基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统

北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 1 北京石油化工学院北京石油化工学院 大学生科学研究研究训练大学生科学研究研究训练 开题报告开题报告 项目名称项目名称 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开 发发 题目类型 题目类型 设计型设计型 学生姓名 学生姓名 刘航刘航 陈苏敏陈苏敏 程龙程龙 张润石张润石 专专 业 业 机械电子工程机械电子工程 学学 院 院 机械工程学院机械工程学院 年年 级 级 机电机电 0909 指导教师 指导教师 代峰燕代峰燕 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 2 2012 年年 5 月月 8 日日 一 一 选题背景 研究意义及文献综述选题背景 研究意义及文献综述 1 1 选题背景 选题背景 Lab View 是美国国家仪器公司的最新一代产品 是目前国际上应用最广的 数据采集和控制开发环境之一 主要应用于仪器控制 数据采集 数据分析 数据显示等领域 使用 Lab VIEW 的用户可以创建独立的可执行文件 能够脱离 开发环境而独立运行 从而开发出具体的应用的软件 虚拟仪器设备概念是对 传统仪器概念的重大突破 是计算机系统与仪器系统技术相结合的产物 它利 用计算机系统的强大功能 结合相应的硬件 大大突破传统仪器在数据处理 显示 传送 存储等方面的限制 使用户可以方便的对其进行维护 扩展 升 级等 转子试验台是一种用来模拟旋转机械振动的实验装置 主要用于实验室验证 柔性转子的强迫振动和自激振动特性 通过不同的选择改变转子速度 刚性 质量不平衡 轴的摩擦或冲击条件以及联轴节的型式来模拟机器运行状态 由 配置的检测仪表来观察和记录其振动特性 它能有效地再现大型旋转机械所产 生的多种振动现象 旋转机械是企业生产中的关键设备 转子作为旋转机械的 重要部件 对其进行状态检测与故障诊断技术研究 可有效避免意外事故 减 少维修次数 提高设备利用率 降低生产成本 大幅提高企业效益 2 2 研究意义 研究意义 21世纪 以数字 网络和多媒体为代表的信息技术正以惊人的速度改变着 人们的生存 工作和学习方式 科学技术飞速发展 知识更新不断加快 传统 的实验教学暴露出越来越多的问题 越来越不适用科学技术的发展 表现为 实验设备陈旧 教学手段单一 甚至很多实验项目还无法开展 学生很难接触 到最新的试验设备和学习到先进的实验技术 这极大的影响了教学的效果 使 学生的动手能力和理论水平难以提高 也很难达到教育部提出的 高等教育要 重视培养大学生创新能力 实践能力和创业精神 的创新教育的要求 电力电子技术 计算机技术和网络技术的发展使科学研究和生产实践的方 法和规模发生了变革 为人们提供了难以置信的工作方式和创造空间 人们把 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 3 这些技术应用到生产生活中去 已经取得了一定的成绩 如北京工业大学自动 化系通过在输入信号和整流电路之间加入工控机 以及使用VC 语言实现了学 生在控制界面上自己进行典型实验和设计实验 自主选择实验项目和设计新的 实验进行毕业设计和综合设计的工作 美国Michigan大学化工系创建的 VRICHEL Virtual Reality In Chemical Engineering Laboratory 将虚拟现 实技术应用在化学工程教育领域 设计了多个虚拟实验室 一些原型虚拟实验 室已通过国际互联网对用户开放 允许通过国际互联网在虚拟实验室进行交互 式实验 1 当今的时代是 百舸争流 百花齐放 的时代 科学技术的进一 步发展 相信 全数字 的实验控制系统一定会在不久的将来冲击人们的视野 2 本课题旨在采用Lab VIEW作为软件开发平台 融入虚拟仪器设计思想 使 Lab VIEW与转子试验台系统的互相通信 以计算机和数据采集卡为主要硬件 Lab VIEW为软件开发平台 以美国NI公司的Lab VIEW作为开发平台 配合NI公 司采集卡 虚拟仪器技术的关键是软件 软件是建立现代化测试系统的核心 该项目的 软件设计工作主要包括两方面 一是建立由 Lab VIEW 图形程序语言来完成的虚 拟仪器 利用该语言在信号采集 