，如c h ，进行编程，结合各种硬 器件来进行的，不同的生产商有着不同的测试系统及硬件组成，因而性能也就参差不齐， 各有各的优点与缺点。而在把控制系统与测试融为一体的却是凤毛翎角，本文结合美国 n i 公司开发的l a b v i e w2 0 1l ，研究开发设计测试包装振动试验的振动控制与分析虚拟仪 器。 1 2 虚拟仪器技术概述 1 2 1 虚拟仪器概念 虚拟仪器技术就是指在包含数据采集设备的通用的计算机平台上，根据需求可以高 效率地构建形形色色的测试系统i l 】。对大多数的用户而言，主要的工作变成了软件设计。 虚拟仪器技术突破了传统仪器技术的局限，可以将许多信号处理的方法方便地应用到测 试中，并且为自动测量和网络化测量创造了条件。虚拟仪器是基于计算机的仪器，主要 是指将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，来实现仪器的各种功 能。其是美国国家仪器公司领先于世界其他测量生产商家的原因是其开发的软件有着软 件的超级效率、功能化的输入与输出设备和连接软件与硬件的强大设备。使得虚拟仪器 技术拥有简单易用、缩短开发周期、可以自行开发升级以及多项功能于一体等诸多优势。 ( 1 ) 强大的软件 虚拟仪器技术中最重要的组成部份是软件。正确的使用软件工具一虚拟仪器技术 并通过设计或调用特定的程序v i ，开发设计者们就能够轻松方便的设计自己的需求和友 好的人机对话界面。n i 公司开发的一种图形化编程语言- i ，a b v i e w ，不仅可以快捷轻 松地进行软硬件的连接，同时能提供强大的数据分析处理功能，如设置数据的存储、转 换，显示等并将所需结构显示并输出，用户更方便使用。同时也提供了更多的功能安装 包，如可以做触摸屏的、机器人的等模块，可以更高效率更高兼容性的满足用户的开发 设计要求。学会使用了如此强大的软件，根据自己的需要，充分利用其功能，开发出自 动化智能化的测试软件或者系统，从而把虚拟仪器在测试中的优势发挥得淋漓尽致。 ( 2 ) 模块化的i o 硬件 2 基于l a b v i e w 振动控制分析虚拟仪器研究 为了满足测量日益增长的需要，市面上出现了各种各样的多功能的全面的解决方案。 不管您是使用什么形式的如u s b 的或者其他，都能提供与之配套的产品来满足您的要 求。产品有数据采集卡、模块化仪器、p x i 和c o m p a c t p c i 、实时测量与控制、分布式i o 、 工业自动化平台与p a c 、运动控制和电机驱动、通讯总线与协议、v x i 和v m e 以及嵌 入式硬件，强大的软件配合着性能优良的硬件，可以满足开发者的各种个性化需求。 ( 3 ) 用于集成的软硬件平台 各种硬件平台专为测试任务设计的，已经成为如今测试、测量和自动化应用的标杆， 它的开放式、灵活性和计算机技术的成本优势为测量和自动化行业带来了一场惊天动地 的改革。其是一种专门为工业领域的数据采集与生产等自动化应用量身定做的模块化仪 器平台，内部配备有高精技术的触发总线和定时，而后又配以各种类型的模块化的i o 硬件和与之对应的测试测量开发设计软件，于是我们就可以完全设计自定义的测试测量 的解决方式及路径。无论是面对简单的数据采集应用，还是高端的混合信号同步采集， 借助p x i 高性能的硬件平台，您都能游刃有余。其就是虚拟仪器技术带给您的无可比拟 的优势【2 】。 虚拟仪器技术的四大优势：性能高、扩展性强、开发周期短、无缝集成【2 1 。 虚拟仪器是今后测试控制、仪器仪表研究与发展的方向，用美国国家仪器公司的 l a b w i n d o w s c v i 作为虚拟程序的开发平台，比用其他的语言开发的如c 语言等常用的 编程难度大大的减少，使得软件开发有着很高的效率，界面更加友好，功能更加的强大， 且扩展性更好，对采集到的数据可用于更为高级的分析处理程序进行信号处理，当然也 可以为了使所得测试曲线符合实际情况，进行拟合处理。总之，虚拟仪器有强大的功能， 它强调“软件就是仪器”，用软件代替硬件，易调试、易开发、可有效节约开发的资金。 1 3 论文研究的主要研究工作 1 3 1 目的及意义 测量测试领域的巨大变革是伴随着计算机技术的飞速发展而来的。就是应用功能强 大的硬件，加上简单易用，快捷高效的软件来完成用户要进行的测量或者测试的要求。 而虚拟仪器是在计算机基础之上发展的，是一门新兴的技术，其结合了与测试相关的各 种理论、技术等知识，并与计算机通信，数据传输技术以及g 语言编程技术于一体。