处理等方面的强大功能 编写模块化程序 建立 美观形象的人机界面 二是调试并完成转子试验台系统测试程序 利用 Lab VIEW 程序对各传感器信号进行采集 从而实现对轴系的转速 轴心轨迹等参数的实时 控制 采集 显示及存储 所以用 Lab VIEW 为软件开发平台 以 PC 机 数据采集卡和各种传感器为主要硬 件 构建虚拟仪器系统 最终实现该系统的设计 3 3 文献综述文献综述 3 13 1转子试验台系统的发展现状转子试验台系统的发展现状 转子试验台是一种用来模拟旋转机械振动的实验装置 主要用于实验室验 证柔性转子的强迫振动和自激振动特性 通过不同的选择改变转子速度 刚性 质量不平衡 轴的摩擦或冲击条件以及联轴节的型式来模拟机器运行状态 由 配置的检测仪表来观察和记录其振动特性 它能有效地再现大型旋转机械所产 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 4 生的多种振动现象 2 旋转机械是企业生产中的关键设备 转子作为旋转机械 的重要部件 对其进行状态检测与故障诊断技术研究 可有效避免意外事故 减少维修次数 提高设备利用率 降低生产成本 大幅提高企业效益 目前市场上成品转子试验台的类型很多 有的用于教学演示 有的用于动 态实验研究等等 而用于教学演示具有代表性的是美国本特利生产的RK4型转子 试验台 北京波谱世纪科技发展有限公司生产的WS ZHT1型多功能柔性转子教学 试验台和杰韦弗 中国 销售的ZHS 5型多功能转子试验台 它们的外观见图1 1 第一行左一是RK4 左二是WS ZHT1 第二行是ZHS 5 它们之间的对比见表 1 1 3 4 5 图1 1本特利 北京波普及杰韦弗转子试验台 表1 1 教学演示方面具有代表性的三种公司转子试验台之间的对比 产品型号可以模拟实验 工程量检测方 式 扭矩检测价格 RK4 转子不平衡 转子碰磨 转速检测 转子轴心轨迹测量 单一无4万左右 WS ZHT 1 转速检测 转子轴心轨迹测量 振动加速度检测 油膜振荡理论 单一无6万左右 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 5 柔性转子动平衡 ZHS 5 转速检测 振动测量 油膜振荡与油膜涡动 转子轴心轨迹测量 转子振型分析 刚性和柔性转子动平 衡 单一无10万左右 从表1 1试验台的对比中可以看出 它们都包括基本的转速检测 轴心轨迹 测量 用水平和竖直两个相互垂直方向的位移传感器对轴上同一点进行测量绘 制的二维图 振动加速度检测 油膜振荡 转子动平衡等实验内容 但是这些 工程量的检测方式比较单一 将其用于本科教学 学生不能起到对比的作用 不利于学生思维发散能力的提高 而像油膜振荡理论 流体失稳的测量等内容 对本科生来说太过专业 试验台不能被充分利用 造成资源的浪费 从图1 1中 可以看出 试验台的结构形式比较简单 并且性价比低 另外 转矩是重要的 机械工程参数之一 在机械测试中占有很大的比例 通过转矩的测量 可以分 析零部件 结构或机构的受力状况和工作状态 验证设计计算的正确性 对发 展机械设计理论 保证机器的安全运行 实现自动检测 自动控制等都具有重 要意义 6 目前国内外转子试验台发展研究比较多的一是针对特定旋转机械展开设计 和研究 二是以现有的试验台为测控对象对其进行更深层次的研究 7 8 9 10 如 立式轴承转子试验台设计 它是为了实现立式结构轴承 转子系统振动检 测和机械设备故障模拟等功能 多支承转子 轴承系统轴承负荷辨识试验台设 计 它模拟的是大型旋转机械的核心部件 可用于轴承负荷辨识 状态检测和 故障诊断 预防重大事故的发生 大型转子试验台动态特性分析 它从油膜 轴承 单跨转子 多跨耦合转子系统三方面入手 对模型试验台的动力学特性 进行动力学理论分析及实验分析 掌握试验台的动态参数 为建立故障转子系 统模型 进行故障模型分析做了准备 利用粒子群优化算法建立的一个双转子 非线性模型 它以飞行器系统中的一个多入多出的双转子系统为对象使用神经 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 6 网络和粒子群优化算法研究出了一个非线性模型技术 近年来 随着虚拟仪器技术的迅速发展 借助计算机平台 将虚拟仪器技 术和转子试验台结合起来 成为当今的一个研究热点 11 12 13 虚拟仪器是以 软件为核心 用后可以根据自己的需要 灵活的将各种计算机平台 硬件 软 件和各种附件结合起来 形成自己需要的各种特定设备 大大缩小了仪器硬件 的成本和体积 缩短了研发周期 并且通过软件实现对数据的显示 储存以及 分析处理 和传统仪器相比 更为广大用户所接受 14 15 而利用转子试验台 模拟旋转机械中出现的故障实验 借助虚拟仪器系统采集故障信号 并对信号 进行有机分析 将实验结果和理论分析相结合 验证转子故障的识别特征 以 转子试验台为研究对象 利用虚拟仪器技术以Lab VIEW VB或Lab Windows CVI 等软件为设计平台 开发新的数据采集和处理系统 改善现有的转子试验台使 用性能和研究方法 再借助网络技术 将三者融合在一起 实现对转子试验台 的远程测量和控制等都已成为现实 对某些不宜在现场操作的转子试验台系统 通过网络技术和虚拟仪器技术 进行远程测量和控制 同时借助视频监控系统可以使操作者更加方便 直观地 实现转子试验台的远程测量和控制 满足转子试验台远程测控网络实验的要求 同时为不同地域的科技人员资源共享提供新的途径 是转子试验台未来发展的 一个趋势 16 3 23 2 转子试验台系统结构组成及功能转子试验台系统结构组成及功能 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 7 系统机械部分是 BQ2100 的重要组成部分 是分析数据的来源 主要功能包 括 1 通过轴系转动 给出旋转机械真实的振动信息 2 进行动平衡实验 直观体现动平衡效果 3 模拟油膜振荡实验 机械部分主要由动力部分 安装基座 轴系和测量辅件 动平衡辅件组成 示意图如下 主要功能 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 8 功能一 围绕旋转机械动态特性 进行实际模拟实验 转子转速控制实验 转子临界转速测量 转子结构形式 单双轴系 对临界转速的影响 转子振动基频 倍频和半倍频 转子振动信号原始时域 频域波形及提纯 转子振动信号原始轴心轨迹及提纯 转子启停机伯德图 轴承油膜涡动和油膜振荡 转子单点单面动平衡 转子多点单面动平衡 转子二维全息谱分析 其它有关旋转机械振动实验 功能二 全方位演示旋转机械转动过程中所包含的全部信息图谱 显示旋转机械主要在线运行参数 TSI 信息集 转速 振动 等 显示旋转机械主要振动信息 TDM 信息集 频谱 轴心轨迹 波特图 级联图等 3 33 3 数据采集系统数据采集系统 随着电子技术 计算机技术和网络技术的高速发展及其在电子测量技术与 仪器领域中的应用 新的测量理论 测试方法和领域以及新的仪器结构不断出现 计算机处于核心地位 其软件技术和测试系统紧密地结合成一个有机整体 使仪 器的结构 概念和设计观点等也发生了突破性的变化 所谓虚拟仪器 就是在通 用计算机平台上 用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试功能 其实质是将 传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结合起来 以实现并扩展传统仪器的功 能 与传统仪器相比 虚拟仪器在智能化程度 处理能力 性能价格比 可操作 性等方面都具有明显的技术优势 13 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 9 软件部分是虚拟仪器的心脏 美国 NI 公司在虚拟仪器概念出现以后 推出了 图形化虚拟仪器专用开发平台 LabVIEW 此外 还推出了 LabWindows CVI Componentworks 等交互式开发平台 13 美国 HP 公司的 HP VEE Tektronis 公司的 Ez Test 和 Tek TNS 以及美国 HEM Data 公司的 Snap Marter 平台软件 也是国际上公认的优秀虚拟仪器开发平台 LabVIEW 是目前最 受欢迎的虚拟仪器主流开发平台 这种平台采用独特的图形化编程方式 编程过 程简单方便 近几年 NI 公司还开发了基于 PC ISA 总线和 VXI 总线的数据采集 模板系列 作为虚拟仪器平台的硬件支持 图 3 6 所示为典型数据采集控制系统 框图 三 四 图 3 6 典型数据采集控制系统框图 LabVIEW 是目前应用最广的虚拟仪器开发环境之一 它充分利用计算机硬 件资源 仪器和测控系统硬件资源 被广泛应用于仪器控制 数据采集 数据 分析 数据显示等领域 2009 年 8 月 3 日 美国国家仪器有限公司 简称 NI 宣布推出可用于控制 