虚 拟仪器技术是在计算机产生之后才有的，在测试中是其与计算机、其它硬件相互协作的 媒介，因此，虚拟仪器的产生是测试测量的发展的重大转折点。 在做产品的包装材料的实验中，我们知道缓冲包装材料如e p e 对产品有隔振作用， 保护产品。当然缓冲材料不可能完全隔振，起到减振的作用，把一定的振动传递给了产 品。而做包装材料的振动试验，就是为了测定其振动传递率，在一定程度上给产品包装 设计者提供信息，指导其缓冲包装设计。目前的一些振动试验设备功能单一化，试验结 3 陕西科技大学硕十学位论文 果不准确、失真，满足不了测试的要求；而高端的振动测试设备，虽然功能强大，测试 精确度高，但是一般不会为了做这种测试而去购买如此高昂的设备；同时，国外的先进 技术禁止被引进，制约中国振动测试的发展。因此本文在低端的设备上，充分利用硬件 的性能，研究开发出不仅能很好控制硬件，使得包装材料振动试验结果尽可能的准确， 同时为大多能够担负、操作简单、准确度高、功能强大。而l a b v i e w 正好是开发这套 系统的不二之选。 振动试验的整个系统是由如下部分组成：电动振动台、数据采集卡、信号调理器、 功率放大器、传感器以及计算机组成。通过计算机软件生成激励，经由采集卡，功率放 大器等一系列动作之后，对试样进行实验，对所得数据分析处理之后，得到振动传递率 曲线，从而为产品缓冲包装设计提供数据支撑。由美国国家仪器公司开发的图形化编程 l a b v i e w 软件开发设计整体系统，很好的服务于生产与研究。虚拟仪器是一种基于计 算机的自动化测试仪器系统。它将仪器装入计算机中，以通用的计算机硬件及操作系统 为依托，可以实现各种仪器的功能。使用l a b v i e w 软件不仅能轻松方便地完成与各种软 硬件的连接，更能提供强大的数据处理能力，设置数据转换、处理、存储的方式，并将 测试结果显示给用户。如今已成为国外测试领域应用最广泛的开发平台之一。用该软件 虚拟振动控制而做包装振动实验就是很好的应用。 其基本工作原理是：计算机软件生成激励通过采集卡的数模转换器把数字信号转换 成为模拟信号，经过功率放大器，传给振动台，于是振动台的台面开始振动，加速度传 感器把振动台面的振动转换为电信号给信号调理器之后传递给采集卡的模数转换器，软 件p i d 控制，使得振动台面按照所给激励进行振动，之后固定于试验样品上的三向加速 度传感器开始工作，开始采集这三向数据，并分析处理，最后存储、回放、报告输出等。 图1 - 1 振动测试系统 f i g 1 1v i b r a t i o nt e s ts y s t e m 由于整个控制系统可能有非线性、时变性以及谱估计误差的影响，实际的均衡过程 要反复进行，才能使控制点的响应自谱逐步逼近参考谱并稳定在规定的容差范围内，这 就要求整个控制系统具有很好的实时性。衡量随机振动控制系统实时性的技术指标是“回 路时间”和“均衡时间”，前者是指完成一次闭环控制的循环时间，后者是指从试验开始直 4 基于l a b v i e w 振动控制分析虚拟仪器研究 至控制点的测量谱进入规定容差范围内所需要的时间。 本课题借助虚拟仪器技术、计算机技术及数字信号处理技术，开发设计了以计算机 为核心的振动测试系统，针对缓冲包装材料进行振动测试需求，力求克服以i j 振动测试 系统的不足，借以推动虚拟仪器技术在包装测试领域中的普及应用。 1 3 2 主要研究内容 根据目前振动测试系统的发展现状，课题确立了基于虚拟仪器技术的设计思想以实 现对振动台综合参数的测试分析，在课题的实施中完成以下工作： 本课题从虚拟仪器开发的角度，首先确定系统的总体方案和硬件配置，然后从整体 上确定系统的模块组成，在l a b v i e w 平台下开发一套振动控制及数据分析系统软件， 主要从以下几个方面进行： ( 1 ) 振动信号分析与处理 本课题开发的应用系统是针对振动信号分析与处理的，所以必须掌握信号分析与处 理的基本理论。为此，该课题需要介绍信号分析与处理中常用的分析方法，包括时域分 析( 求取信号在时域中的特征参数：峰值、均值、方差、均方值等) 、频域分析( 功率谱 分析、频率谱分析) 。 ( 2 ) 虚拟仪器应用与研究 虚拟仪器是最近发展起来的一门崭新学科，是仪器产业发展的一个重要方向。本课 题将从虚拟仪器的基本概念出发，分别介绍其发展过程、典型构成以及与传统仪器相比 所具备的优势等几个方面，对虚拟仪器理论作一些研究和探讨。 ( 3 ) p i d 闭环控制系统研究 。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称p i d 控制( 调节) 。当不确定被控制对象能否通过有效的测量手段获得系统参数时，采用p i d 闭环控制系统。它的特点是系统被控对象的输出( 被控制量) 会反送回来影响控制器的 输出形成一个或多个闭环。利用p i d 闭环控制系统对振动信号振幅的输出进行反馈和补 偿，减小系统误差，使测试更加精确。 ( 4 ) 控制系统人机界面的设计 控制系统的人机接口是一个对话的界面。人机界面设计是指通过一定的手段对用户 界面有目标和计划的一种创作活动。大部分为商业性质、少部分为艺术性质。人机界面 ( h u m a nc o m p u t e ri n t e r f a c e ，简称h c i ) 通常也称为用户界面 3 1 。人机界面设计主要包 括三个方面：设计模块、设计软件构件之间的接1 3 和其他非人的信息消费者和生产者的 界面、设计人( 如用户) 和计算机间的界面【4 】。根据l a b v i e w 的开发方式，人机界面将 拟定包括数据采集、文件管理、时域分析、频域分析等几个模块。 ( 5 ) 调试与检定验收 陕两科技大学硕十学位论文 将设计的虚拟仪器与实验室硬件设备相结合，测试系统的准确性和稳定性，验证是 否达到预期的设计要求。 6 基于l a b v l e w 振动控制分析虚拟仪器研究 2 理论依据及技术依据 2 1 闭环控制 闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计 划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。闭环控制，从输出量变化取出控制信号作 为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈 控制，自动控制通常是闭环控制t s ，。比如家用空调温度的控制。 当受控客体受干扰的影响，其实现状态与期望状态出现偏差时，控制主体将根据这 种偏差发出新的指令，以纠正偏差，抵消干扰的作用。在闭环控制中，由于控制主体能 根据反馈信息发现和纠正受控客体运行的偏差，所以有较强的抗干扰能力，能进行有效 的控制，从而保证预定目标的实现。管理中所实行的控制大多是闭环控制，所用的控制 原理主要是反馈原理【6 】。 闭环控制有反馈环节，通过反馈系统使系统的精确度提高，响应时间缩短，适合于对系 统的响应时间，稳定性要求高的系统 6 1 。 2 2p i d 目前，p i d ( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d e r i v a t i v e ) 算法在工业领域是最常用的算法。一 般人们用p i d 进行工程控制如加热和制冷系统、液位、气流和压力控制【7 l 。在p i d 控制 中，你必须指定一个过程变量和定点。过程变量是你想要控制的系统参数，如温度、压 力或者流动率。当然那个定点是我们控制渴望得到的值。一个p i d 控制器决定着控制器 的输出值，如锅炉的动力与阀的位置。控制者应用控制器与系统的输出值，其反过来驱 动变量想定点的值逼近。 2 3 快速傅里叶变换( f f t ) f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) 即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换的快速算法， 它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获 得的i s 。如今f f t 已经广泛的被用于测试测量的信号分析中了，而且你算法的程序也有 着各种的版本，可以根据自己的需要来选择性的使用。其中一般有时间出取法和频率抽 取发两种。同时f f t 可以实现快速卷积，这在信号处理的算法上又进了一大步，节省了 大量数据处理的时间。有了f f t ，运算变得简单、方便了! 而在l a b v i e w 中，有着已 经编制好的v i 程序，开发设计者可以直接调用，不用自己编程，非常方便，只需按照 要求连线及设置就可以了。信号在传送的过程中，一般会受到其它环境因素的干扰，而 接收到的信号里由于掺杂着其它信号，如噪声等的干扰，信号很难于区分，用肉眼或者 7 陕西科技大学硕士学位论文 人工计算等很难分离，而用f f t 方法消除噪声的的影响，然后用离散傅里叶反变化就可 以得到同原来的信号非常近似的结果。