测试和嵌入式系统开发的最新图形化系统设计软件平台 LabVIEW LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的简称 是美国国家仪器公司 National Instruments 简称 NI 的创新软件产品 也是目前应用最广 发展最快 功能最强的图形化软 件开发集成环境 LabVIEW 是一种图形化的编程语言 又称为 G 语言 使用 这种语言编程时 复杂的语言编程简化为可视化的数据流编程 以图标表示功能 模块 以图标间连线表示数值传输 其编程方式与用元件和导线组成的电子电路 十分相似 形象而直观 LabVIEW 中提供大量现成的图形模板 可供生成美观实 用的仪器面板 LabVIEW 还提供丰富实用的数值分析 数字信号处理等功能 同时 LabVIEW 高度集成了各种 GPIB VXI RS232 RS 485 标准设备及数据采 集卡 网络设备的驱动功能 通过 NI 提供的众多流行仪器的源码级驱动程序 可 现场信号 信号的调理 放大 滤波 隔离 激励等 数据采集板 卡 数据采集盒 计算机数 据采集控 制软件 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 10 轻而易举地与外部设备进行通讯和控制 在 LabVIEW 平台上 进行数据采集系统 设计可节省大量的程序开发时间 作为现代仪器仪表发展的方向 虚拟仪器已迅速发展成为一种新的产业 美国是虚拟仪器的诞生地 也是全球最大的虚拟仪器制造国 到 1994 年底 虚 拟仪器制造厂已达 95 家 共生产 1 000 多种虚拟仪器产品 销售额达 2 93 亿 美元 占整个仪器销售额 73 亿美元的 4 14 到 1996 年 虚拟仪器已在仪器仪 表市场中占有 10 的份额 17 生产虚拟仪器的主要厂家 NI HP 等公司 目前都 生产数百个型号的虚拟仪器产品 下面介绍 3 家公司基于 LabVIEW 图形化开发 平台进行医疗设备设计的实例 OptiMedica 公司基于 NI 图形化开发平台开发了诊治糖尿病视网膜症的新 型激光治疗仪 如图 3 8 激光治疗主要是通过瞄准发射激光脉冲 封闭微血 管瘤及不正常血管渗漏 由于手术的复杂性和精密性 近 35 年来这种激光瞄准 发射都是由医生手动控制的 基于 LabVIEW FPGA 和 NI R 系列设备的革新性激 光治疗平台 通过一个高精度 自动化的控制系统 辅助医生以一定的模式每 次瞄准发射多个激光脉冲 从而加快手术的速度 减少疗程数 图 3 8 新型激光治疗仪 图 3 9 Visica2 治疗系统 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 11 Sanarus 是一家医疗设备起步公司 他们计划开发一种革新型的手术设备 Visica2 治疗系统 简称 V2 如图 3 9 通过液氮冷冻杀死门诊病人的肿瘤 V2 设计目标是一种可放置在医生的办公室或者诊所里使用的仪器 治疗过程包 括无痛的局部麻醉和实时 超声定位病灶 治疗处理持续时间约为 10 到 20 分钟 通过一个小切口冷冻和杀死目标组织 术后病人也无需封针 据调研 护士有 15 60 的时间都用于静脉输液等事务 因此 Fluidnet 和 Boston Engineering 基于 LabVIEW 嵌入式模块开发了一系列简单易用的输液 设备 如图 3 10 来解决医院中护士不足的问题 这种新的输液设备更为精确 安全 提供了很宽的可选流速范围 而价格却比现有的输液设备低 3 10 输 液 设备 国内虚拟仪器研究的起步较晚 最早的研究也是从引进消化 NI 的产品开 始 但经过多年研究 我国已经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色 15 国 家自然科学基金委员会已将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一 并被列为 十五 期间优先资助领域 16 我国国民经济的持续快速发展 加快 了企业的技术升级步伐 先进仪器设备的需求更加强劲 虚拟仪器赖以生存的 个人计算机最近几年以极高的速度在中国发展 这些都为虚拟仪器在我国的晋 级奠定了良好的基础 本文基于 LabVIEW 的虚拟仪器图形化编程语言 采用数据采集卡 实现液压 伺服实验台控制信号的产生以及对控制信号响应的数据采集 二 研究的基本内容 拟解决的主要问题二 研究的基本内容 拟解决的主要问题 基本内容基本内容 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 12 1 调研目前市场上转子试验台的类型 查阅 研究当今旋转机械试验台的发 展趋势 在此基础上对现有试验台的整体的硬件配置进行学习和研究 直流伺 服电机 PC 机和数据采集设备 各种传感器设备 电源控制设备 2 利用 PXI 硬件设计测控系统硬件系统 3 利用 LabVIEW 开发动态特性试验系统 至少开发出转子转速控制实验 转 子临界转速测量 转子振动基频 倍频和半倍频测量 转子振动信号原始时域 频域波形及提纯 转子振动信号原始轴心轨迹及提纯等试验 完善 机械工程 测试技术 试验项目 并进行软硬件联调 改进 最终达到设计要求 拟解决的关键问题拟解决的关键问题 本项目拟在现有的转子试验台上进行动态特性研究 开发即符合 机械工程测 试技术 教学的实验项目 又能培养学生工程实践能力 的装置 拟解决以下主要问题 1 机械运动参量的检测方法研究 从现有的工程产品中简化机构 保持功能 不变 选择相应的检测方法 选择合适的传感器类 型 2 控制系统设计 试验装置以伺服电机的速度作为控制对象 需要设计相应 的闭环控制算法 3 信号分析与处理 实验项目的开发设计到较多的信号分析与处理的内容 需要对滤波 频谱分析等具有一定了解 对机电学生 具有一定的挑战 4 机电系统的集成调试 试验装置是典型的机电一体化产品 在软硬件的调 试阶段需要具备一定的集成调试能力 三 研究步骤及方法三 研究步骤及方法 1 查阅文献 写出文献综述和开题报告 确定系统总体方案 2 对现有试验台的整体的硬件配置进行学习和研究 直流伺服电机 PC 机 和数据采集设备 各种传感器设备 电源控制设备 北京石油化工学院大学生研究训练北京石油化工学院大学生研究训练 URT 计划项目计划项目 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统开发 13 3 系统详细设计与编程 包括基于 Lab VIEW 的数据采集系统设计 加载系 统设计 系统将 Lab VIEW 应用到检测系统中 输入信号由涡轮传感器产生 输 出信号通过虚拟仪器的面板显示 由计算机数据采集卡对各项检验参数 如转 速 轴心偏移量 转子振动频率等进行数据采集 量化和处理并输出测试结果 计算机根据数据反馈结果或者人工输入的要求 对测试过程进行控制 达到计 算机密切跟踪和控制实验台机事件状态的目的 从而高速 高精度完成对轴类 产品的性能测试 4 基于虚拟仪器的旋转机械动态特性试验系统的调试 5 同步控制整体测试 6 总结 四 研究工作进度四 研究工作进度 根据本次设计的时间安排 拟定研究工作进度如下 1 2012 年 1 月至 2012 年 3 月完成课题调研 查阅国内外文献并分析现状及 课题开题 2 2012 年 3 月至 2012 年 5 月对现有试验台的整体的硬件配置进行学习和研 究 直流伺服电机 PC 机和数据采集设备 各种传感器设备 电源控制设备 3 2012 年 5 月至 2012 年 6 月完成数据采集及传输部分中所需的电路 实现 在的数据采集 4 2012 年 7 月至 2012 年 8 月完成 Labview 中数据分析 设计合理美观的主 界面并将数据正确结果显示出来 5 2012 年 9 月至 2012 年 10 月系统完善 反复调试 完善 总结 五 参考文献五 参考文献 1 Fernando Minauro Sanmiguel Concepci on Bravo 1 and Jos e J Garc a Cross Linking of the Endogenous Inhibitor Protein IF1 With Rotor and Stator Subunits of the Mitochondrial ATP Synthase J 2002 433 443 2 E SERRE1 P BONTOUX and B E LAUNDER Direct Numerical Simulation of ransitional Turbulent Flow in a Closed Rotor Stator Cavity J 2002 35 50 3 Dong Ju Han Identification of the Types of Rotor Systems Using Directional 北京石油化工学院大学生研究训