而对于需要应用到f f t 的编程者，可以不需要十 分清楚f f t 的原理，只要知道其可以做什么，怎么用以及用在何处即可。 2 4 技术依据 由控制部分给定激励幅值及频率进行定频扫描，此电压信号经过数字p i d 控制器， 然后经由d a 转换器将数字量转换为模拟量，然后经过功率放大器与电磁振动试验台相 连，对振动台的振动激励加以控制。振动发生器接到控制信号开始按照给定幅值及频率 的正弦激励下振动。在被测物品内侧安置三路加速度传感器，振动信号由传感器拾取得 到电信号，经过电荷放大器、滤波器和a d 转换器转化成计算机能处理的数字信号，通 过数据采集卡的驱动程序，数字采集信号采集到计算机，在l a b v i e w 平台下，编写程 序实现多路数据采集、回放、分析和储存等。 8 基于l a b v i e w 振动控制分析虚拟仪器研究 3 测控系统的组成 整个系统是由硬件部分和软件部分组成的。其中硬件有功率放大器、传感器、振动 试验台、和数据采集卡；软件部分是采用n i 公司开发的l a b v i e w 2 0 1 l 软件开发设计的。 3 1 硬件的选型 3 1 1 振动试验台 振动台又称振动激励器或振动发生器。它是一种利用电动、电液压、压电或其他原 理获得机械振动的装置。其原理是将激励信号输入一个置于磁场中的线圈，来驱动和线 圈相联的工作台。电动式振动台主要用于1 0 h z 以上的振动测量，最大可激发2 0 0 n 的压 力。在2 0 h z 以下的频率范围，常使用电液压式振动台，这时振劝信号的性质由电伺服 系统控制。液压驱动系统可以给出较大的位移和冲击力。振动台可以用于加速度计的校 准，也可用于电声器件的振动性能测和其耸的振动试验。对于不同的测试物和技术指标， 应注意选用不同结构和激励范围的振动台。 ( 1 ) 机械式振动台 9 1 具有以水平圆周振动为主，垂直振动为辅的双向振动效果，同时激励振动的力可以 调节，在做不同的振动试验时，而又要求达到同一振幅的值，只需要调节偏心块的扇形 块的多少就可以了。机械式振动台是把机械能转化成动能。其振动频率在1 0 0 - 3 0 0 转 分，振幅在2 5 4 毫米，最大的载重量为1 0 0 千克，而有效工作台面尺寸可以根据用户所 需而定做。这种振动台相对比较便宜，但是精度较低，操作繁琐，偶然误差大。一般用 于测试精度要求不高的领域。而随着科技的进步，机械式振动台会越来越少的使用。机 械式振动台的结构简单，推力大、波形差、价格低廉，适用于低频( 5 h z 8 0 h z ) 疲劳实 验。机械式振动台不能用于定加速度扫频试验，它只能做定频振动试验或定位移扫频振 动试验。 ( 2 ) 电液式振动台 9 1 电液式振动台就是把液压能转化为动能。电液振动台的特点有低频( 超低频) 、推力 大、负载能力强、控制方便，但工作上限频率低( 一般以几十h z 到几百h z 为上限) 价 格昂贵。液压式振动台中心是靠消耗振动台的部分推力来完成的。因此，其毛推力是净 推力加上定中心所消耗的那部分推力。液压振动台的核心部件是伺服阀，它的频率将决 定整个振动台的上限工作频率。虽然采用将输出端的加速度、速度位移反馈给输入端的 三输出、三输入方案，理论上可以提高振动台的上限工作频率。但是因为液压振动台加 。 速度波形畸变较大，这种方案的效果并不显著，所以受伺服阀频响的影响，液压振动台 的上限工作不高，仅几百赫兹。 9 陕硪科技人学硕十学位论文 ( 3 ) 电动式振动台【1 0 】 电动式振动台是把电能转换成动能。电动式振动台的特点是工作频率宽( 从儿h z 到几千h z ) 波形好、控制方便、价格较贵，是一般试验室中例行试验最常用的品种。其 实当前在各个领域使用最普遍的振动台。电动振动台，1 。泛适用于国防、航空、航天、 通讯、电子、汽车、家电、等行业。该类型设备用于发现早期故障，模拟实际工况 考核和结构强度试验，产品应用范围广泛、适用面宽、试验效果显著、可靠。动态 范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波；可得到很大的 加速度。电动式振动台是根据电磁感应原理设计的，当通电导体处的恒定磁场中将受到 力的作用，半导体中通以交变电流时将产生振动，振动台的驱动线圈正式处在一个高磁 感应强度的空隙中，当需要的振动信号从信号发生器或振动控制仪产生并经功率放大器 放大后通到驱动线圈上，这时振动台就会产生需要的振动波形】。 考虑到实验的要求，本课题选用d y - 6 0 0 垂直振动台体与s c 0 5 0 5 液体静压水平滑 台。如图3 1 与图3 2 所示。 图3 1d y 6 0 0 垂直振动台 f i g 3 - 1d y 6 0 0v e r t i c a lv i b r a t i o ng e n e r a t o r l o 基于l a b v i e w 振动控制分析虚拟仪器研究 图3 - 2s c 一0 5 0 5 液体静压水平滑台 f i g 3 - 2s c 一0 5 0 5l i q u i ds t a t i cp r e s s u r el e v e lf l a t n e s s d y - 6 0 0 垂直振动台是利用恒定磁场中对线圈通以电流，线圈就会产生运动的原理。 对恒定磁场中的线圈通以交变电流，线圈就会产生上下运动。通以正弦交变电流，线圈 就做上下正弦交变运动1 1 2 1 。 技术指标如下： 额定正弦推力 5 8 8 0 n ( 6 0 0 k g f ) 频率范围 2 - 2 0 0 0 h z 最大位移5 1 m m ( p p ) 运动部件重量约1 2 k g 冷却方式空冷 最大承载 2 0 0 k g 振动台面尺寸0 2 3 0 m m 台面安装螺钉 9 - - - m 1 0 ，深3 8 m m 容许偏心力距4 9 0 n m 注意：当进行1 0 h z 一下的振动试验时，同时负载较重时，最大位移试验可能发生困难， 请锁定隔振机构。 s c 0 5 0 5 液体静压水平滑台是为使振动台具有较大的水平振动能力，适应振动试验 规范对三向振动试验的要求，因此选用该种水平滑台。其台面尺寸大，使用频率高，扛 倾覆例句和偏载能力强，台面质量轻，静摩擦小的特点。其是与电动台对接比较理想的 水平台。在国际已经广泛应用。 其技术参数如下： 台面尺寸5 0 0 m m x 5 0 0 m m 运动部件质量约4 5 6 k g ( 包括连接器和动圈) 最大位移 5lm m ( p - - p ) 倾覆力矩4 9 0 n n l 最大徊转力矩 2 4 5 n m 最大载荷 2 0 0 k g 1 1 陕两科技大学硕士学位论文 频率范围 电源 3 1 2 传感器 2 2 0 0 0 h z 三相38 0 v a c 2 5 0 、，a 工程上把直接感受被测量( 物流的、生物的、化学的等等) ，并将这些转换成同种或 者其它的与其一一对应的并且方便计量量值形式( 通常为电压量或者电流量) 设备称之 为传感器。其起到输入作用，其性能对测量装置至关重要。随着测量、等的发展，特别 是一些新兴技术的出现，传感器在测试及控制等领域倍受青睐0 3 , 1 4 】。 传感器有多种形式的，按变换原理有参量型传感器( 其输出是无源的电参量如电阻、 电感、电容、频率等等) 与发电型传感器( 其输出是电势、电荷、电流等等) 。 传感器必需要有优良的性能，只有性能优良，才能达到测试测量目的。传感器的输 出和输入为线性关系，灵敏度高。受对外界的干扰小或者没有影响。滞后、回程误差、 漂移量小。动态性能好，耗能小，易被同类的传感器替换，容易校准p s j 6 l 。在选用的时 候，没有哪一种传感器满足以上的诸多要求，只能根据我们的测试目的、环境，测试对 象、准确度要求等等进行综合考虑，适当地变化某个因素，而尽最大可能的满足测试需 要。从而提供更为准确的数据，从而为它用提供有力的支撑。 一些晶体，如石英等，沿一定切片方向收到外力作用时不仅几何尺寸发生变化，而 且内部极化，表面上产生电荷，形成了一个电场。而当没有外力的时候，其表面的电荷 就消失了，不显电性。这就是所谓的压电效应。有这种性质的材料就是压电材料。如果 把这种材料放在电场中，它的形状也会放生改变，这种是逆的，称为逆压效应。具有这 种性质的材料被普遍用于工程技术领域，在测量技术中被用来测量力以及加速度等等。 本课题需要一个单向压电加速度传感器以及一个三轴向加速度传感器，为了使得测 量的精度高，反应灵敏，同时考虑到价钱等因素，特选用深圳市平讯达电子有限公司的 加速度传感器。 三轴向加速度传感器的选用s m b 3 8 0 ( 如图3 3 所示) 加速度传感器【7 l 。主要特点如 下： 加速度切换范围和带宽 低功耗a s i c s p i ( 3 线4 线) 1 2 c 接口 为